Первые шаги, предпринятые человеком в деле становления строительного искусства, относятся еще к эпохе палеолита, когда первобытные племена осваивали пещеры, выбирая пространства в них соответственно задачам обеспечения жизнедеятельности и магических ритуалов. Некоторые пещерные залы предназначались для проживания в них мужчин-охотников, другие – для культовых действий, третьи служили местом накопления и сбора костных останков животных. Освоение естественных пространств сопровождалось рациональной деятельностью по организации в них жизни племенного сообщества, что отчасти является одной из функций зодчего при архитектурном проектировании. В эпоху палеолита появляются искусственные сооружения. Древнейшими из них, при условии рукотворного характера находки, являются нагромождения камней по кругу, обнаруженные Л. Лики в Олдувайском ущелье, и служившие прижимами для ветвей и шкур примитивного шалаша возрастом около 2 млн. лет29. К верхнему палеолиту относятся мадленские круглые в плане хижины в Пенсеване (Франция) и длинные шалаши в Костёнках IV (Воронежская область). Изобретательность и рационализаторство первобытного человека свободно приспосабливало первые, самостоятельно построенные им жилищные сооружения к климатическим условиям и географическим особенностям местности. Круглые и прямоугольные в плане, они, должно быть, напоминали современные юрты, чумы или яранги.
Однако именно в эпоху неолита, а затем и бронзового века, перед нашими далекими предками появились задачи в области строительного дела, неосуществимые одним человеком или небольшой группой, а требовавшие физических и интеллектуальных усилий значительного количества людей. Строительство шалаша или хижины по плечу одному умельцу, или, на крайний случай, двум-трем работникам. Возведение монументальных сооружений из камня требовало не только присутствия значительно большего количества рук, но и инженерных навыков, необходимых и в наши дни – прежде всего, в деле перемещения в пространстве огромных тяжестей, крупногабаритных строительных материалов.
Мегалитические сооружения первобытной эпохи поражают, прежде всего, избыточной инертной массой и значительными размерами конструкций, что влечет за собой сложные строительные задачи. Кроме того, сам объем наследия первобытной архитектуры может удивить цифрами. Согласно приблизительной оценке, только на территории Европы – от Атлантики и до Кавказа, – сохранилось порядка 50.000 объектов, интерпретируемых как памятники первобытного зодчества. Не всегда эти артефакты можно классифицировать как собственно мегалитические объекты, некоторые из них выполнены из относительно небольших каменных плит, которые легко перемещали с места на место два – три человека. Из таких материалов построены дома неолитической деревни III – II тыс. до н. э. в Скара-Брэй (Шотландия). Однако именно мегалиты представляют интерес с точки зрения развития строительной техники в эпоху, практически во всем ограниченных возможностей, когда минимальными средствами нужно было добиться максимального результата. Вес некоторых блоков достигает полутора-двух десятков тонн. Одним из самых больших монолитов, установленных в кладку неолитического сооружения, является 20-тонный массив в храме Хагар-Ким (Мальта) 3600 – 3200 гг. до н.э. В этой связи возникает вопрос о техническом оборудовании, которым пользовались первобытные строители. В это время еще не были знакомы ни с колесом, ни с лошадью, как тягловым животным. Блоки-полиспасты будут изобретены только в Древней Греции. О каких-либо машинах и механизмах, известных Античности, не могло идти и речи. Помимо этого, «строительные бригады» жителей первобытной Европы, по мнению некоторых ученых, вряд ли превышали сотню другую человек.
Анализ сооружений позволяет предположить наличие приспособлений, использование которых документально подтверждено примерно в это же время (III – II тыс. до н. э.) у древних египтян, а именно – рычага, катка и наклонной насыпи. Кроме того, была возможность пользоваться плотами для транспортировки блоков водным путем, канатами, деревянными рельсами-направляющими, полозьями наподобие санок или лыж, а также инструментами из камня (а потом и меди) для обработки самих блоков, их раскалывания, вырубки пород в карьере и т.п. По всей видимости, выработка блоков в каменном карьере представляла для первобытных мастеров Европы, в отличие от древних египтян, огромную сложность, что заставляло их выбирать преимущественно те глыбы, которые уже были оторваны от материковой породы и лежали отдельно от самого месторождения. Это подтверждается выбором в качестве материала камней различных по массе и очертаниям, порой совершенно необработанных, для одного и того же сооружения. Отделка сторон камня с целью придания ему геометрически правильных форм, почти таких же, как у блоков пирамид в Гизе, осуществлялась редко. В какой-то мере исключение представляют некоторые храмы на о. Мальта (Таршин) и нураги Сардинии.
При всем многообразии неолитических памятников большинство из них можно отнести к трем основным типам: дольменам, менгирам и кромлехам. Кроме того, все три типа порой входили в композицию одного какого-то конкретного сооружения.
Дольмены представляют собой вертикально установленные каменные столбы или плиты, которые несут горизонтальный блок, опирающийся на них двумя своими крайними концами.
По внешнему виду дольмены отличаются друг от друга. Состоящие из двух вертикальных элементов и одного горизонтального, напоминающие букву «П», именуются словом греческого происхождения – трилит («три камня»). Вертикальных опор бывает больше, чем две, например, четыре, а блок-перекрытие в таком случае представляет собой широкую и плоскую плиту. Степень обработки камня тоже различна: от стремления сгладить геометрическое несовершенство природного материала, а также украсить его насечками в технике пикетажа, до использования грубых валунов самой неправильной и естественной формы, что имело место при возведении датских дюссов.
Менгиры, как правило, представляют веретенообразные столбы с хорошо видным энтазисом (утолщением) в средней части. Самый верх менгира заострен наподобие пирамидона обелиска. Отдаленное сходство с обелиском тем более удивительно, что в эпоху распространения менгиров в Западной Европе в Древнем Египте обелиск становится одной из важнейших форм культового зодчества, символически представляя оплодотворяющую силу Солнца.
Менгиры возвышаются по одному, но подчас образуют группы, вытянутые в длинные цепочки, как это видно в аллее менгиров в Карнаке на полуострове Бретань (Франция).
Кромлехи замыкают в кольцо значительные площади, ограниченные по окружности вертикально стоящими необработанными валунами, плитами, менгирами или чередой трилитов.
На территории нынешней Англии кромлехи обносили двумя валами с неглубоким рвом между ними. Валы образовывались из отвала породы (грунта), которую равномерно распределяли по сторонам рва во время его рытья. Самым знаменитым кромлехом является Стоунхендж (Великобритания).
Как показывает изучение многих мегалитических сооружений, основной технической трудностью являлась транспортировка каменных блоков, установка их вертикально и подъем значительных по массе камней на высоту нескольких и более метров. При работе почти наверняка использовался рычаг, или даже несколько рычагов, которые заводились под основание камня и движением вперед позволяли приподнять его на несколько десятков сантиметров. В появившийся зазор между камнем и поверхностью земли закладывались бревна, другие камни или засыпался грунт. Таким образом, одной своей частью огромный камень уже был приподнят над землей. Эту же операцию с помощью рычага повторяли с другим краем камня, в результате чего он приподнимался на несколько десятков сантиметров над горизонталью, покоясь поверх насыпной рукотворной платформы. Благодаря этому же методу можно было приподнять камень и над платформой, и т.д., пока строительный блок не оказывался на нужной высоте.
Принцип рычага был известен задолго до неолита, а математически впервые его описал древнегреческий ученый Архимед. Он рассматривает рычаг как весы или качели, где балка свободно вращается относительно точки опоры. Расстояние от точки опоры до одного и другого конца балки – есть плечо рычага. Плечо силы – к нему прикладывается усилие: подвешивается груз или человек нажимает на него рукой. Плечо сопротивления – на него передается усилие. Если сила и сопротивление одинаковы по модулю, то рычаг приходит в равновесие как весы. Тяжелый груз поднимается за счет силы и переданного на плечо сопротивления усилия. Соотношение силы и сопротивления зависят от расстояний от их точек до точки опоры. Чем больше отрезок рычага от точки приложения силы до точки опоры и чем меньше отрезок рычага от точки опоры до точки сопротивления, тем большее усилие передается на точку сопротивления при одной и той же силе, прикладываемой к плечу этой силы. Проигрывая в расстоянии, мы выигрываем в силе. Данную пропорцию Архимед представил как:
P · BP = R· BR,
где P – сопротивление, R – сила, BP – плечо сопротивления, BR – плечо силы.
В нашем случае, первобытные мастера вероятнее всего использовали рычаги двух типов:
1) такой, в котором точка опоры расположена между плечами силы и сопротивления;
2) и тот, где точка сопротивления находится между точкой приложения силы и точкой опоры.
Первый тип рычага подобен весам, второй – лопате при вскапывании грядки.
С помощью рычага блоки поднимали на катки, отесанные бревна. Если допустить, что блок имел одну свою сторону гладкую и плоскую (то есть предварительно обработанную), или покоился на плоской деревянной платформе, то несложно представить, что катки, в теории, соприкасались с плоскостью только теми точками своей поверхности, которые образуют воображаемую линию, параллельную продольной оси симметрии бревна-катка. Это позволяло сдвинуть блок с места по вращающимся каткам. В противном случае, тяжелый груз в форме параллелепипеда, лежащий на поверхности земли, не сможет сдвинуться относительно ее плоскости из-за большой силы трения и значительного удельного давления на грунт.
Сила трения возникает между двумя телами при их соприкосновении и взаимном относительном движении, мешая перемещению. Она обладает молекулярной природой, поскольку друг о друга трутся не просто шероховатые поверхности тел, но взаимодействуют друг с другом их молекулы. Сила трения зависит от материала предметов и того, насколько они прижаты один к другому. В простых случаях сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между взаимодействующими телами. Здесь сила трения F и сила нормальной реакции (нормальная нагрузка) Nnormal вместе с коэффициентом трения μ должны быть представлены неравенством:
|F| ≤ μNnormal
Вся совокупность физических точек нижней поверхности блока и верхней поверхности плоскости при их сопряжении (в конкретных материальных условиях строительного процесса) не позволит сдвинуть блок с места, крепко прижимая его к земле. Одним из способов решения проблемы может стать устранение большого количества физических точек той плоскости, на которую блок опирается, путем изменения ее геометрии. Такое возможно в том случае, когда блок лежит не на плоскости нулевой кривизны (ровная строительная площадка, земля), а на криволинейной поверхности сферы или цилиндра. Если сфера идеальна, то ее поверхность и поверхность геометрически правильного параллелепипеда (каменного блока) будут соприкасаться в одной единственной точке. Идеальный цилиндр при таком соприкосновении даст вдоль своей продольной оси симметрии отрезок, в точках которого он встретится с ровной нижней поверхностью блока-параллелепипеда. И в первом, и во втором случае количество физических точек, в которых соприкасаются сфера (или цилиндр) и блок, неизмеримо меньше, чем это было, когда блок покоился на плоскости нулевой кривизны. Соответственно этому уменьшится и сила трения. На этом основан принцип действия современных подшипников, работающих на снижение трения вращающихся деталей механизма.
Изготовить идеальную сферу очень тяжело, а в условиях первобытного мира – невозможно, как и изготовление геометрически правильного цилиндра. Близкие ему по форме – обработанные стволы деревьев, из которых делали бревна для катков. Бревно-каток не является идеальной в геометрическом отношении фигурой, следовательно, точек соприкосновения бревна с блоком больше, чем в случае с абсолютно правильным цилиндром. Однако даже такое несовершенное устройство значительно снижает силу трения, позволяя перемещать каменный строительный блок в горизонтальном направлении относительно бревен, которыми буквально выложен путь блока из одного пункта в другой, например, из карьера на место возведения сооружения. По мере перемещения блока в нужном направлении, бревна высвобождаются из-под него сзади, и заносятся вперед по курсу движения, на смену тем бревнам, которые оказываются в это время под блоком. Таким образом, имея в своем распоряжении всего несколько десятков катков можно перемещать один тяжелый груз в горизонтальной плоскости, подталкивая его рычагом. Но движение по наклонной поверхности (вверх) уже может вызвать большие инженерные трудности, поскольку катки, не скрепленные между собой, будут стремиться под действием гравитации съехать вниз, под гору.
Искусственная насыпь с пологим склоном для перемещения груза снизу вверх называется наклонной насыпью. По ней втаскивают или вкатывают строительные материалы. В геометрическом отношении продольное сечение наклонной насыпи представляет собой прямоугольный треугольник, где гипотенуза – пологий склон насыпи; прилежащий катет – линия основания, фундамент насыпи; противолежащий катет – общая высота всей насыпи. Последняя будет равна тому расстоянию, на которое необходимо поднять груз, например, тяжелый блок.
Строительная практика первобытной эпохи привела к появлению конструкций, впоследствии широко распространенных в архитектуре и более поздних эпох: стоечно-балочной системы, ложных сводов, циклопической кладки из огромных камней.
Основные нагрузки в этих конструкциях распределяются вертикально, а надежность конструкций обусловлена камнем в качестве материала, хорошо выдерживающего сжатие, но плохо работающего на изгиб. В этом кроется причина массивности построек эпохи неолита, вызванная желанием придать всем сооружениям большую прочность, обеспеченную высоким коэффициентом инертных масс. Обилие масс в сооружениях неолита объясняется применением кладки из внушительных блоков, а также наличием излишне тесных пустых пространств внутри конструкций, под сводами, в коридорах, в погребальных камерах, между опорных столбов, поддерживающих перекрытия, в помещениях храмов и гробниц.
Стоечно-балочная конструкция – это такая конструкция, которая в простейшем своем виде состоит из двух вертикальных опор-стоек (столбов, плит, колонн, стен), на которые опирается противоположными сторонами любой горизонтальный элемент – балкаперемычка, плита-перекрытие, блок-архитрав. В первобытную эпоху и в Древности промежуток между опорных столбов (интерколюмний) оставался практически всегда узким, редко когда равным высоте самих опор и, как правило, не превышающий половины их высоты. Масса верхнего горизонтального блока оказывала давление на стойки в тех точках конструкции, на которые блок опирался своими крайними концами. Вектор вертикальной нагрузки на столбы-стойки проходит через всю высоту столбов и равен вектору силы земного притяжения. Внутренние напряжения в горизонтально лежащем блоке-перемычке, в архитраве, могут привести к появлению трещин в нем самом, или к обрушению этого блока в случае непропорционально большого расстояния между точками опоры. Эти внутренние напряжения в балке-архитраве можно разделить на сжатие и растяжение. В архитраве линию сжатия удобно представить как абрис арки, а линию растяжения как очертание провисшей нити.
Равнодействующие силы этих напряжений, умноженные на плечо между ними, создают внутреннее сопротивление балки внешнему изгибающему моменту. Если напряжение растяжения в архитраве окажется избыточным, то горизонтальная балка треснет, и удержаться на весу ей поможет только напряжение сжатия. В этом случае архитрав начнет работать как свод, что должно вызвать силы распора свода, которые могут опрокинуть стойки. Благодаря соотношению толщины и высоты опорных элементов, длины архитрава, момент, удерживающий стойку за счет собственного веса и давления на стойку архитрава, оказывается значительно больше момента от опрокидывающей силы распора30. Это обстоятельство сохранило многие мегалитические трилиты в целости, благодаря огромным массам их отдельных элементов. Так, например, горизонтальные блоки перекрытия в трилитах Стоунхенджа весят порядка 15 тонн каждый при массе стоек около 30 тонн.
Циклопическая кладка. Кладка из блоков большого размера, где масса отдельного камня может насчитывать от нескольких сотен кг до нескольких тонн. Благодаря хорошей выносливости камня на сжатие нижние ряды кладки не деформируются давлением верхних слоев. Более того, гигантский вес камней лежащих в верхней части стены обеспечивает отличную устойчивость нижних ее порядков – разрушить их посредством извлечения отдельных блоков из стены невозможно. В циклопической кладке вертикальные нагрузки приводят к появлению значительных сил трения, что мы уже наблюдали в связи с проблемой перемещения полезных грузов в пространстве с целью их транспортировки. Коэффициент сил трения тем выше, чем большим количеством точек своих поверхностей соприкасаются камни, лежащие в соседнем нижнем и верхнем ряду кладки. Достичь этого можно за счет обработки (выравнивания) верхней и нижней поверхности каменного блока, при этом боковые стороны (выходящие на фасад) могут оставаться нетронутыми. Ровные поверхности двух каменных блоков (верхнего и нижнего) за счет нулевого коэффициента кривизны будут прижиматься всеми физическими точками своих поверхностей друг к другу, обеспечивая силой трения надежное сцепление при условии большого веса самих блоков. В этом случае нет необходимости в строительном растворе, скрепляющем благодаря вязкости и клейкости отдельные элементы кладки. Раствор заменяется силой трения, возникающей благодаря плоским соприкасающимся поверхностям соседних камней и их значительной массе. Не будем забывать и о том, что ровные поверхности камня обладают ввиду своей кристаллической структуры большим количеством шероховатостей, зернистостью фактуры, что также обеспечивает заметную адгезию во время действия сил трения.