О деятельности В. Г. Шухова в области строительной науки и техники

О деятельности В. Г. Шухова в области строительной науки и техники

Имя нашего великого инженера В. Г. Шухова не пользуется такой широкой мировой известностью, как, например, имя Эйфеля, инженера-мостостроителя Фрейссине или немецкого специалиста по покрытиям Дишингера. Между тем В. Г. Шухов превосходил их богатством и широтой своих идей, оригинальностью мысли и способностью воплощать свои изобретения в законченные реальные сооружения.

Свою инженерную деятельность В. Г. Шухов начал в 1876 г. и больше 40 лет проработал в условиях царской России, в стране с отсталой техникой, в эпоху, когда грандиозные сооружения не возводились. Ему пришлось работать в области малых форм, где технические достижения могут быть оценены специалистами, но не бросаются в глаза широкой публике. После Великой Октябрьской социалистической революции весь свой талант, знания и опыт Шухов отдал на службу Советскому государству, продолжая творческую работу в различных областях техники.

Сейчас мы можем объективно взглянуть на его творчество, изучить его научное наследие, потому что плодами его деятельности продолжаем еще пользоваться, а знание его творческого метода будет полезно для наших дальнейших поисков.

Слово «поиск», пожалуй, лучше всего характеризует творческий метод Шухова. Когда он брался проектировать то или иное сооружение, перекрытие, нефтеналивное судно, насос или производственный процесс, то, естественно, на первом этапе основательно знакомился по имеющимся материалам с современным ему состоянием дела, как это делает и любой инженер-проектировщик. Затем начинался процесс критического анализа существующего — процесс предъявления исходя из поставленной задачи строгих требований, которые старые решения, как правило, не выдерживали.

Шухов в высокой степени обладал даром критического мышления и требовательности. Его обычно не удовлетворяли решения, которые в то время господствовали и не вызывали ни у кого возражений. Техника движется вперед недовольными, а не теми, кто благодушно приемлет все, что сделано предшественниками.

Эти его качества были действенными и плодотворными. Они побуждали его к поискам возможных усовершенствований, к поискам наилучших, оптимальных решений. В своих поисках

Шухов опирался на огромную инженерную эрудицию, интеллект; путь его поиска прослеживается во всех его инженерных и научных работах. Во-первых, он обладал солидным капиталом теоретических и практических знаниий, громадным и разносторонним инженерным опытом, гарантировавшим его от неэффективных и незрелых решений, направлявших мысль в сторону потенциально приемлемых решений. Это сберегало труд и позволяло решать задачи в короткие сроки (изумлявшие современников). Во-вторых, он обладал способностью к глубокому и тонкому анализу нсех факторов, от которых зависело оптимальное решение, — анализу, в котором он никогда не останавливался на полпути, настойчиво добиваясь именно оптимального решения.

Кроме того, он обладал особым, чудесным даром интеллекта — интуицией. А. Пуанкаре когда-то выразился так: «Логика доказывает, интуиция творит”. Шухов обладал этим даром, который подсказывал ему новые, оригинальные решения, доводимые им затем до совершенства с помощью высокой инженерной подготовки и опыта.

Обратимся теперь для иллюстрации сказанного к одной стороне его многогранной деятельности — инженерно-строительной.

Обычно знакомство с творчеством Шухова в области строительных конструкций производит чрезвычайно сильное впечатление. Поражает огромное количество разнообразных сооружений, спроектированных и возведенных под руководством одного человека, уверенно взвалившего этот, казалось бы, непосильный груз на свои плечи и как бы не замечающего его тяжести.

С этих позиций фигура Шухова, когда ее разглядываешь с дистанции, измеряемой пятью—восемью десятилетиями, представляется наделенной почти невероятным запасом энергии. Он проектировал и строил тысячи промышленных корпусов, всевозможные перекрытия, сотни мостов, десятки гигантских для того времени резервуаров, газгольдеров, огромное количество больших размеров наливных барж, сотни гиперболоидальных опор подонапорных башен, маяков, радиобашню, кессоны для мостовых опор, водопроводы и многое другое. Если бы даже все, что он соорудил, не отличалось какими-либо особыми качествами от среднего уровня инженерной практики тех лет, то и в этом случае Шухова следовало бы причислить к выдающимся инженерам последней четверти XIX — первой трети XX в.

Казалось, ни одно инженерное дело не было ему чуждо, ни чего его не пугало, он одолевал трудности, нигде не спотыкаясь. Изумляясь этой неистощимой энергии, вглядываясь в нее, можно найти ей единственное объяснение в том, что в такой напряженной деятельности выражалась внутренняя потребность души, это была высшая форма его жизни, радость творчества. Шухов, вероятно, мог бы сказать о себе словами его современника Жюля Верна: «У меня потребность работы. Работа — это моя жизненная функция. Когда я не работаю, я не ощущаю в себе никакой жизни». Обозревая все, что Шухов сделал, приходишь к выводу, что этому человеку было даровано высокое счастье наслаждаться своим трудом.

\022\

Всмотримся для примера в его сетчатые конструкции. Они явились в полном смысле слова новой конструктивной формой. Нужно было перекрыть круглый зал выставочного павильона диаметром в 68 м; по тем временам это был громадный пролет, который считалось, можно было перекрыть только тяжелыми фермами. Шухов установил два концентрических ряда ажурных металлических колонн. Колонны внутреннего ряда имели высоту 15 м, на них с помощью опорного кольца опирался легкий сферический купол. Наружные колонны были ниже, они имели высоту 6,4 м и связывались решеткой, игравшей роль кольца. Широкое кольцевое пространство между верхними концами обоих рядов колонн было перекрыто сеткой из двух систем легких пересекающихся прямых стержней, образующих поверхность гиперболоида вращения. Наружное кольцо было растянутым, а внутреннее — сжатым.

Блестящей была идея Шухова об использовании линейчатой поверхности двоякой кривизны для образования сетки покрытия; это позволило применить простейшие элементы — прямые стержни одинаковой длины. Тем самым технология изготовления была упрощена в максимальной степени. Тонкие стержни имели малую жесткость на изгиб и работали главным образом на растяжение, что обеспечило малый вес, меньший в два раза по сравнению с обычными фермами, имеющими по необходимости сжатый верхний пояс. Высокая статическая неопределимость пространственной сетчатой конструкции делала ее геометрически неизменяемой и обеспечивала большую надежность. Кроме того, конструкция производила весьма приятное впечатление с чисто архитектурной точки зрения. Такова была эта замечательная система. Ничего подобного мировая инженерная практика до Шухова, по-видимому, не знала.

Та же идея воплощена в знаменитых гиперболоидных башнях Шухова. Еще водонапорная башня на Нижегородской выставке 1896 г. поражала посетителей своим необычным видом, ажурностью, непонятным сочетанием сетки из прямых стержней, нанесенной на кривую поверхность. Башня являла собой не только вариант сетчатого покрытия, но и дальнейшее плодотворное развитие идеи.

Покрытие здания и водонапорная башня — существенно различные объекты, следовательно, перенос идеи с одной системы на другую уже сам по себе был счастливой творческой удачей. Кроме того, сетчатая система башни имела то существенное отличие от висячего покрытия, что стержни работали в ней на сжатие. Кольца, расставленные Шуховым на расстояниях, определенных из расчета на устойчивость, уменьшали свободную длину сжатых стержней и позволили обойтись легкими стержнями уголкового сечения. Конструкция состояла из стандартных элементов, а сборка была простой и легкой. В России было построено множество таких башен, их продолжали строить и в дальнейшем. С большим опозданием их начали строить и за границей, но там «забыли» имя их автора.

Шухов спроектировал и построил также множество плоских стропильных ферм — балочных и арочных, большинство их принадлежало к общеизвестным типам, но была среди них одна совершенно оригинальная. Он назвал ее «аркой с произвольным числом тяг». Она представляла собой симметричный выпуклый многоугольник, вписанный в квадратную параболу; каждый из двух опорных узлов был притянут ко всем промежуточным узлам многоугольника тонкими тягами, способными работать только на растяжение. Великолепный пример такой системы, поражающей своей легкостью, можно видеть до настоящего времени в здании ГУМа, которое Шухов перекрыл такими фермами.

Творческая фантазия Шухова «подсказала» ему решение совершенно отличной от существовавших ранее сетчатых систем — сетчатую арку с затяжкой. Трудно оторвать взгляд от этой арки — она оригинальна, легка, изящна. Поразительно, что известная в течение тысячелетий однопролетная арка, сохранив свою обычную форму, претерпела в волшебных руках В. Г. Шухова глубокую трансформацию. Здесь мы имеем уже не прямые, а искривленные по эллипсу стержни; не растяжение, а сжатие, но и эта система образуется из совершенно одинаковых и простейших элементов. Стержни расположены в виде двух систем взаимно пересекающихся арок эллиптической формы, образующих ромбическую сетку; в целом же система представляет собой цилиндрический свод кругового очертания.

Легкость этой конструкции, применявшейся Шуховым для покрытия зданий, обусловливалась прежде всего ее пространственным характером, т. е. тем, что при любом расположении нагрузки вовлекаются в работу все без исключения элементы. Кроме того, размеры ромбов позволяют укладывать кровлю непосредственно на поверхность арки без прогонов: этим достигается дополнительное уменьшение веса, а также упрощается производство работ. Достоинством системы является также ее транспортабельность-— возможность доставлять ее на место в разобранном виде и там монтировать. Шухов построил много таких сетчатых арочных покрытий под легкую и под тяжелую нагрузку, некоторые из них — еще до Нижегородской выставки. При больших пролетах он вводил в систему дополнительные наклонные затяжки.

Г. М. Ковельман, давший в своей книге исчерпывающую характеристику всех шуховских конструкций, предоставил нам возможность ознакомиться с еще одним взлетом фантазии Шухова — с перекрытием, которое было возведено им на Выксунском заводе в 1897 г. [1]. Идея сетчатой арки получила здесь развитие в форме сетчатого пространственного покрытия двоякой кривизны. Достигалось это тем, что в опорном прямоугольном контуре цилиндрического арочного покрытия две продольные параллельные стороны были заменены верхним криволинейным поясом двух продольных арок. Получилось вспарушенное сетчатое покрытие двоякой кривизны. Такое покрытие, знакомое теперь любому инженеру-строителю, имеющему дело с покрытиями типа оболочек, было впервые разработано Шуховым и реализовано им на практике.

В дальнейшем гиперболоидные башни Шухова получили применение в качестве маяков, опор для высоковольтных линий электропередач, радиомачт. В Москве можно, и сейчас видеть Шаболовскую башню высотой 150 м для подвески радиоантенн, возведенную В. Г. Шуховым в 1922 г.

Замечательная идея была выдвинута Шуховым также в области деревянных конструкций: слоистый цилиндрический свод из гнутых тонких досок. В каждом слое доски расположены параллельно, под некоторым углом к продольной оси свода, но в разных слоях — в противоположные стороны. Система сетчатая, но без просветов, т. е. по своему внешнему виду она является уже не стержневой системой, а оболочкой. В дощатом своде Шухова соединились все хорошие качества дерева и были устранены основные недостатки этого материала. Свод оказался жестким, легким, допускал перекрытие больших пролетов, был прост и удобен с точки зрения сборки (гнутые доски соединялись при помощи гвоздей); криволинейная форма обеспечивалась, кроме гвоздевого соединения, металлическими затяжками. Впоследствии было введено также клеевое соединение слоев.

Во всех оригинальных конструкциях Шухова была одна особенность— ярко выраженный геометрический характер. Он показал себя не только как опытный инженер-конструктор, отыскивающий путем анализа среди возможных решений наилучшее, но и как геометр, ему было в высшей степени свойственно геометрическое мышление. Изобретение гиперболоидальной сетчатой башни, сетчатых висячих покрытий, сетчатой арки и цилиндрического сетчатого свода, вспарушенной сетчатой поверхности двоякой кривизны, образованной двумя семействами взаимно пересекающихся плоских арок, свода, образованного слоями гнутых досок,— все это яркие свидетельства геометрического мышления. Несомненно, что Шухов эти конструктивные формы мысленно видел и ощущал гораздо раньше, чем начинал их детально разрабатывать и рассчитывать.

Интересны и теоретические разработки Шухова в области строительной механики. Ему принадлежат важные работы о расчете цилиндрических резервуаров наивыгоднейших размеров, о применениях в теории изгиба прямого стержня дифференциального уравнения EId⁴y/dx⁴ = - ay и расчеты различных предложенных им систем [2—4].

Едва ли не самой значительной из его теоретических работ была монография «Стропила. Изыскание рациональных типов прямолинейных строительных ферм и теория арочных ферм» [5]. Это обширное исследование посвящено вопросу определения наивыгоднейших с точки зрения минимума веса параметров обычных строительных ферм, а также расстояний между ними. Выведены формулы для рациональной высоты ферм, для наивыгоднейшей длины панелей, расположения раскосов и т. д. Обследована также упомянутая выше «арочная ферма» Шухова. Для вывода выражений веса пришлось предварительно вывести и выражения усилий. Несмотря на элементарность этого исследования, оно замечательно тем, что в нем впервые была поставлена задача о рациональном проектировании геометрических размеров статически определимых плоских ферм. Нужно, впрочем, отметить, что «арочная ферма» Шухова статически неопределима и к тому же имеет переменное, зависящее от внешней нагрузки число лишних связей. Шухов не уделил статической неопределимости этой фермы внимания, и его расчет с современной точки зрения небезупречен.

В наше время вопрос о конструкциях минимального веса как элемент задачи об оптимальных конструкциях привлекает к себе псе большее внимание.

В современную эпоху бурного развития висячих покрытий, охватившего многие страны и давшего ряд интереснейших конструктивных решений, необходимо напомнить о приоритете I!. Г. Шухова. Он по справедливости должен считаться «духовным отцом» этих конструкций. Шухов предложил и осуществил их еще в XIX в., опередив свое время почти на полстолетие.

На западе изобретение этих поражающих воображение систем приписывают разным авторам, но не Шухову. Однако «свидетелями» приоритета Шухова являются полученные им привилегии, печатные труды, "фотографии возведенных конструкций и, наконец, сами конструкции, многие из которых живы до сих.

ЛИТЕРАТУРА

2 Шухов В. Г. По поводу уравнения EId⁴y/dx⁴ = - ay.— Бюл. Политехи, о-ва, 1902, № 8, с. 571—577. "

3 Шухов В. Г. По поводу уравнения EId⁴y/dx⁴ = - ay.— Бюл. Политехн. о-ва, 1903, №7, с. 531—536.

4. Шухов В. Г. Уравнение EId⁴y/dx⁴ = - ay в задачах строительной механики. М.: Типолитогр. «Рус. товарищества печ. и изд. дела». 1903. 22 с.

5. Шухов В. Г. Стропила: Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм. М., 1897, 120 с.

6. Шухов В. Г. Стропила.—В кн.: Шухов В. Г. Строительная механика: Избр. тр. М.: Наука, 1977, с. 65—139.