Здания и другие сооружения
Громадное разнообразие строительных стилей и видов украшения зданий можно свести к четырем фундаментальным структурным компонентам: стены, колонны, балки и арки. Только человеческий труд и несколько простых инструментов требовались, чтобы создавать эти компоненты из трех базовых строительных материалов доиндустриальной эпохи: дерева, камня и кирпичей, обожженных либо на солнце, либо в специальной печи. Дерево можно было срубить и обработать топором, камень добывали в карьере с помощью молотов и клиньев, а обрабатывали долотом. Кирпичи, способные высохнуть на солнце, лепили из легкодоступной аллювиальной глины. Нехватка больших деревьев ограничивала применение древесины во многих регионах, а дороговизна транспортировки камня не позволяла использовать его вдали от мест добычи. Вследствие этого часто очень трудоемкая тонкая обработка дерева и камня могла значительно увеличить расход энергии при строительстве.
Высушенные на солнце кирпичи, широко распространенные на Ближнем Востоке и в средиземноморской Европе, были самыми дешевыми с точки зрения энергии строительными блоками. Их производство достигало больших объемов даже в самых первых оседлых поселениях. Вот как шумерская столица Урук описана в эпической поэме «Гильгамеш», одном из древнейших художественных произведений, дошедших до нас (относится к 2500 году до н. э.) (Gardner 2011): «Одна часть – город, одна часть – сад, и одна – глиняные ямы. Три части, включая глиняные ямы, и формируют Урук». Кирпичи делали из комьев глины, воды и мякины из нарубленной соломы, иногда добавляя навоз и песок; смесь уплотняли, быстро придавали нужные очертания в деревянных формах (до 250 кусков в час) и оставляли сохнуть на солнце. Размеры варьировались от массивных вавилонских кирпичей (40x40x10 см) до более тонких, вытянутых (45x30x3,75 см) римских. Глиняные кирпичи плохо проводят тепло, и это помогает сохранять прохладу внутри зданий в жарком климате пустыни. У них также есть важное механическое преимущество: свод из такого материала не требует балок для поддержки (Van Веек 1987). При достаточном количестве глины и труда кирпичи можно производить в колоссальных объемах.
Обожженные кирпичи использовали в древней Месопотамии, позже они распространились как в Римской империи, так и в Китае при династии Хань. Столетиями глину обжигали прямо в грудах или в ямах, при этом расходовалось очень много топлива, а обжиг получался неравномерным. Позже, когда технология улучшилась, правильно сложенные кирпичи обжигали при температуре до 800 °C, и в результате получалась более однородная продукция. Полностью закрытые горизонтальные топки обеспечили постоянство горения и повышенную эффективность сгорания. У них были правильно устроенные дымоходы, поднимающиеся горячие газы отражались от куполообразной крыши, но для функционирования таким печам требовались дерево или древесный уголь. В Европе потребность в кирпичах выросла в XVI веке, когда ими начали заменять мазанки и деревянные конструкции и стали их использовать и для фундаментов, и для стен.
Вне зависимости от использованных материалов, при строительстве в доиндустриальную эпоху умело координировался труд большого количества людей (включая опытных строителей), или людей и животных, что позволяло решать задачи, сложные даже по стандартам сегодняшнего механизированного мира.
Все карьерные разработки велись вручную, животные перевозили камень к месту строительства, иногда их использовали, чтобы приводить в движение подъемные машины и поднимать тяжелые детали. Но в остальном традиционное строительство полагалось исключительно на человеческий труд. Ремесленники использовали пилы, топоры, молоты, долота, насыпи, буры, совки и наборы шкивов и даже настоящие краны, чтобы поднимать древесину, камни и стекло (Wilson 1990).
Краны, приводимые в движение вращающими лебедку или шагающими по ступальному барабану людьми, хорошо, пусть и медленно, справлялись со своей задачей. А некоторые машины – включая движимый волами ворот Филиппо Брунеллески (1377–1446), использованный для подъема камня при строительстве купола кафедрального собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, и вращающийся кран, потребовавшийся при монтаже «фонаря» (Prager and Scaglia 1970) – были сконструированы для решения отдельных сложных задач (примечание 4.17). Некоторые проекты были завершены быстро: Парфенон за 15 лет (447–432 до н. э.), Айя-София в Константинополе, громадная византийская церковь, позже ставшая мечетью – менее чем за пять (527–532).
Примечание 4.17. Хитроумные машины Брунеллески
Работа Филиппо Брунеллески над строительством Санта-Мария-дель-Фьоре является прекрасной иллюстрацией той роли, которую могли сыграть нестандартные изобретения в получении необходимого количества энергии эффективным способом. Тягловые животные и рабочие были наготове, чтобы предоставить нужную мощность, но рекордные размеры купола (внутренний диаметр 41,5 м) и не имевшую прецедентов манеру его возведения (без опирающихся на землю подмостков) обеспечили именно машины Брунеллески (Prager and Scaglia 1970; King 2000; Ricci 2014). Машины эти разобрали после того, как строительство закончилось, но, к счастью, их изображения сохранились в Zibaldone, рукописи Буонаккорсо Гиберти.
В их числе были стоящие на земле и поднятые краны с возможностью обратной тяги, вращающийся кран, использованный при установке «фонаря», тщательно изготовленные домкраты и, возможно, самая хитроумная из всех машин, устройство для позиционирования груза (не обязательно собственное изобретение Брунеллески, но совершенно точно отличное воплощение идеи). Материалы для купола поднимались с помощью центральной лебедки (ее вращали волы). Кирпичи с легкостью подавались каменщикам, которые возводили поднимающуюся изогнутую конструкцию, но тяжелые каменные блоки, использованные для обвязных колец (нужны, чтобы все не расползалось в стороны) нельзя было двигать от центральной точки подъема к точно определенным местам установки с помощью тяги или толкания. Задача была выполнена с помощью устройства для позиционирования с двумя горизонтальными скользящими поверхностями, приводимыми в движение винтами, которые монтировались на вертикальном стержне и имели противовес.
Выделяют несколько разновидностей больших строительных проектов, и, несомненно, лучше всего известны различные церемониальные объекты, в первую очередь погребальные памятники и места поклонения. Наиболее важные сооружения первой группы, пирамиды и захоронения, различаются по массивности, храмы и соборы сочетают монументальность и сложность с красотой. Среди утилитарных объектов доиндустриального времени я бы отметил акведуки из-за их длины и структуры: комбинация каналов, тоннелей, мостов и обратных сифонов. Невозможно точно рассчитать, сколько энергии потребовалось на создание того или иного античного сооружения, и даже энергозатраты при строительстве в Средневековье оценить сложно. Примерные расчеты показывают значительные различия в общих энергетических потребностях, и даже большие вариации в средних потоках мощности.
Впечатляющие погребальные или религиозные сооружения, требующие огромных и постоянных потоков энергии – масштабного планирования, выдающейся организации, массовой мобилизации труда – возводились в каждой из высоких доиндустриальных культур (Ching, Jarzombek and Prakash 2011). Эти гробницы и храмы выражают универсальное человеческое стремление к совершенству, к вечному, лежащему за гранью обыденного (рис. 4.23). Я бы с большим удовольствием сказал что-нибудь определенное по поводу строительного процесса и энергетических потребностей при возведении египетских пирамид, величайших сооружений античного мира. Мы знаем, что их создание потребовало долговременного планирования, продуманной логистики в больших масштабах, эффективного наблюдения и обслуживания и потрясающих, пусть и совершенно не понятных для нас технических навыков.
Крупнейшая пирамида, гробница фараона Хеопса из Четвертой династии, лучше всего воплощает эти черты. Она возведена из почти 2,5 миллиона камней, весящих в среднем 2,5 тонны, имеет общую массу свыше 6 Мт, сосредоточенную в объеме менее 2,5 Мм3, и была сложена с замечательной точностью и удивительной скоростью. По ориентации Великой пирамиды (используя расположение двух околополярных звезд, Мицар и Кохаб) мы можем сузить период начала ее строительства до 2485–2475 годов до н. э. (Spence 2000) и определить, что оно завершилось за 15–20 лет. Египтологи сделали вывод, что камни для основы пирамиды добыли прямо в Гизе, но детали облицовки доставили из каменоломен Туры по Нилу, а массивные гранитные блоки, создающие пирамидальную форму (самый тяжелый – около 80 тонн) приходилось везти из Южного Египта (Lepre 1990; Lehner 1997).
Все это выглядит логичным и понятным.
Древние египтяне развили мастерство добычи камня, научились вырезать большое количество одинаковых блоков и управляться с огромными монолитами. Они также умели двигать тяжелые объекты по земле и перевозить их на лодках по реке. Хорошо известные настенные росписи показывают, как колосс в 50 тонн из пещеры при Эль-Берше (1880 год до н. э.) передвинули на салазках 127 человек (давших пиковую полезную мощность более 30 кВт), трение при этом уменьшали с помощью
смазки, которую лил под полозья работник с кувшином. Тот факт, что очень большие камни возили на лодках, доказывает уникальное изображение из Дейр-эль-Бахари: два обелиска из Карнака длиной в 30,7 м каждый везли на барже длиной в 63 м, которую приводили в движение около 900 гребцов в 30 лодках (Naville 1908).
Рисунок 4.23. Пирамида Хеопса в Гизе, пирамида Солнца в Теотиуакане, ступа Джетавана в Анурадхапуре и зиккурат Дур-Унташ в Эламе. Детальная информация об этих сооружениях доступна в Bandaranayke (1974), Tompkins (1976) и Ching, Jarzombek and Prakash (2011)
Но за пределами того, что касается добычи камней в карьерах и их перевозки к месту строительства, лежит область догадок. Мы до сих пор не знаем, как были на самом деле построены крупнейшие пирамиды (Tompkins 1971; Mendelssohn 1974; Hodges 1989; Grimal 1992; Wier 1996; Lehner 1997; Edwards 2003). Египетские иероглифы и рисунки, несущие много другой информации, не дают нам описаний или изображений этого процесса. Наиболее распространенное современное предположение сводится к использованию рамп из кирпичей, глины и камней, но по поводу их форм нет консенсуса (одна наклонная рампа, несколько штук, круговая рампа?), как и по поводу уклона (предлагаются градиенты от 1 к 3 до 1 к 10). Но все эти расхождения не имеют значения, поскольку очень высока вероятность, что строительные рампы не применялись (Hodges 1989).
Если бы это была одна наклонная плоскость, ее пришлось бы возводить заново после того, как завершалось выкладывание очередного слоя камней, и с вполне приемлемым уклоном 10 к 1 ее объем далеко бы превзошел объем самой пирамиды. Рампы, окружающие пирамиду, могли быть узкими, но трудными в постройке, неустойчивыми и неудобными для работы с большими весами, и даже во многих отношениях опасными. В качестве решения были предложены веревки, вращающиеся под прямыми углами вокруг угловых столбов, но у нас нет доказательств, что египтяне использовали что-то похожее и что это работает. В любом случае, где-либо на территории плато Гизы нет остатков от больших дамб.
Самое раннее описание строительства пирамид оставил нам Геродот (484–425 до н. э.), – через два тысячелетия после их возведения. Во время его визита в Египет местные рассказали, что «сооружение же самой пирамиды продолжалось 20 лет»: «Она четырехсторонняя, каждая сторона ее шириной в 8 плефров и такой же высоты, и сложена из тесаных, тщательно прилаженных друг к другу камней. Каждый камень длиной, по крайней мере, в 30 футов. Построена же эта пирамида вот как. Сначала она идет в виде лестницы уступами, которые иные называют площадками, или ступенями. После того как заложили первые камни [основания], остальные [для заполнения площадок] поднимали при помощи помостов, сколоченных из коротких балок. Так поднимали с земли камни на первую ступень лестницы. Там клали камень на другой помост; с первой ступени втаскивали на второй помост, при помощи которого поднимали на вторую ступень. Сколько было рядов ступеней, столько было и подъемных приспособлений. Быть может, однако, было только одно подъемное приспособление, которое после подъема камня без труда переносилось на следующую ступень. Мне ведь сообщали об обоих способах – почему я и привожу их»[11].
Может ли это быть описанием реального метода постройки? Сторонники гипотезы подъема так и думают, и они предложили множество вариантов того, как эта работа могла быть сделана с помощью рычагов простых, но хитроумных машин. Одна из версий (Hodges 1989) основана на простейшем методе – использовании деревянных рычагов, чтобы поднимать каменные блоки, и катков, чтобы ставить их на нужное место. Возражения этой гипотезе опираются прежде всего на тот факт, что требовалось огромное количество вертикальных передвижений для каждого блока из верхних рядов и что необходима была постоянная бдительность и аккуратность, чтобы предотвратить случайное падение камней в 2–2,5 тонны.
Но если отложить в сторону особенности постройки, мы все же можем оценить общие энергетические затраты, которые требовались для возведения Великой Пирамиды, и следовательно – трудовые потребности. Мои расчеты, опирающиеся скорее на большие допуски, чем на предположительный теоретический минимум, показывают, что с задачей могли справиться всего 10 тысяч человек (примечание 4.18). Одна из немногих вещей, которые мы можем с определенностью утверждать относительно возведения пирамид: любые предположения численности работающих на порядок больше являются непростительными преувеличениями. Прокорм такого количества работников, в основном сконцентрированных на плато Гизы, мог быть столь же ограничивающим фактором, как доставка и подъем камней, и даже более того.
Примечание 4.18. Энергетические затраты при строительстве Великой пирамиды
Потенциальная энергия Великой пирамиды (требуемая, чтобы поднять камни общей массой 2,5 Мм3) равняется примерно 2,5 ТДж. Исследователи (Wier 1996), рассчитавшие эту цифру, определили среднюю полезную работу в 140 кДж/сут., и на мой взгляд, это слишком мало. Вот мои сравнительно консервативные предположения. Чтобы добыть 2,5 Мм3 камня за 20 лет (продолжительность правления Хеопса), нужно было 1500 каменщиков, работавших 300 дней в году и производивших 0,25 м3 камня на человека с использованием медного долота и базальтовой колотушки. Даже предположив, что в три раза больше ремесленников требовалось, чтобы обработать и украсить каменные блоки (хотя многие из внутренних почти не обрабатывались) и для того, чтобы переместить их к месту строительства, общая рабочая сила, обеспечивающая строительные материалы, составляла порядка 5000 человек.
При дневном вложении полезной энергии в 400 Дж на человека подъем камней потребовал бы 6,25 миллиона дней, и если разложить это на 20 лет и 300 рабочих дней в году, то мы определим, что с этой задачей справилась бы тысяча человек. Если примерно такое же количество требовалось, чтобы ставить камни на места в растущем сооружении, и даже если удвоить это число, чтобы учесть дополнительный труд организаторов и надсмотрщиков, тех, кто занимался транспортом, ремонтировал инструменты, привозил и готовил еду, стирал одежду, то общее число будет все равно меньше чем 10 тысяч человек. Во время пиковых периодов строительства работники Гизы вкладывали совместно по меньшей мере 4 ГДж полезной механической энергии каждый час, что дает общую мощность 1,1 МВт. Чтобы поддерживать эти усилия, они потребляли каждый день дополнительные 20 ГДж пищевой энергии, эквивалент почти 1500 тонн пшеницы.
Ранее максимальное число строителей (Wier 1996) определяли в 13 тысяч человек на период в 20 лет. Другой расчет (Hodges 1989) дал 125 команд, которые могли поднять все камни на нужные места за 17 лет работы, и общее число постоянных работников всего 1000 человек; в этом случае три года отводилось на обработку облицовочного камня прямо на месте, начиная с вершины. По контрасту, тому же Геродоту рассказали о 100 тысячах человек, работавших по три месяца в год на протяжении 20 лет. Ранние изыскания (Mendelssohn 1974) оценивали общее количество в 70 тысяч сезонных рабочих и примерно в 10 тысяч постоянных каменщиков. И то и другое – не более чем недоказуемые преувеличения.
Другие античные строения, потребовавшие многолетних вложений труда, включают месопотамские ступенчатые храмы-зиккураты, возведенные после 2200 года до н. э., и ступы (dagobas) в честь Будды, часто содержащие реликвии (Ranaweera 2004). Рассчитано (Falkenstein 1939), что возведение зиккурата Ану около Варки в Ираке потребовало по меньшей мере 1500 человек, работавших 10 часов в день на протяжении пяти лет, что дает нам вложенную энергию около 1 ТДж. А Джетава-нарамайя, крупнейшая ступа из Анурадхапуры (122 метра высотой, построена из 93 миллионов грубо уложенных обожженных кирпичей) потребовала около 600 работников по 100 дней в год на 50 лет (Leach 1959), или чуть более 1 ТДж полезной энергии (рис. 4.23).
Пирамиды Мезоамерики, особенно из Теотиуакана (построены во II веке) и Чолулы, тоже очень впечатляют. Пирамида Солнца из Теотиуакана с плоской верхушкой была высочайшей, вероятно, свыше 70 м, если включить в расчеты стоящий на ней храм (рис. 4.23). Ее сооружение обошлось намного легче, чем постройка трех каменных комплексов в Гизе. Основа пирамиды состоит из земли, булыжников и кирпича-сырца, и только облицовка сделана из обработанного камня, который держится на месте благодаря выступающим зацепам и известковому строительному раствору (Baldwin 1977). И все же ее создание потребовало работы до 10 тысяч человек на протяжении более чем 20 лет.
Примечание 4.19. Римский Пантеон
Римский opus caementicium представлял собой смесь заполнителей (песок, гравий, камни, часто также битые кирпичи и плитка) и воды, но его связывающим агентом был не цемент (как в бетоне), а известковый раствор (Adam 1994). Его готовили прямо на строительной площадке, и уникальная смесь гашеной извести и вулканического песка – который добывали около Путеоли (современный Поццуоли, всего в нескольких километрах к западу от Везувия) и называли pulvere puteolano (позже pozzolana) – давала прочный материал, затвердевающий даже под водой. Хотя он и уступает современному бетону, материал из путеоланского заполнителя и высококачественной извести подходил не только для массивных и устойчивых стен, но и для больших сводов и куполов (Lancaster 2005).
Особенно широко римляне использовали opus caementicium при строительстве Пантеона, которое было завершено в 126 году, во время правления Адриана. Большой купол, 43,3 м диаметром (внутренняя часть сооружения могла войти в сферу такого диаметра) остался непревзойденным строителями доиндустриальной эпохи, хотя купол собора Святого Петра, спроектированного Микеланджело и завершенного в 1590 году, был не намного меньше, 41,75 м (Lucchini 1966; Marder and Jones 2015). Помимо очевидных визуальных достоинств самым замечательным свойством купола является уменьшающаяся по вертикали удельная масса: пять рядов кессонного потолка не только становятся все меньше по мере того, как сходятся к центральному отверстию, они сложены из все более тонких слоев кладки со все более легкими наполнителями, от известкового туфа внизу до пемзы наверху (MacDonald 1976).
Купол целиком весит около 4500 тонн.
Если по поводу создания наиболее крупных пирамид мы вынуждены довольствоваться лишь предположениями, то о строительстве таких классических сооружений, как Парфенон или Пантеон, мы знаем почти все (Coulton 1977; Adam 1994; Marder and Jones 2015). Замечательно устроенный Пантеон часто вспоминают как случай хитроумного использования бетона, но утверждение, что римляне были первыми, кто использовал этот материал, является неточным. Бетон – это смесь цемента, заполнителей (песок, мелкие камни) и воды, а цемент производится высокотемпературной обработкой тщательно составленной и тонко размолотой смеси извести, глины и оксидов металла в наклонной вращающейся печи. И нет никакого цемента в римском бетоне opus caementicum, который использовали для возведения Пантеона или любого другого строения ранее 1820-х годов (примечание 4.19).
Мы знаем, что массивные архитравы (такие, как в Парфеноне, весящие почти 10 тонн) нужно было поднимать краном и что их могли прикатить к месту строительства, заключив в округлую опалубку. Краны очень похожего устройства использовали почти двумя тысячелетиями позже при возведении соборов, наиболее продуманных сооружений европейского Средневековья. В строительстве участвовало множество опытных ремесленников, которым требовалось большое количество специальных инструментов (Wilson 1990; Erlande-Brandenburg 1994; Recht 2008; Scott 2011). Работа большей частью была сезонной, но типичные потребности составляли сотни занятых постоянно работников – дровосеков, каменотесов, возниц при телегах, плотников, стекольщиков – на одно или два десятилетия. Общее вложение энергии было таким образом на два порядка меньше, чем при создании пирамид, с пиковыми потоками мощности всего в несколько сотен киловатт.
Хотя некоторые соборы были построены быстро (Шартрский за 27 лет, оригинальный Нотр-Дам-де-Пари за 37), процесс часто прерывался эпидемиями, трудовыми спорами, сменами режима, нехваткой денег и военными конфликтами. В результате этот процесс мог затянуться на несколько поколений, а в некоторых случаях и на столетия: строительство пражского собора Святого Вита, начатое Карлом IV в 1344 году, прервалось в начале XV века, и конструкция (огороженная забором) была завершена с постановкой двух готических шпилей только в 1929 году (Kuthan and Royt 2011).
Рисунок 4.24. Римские акведуки несли воду рек, источников, озер или водохранилищ, комбинируя по меныией мере два или три из следующих конструктивных элементов (сверху вниз): неглубокие прямоугольные туннели, стоящие на фундаменте; туннели, доступ в которые осуществлялся через колодцы; дамбы, пронизанные арками; одноярусные или двуярусные арочные мосты; обратные сифоны из свинца, чтобы проводить воду через глубокие долины. Римские акведуки, поставлявшие около 1 Мм3 воды в день, сформировали впечатляющую систему, строительство которой продолжалось более 500 лет. Базируется на Ashby (1935) и Smith (1978). Уклон акведуков преувеличен
Масштабное строительство, связанное с водой, то есть дамб, каналов и мостов, хорошо документировано в Иерусалиме, Месопотамии и Греции. Но римские достижения, несомненно, известны лучше всего как образцы смелых инженерных решений в области обеспечения городов водой. Практически каждый крупный римский город имел хорошо продуманную систему водоснабжения, и это достижение было превзойдено только в Европе эпохи индустриализации. Римские акведуки выглядели особенно впечатляюще (рис. 4.24). Плиний в своей «Естественной истории» назвал их «наиболее замечательным достижением всего света».
Система водоснабжения начиналась с акведука Aqua Appia в 312 году до н. э. и в конечном итоге состояла из 11 линий, протянувшихся почти на 500 км (Ashby 1935; Hodge 2001). К концу I века общий приток воды составлял более 1 Мм3 (1 Гл) в день, то есть в среднем более 1500 литров на душу населения, а в конце XX века тот же Рим (с населением в 3,5 миллиона) получал в среднем (в том числе для промышленного использования) около 500 литров на душу населения (Bono and Boni 1996). Столь же впечатляющим был масштаб римской канализационной системы cloaca maxima, спрятанной под землей; она достигала 5 метров в диаметре.
По всей Римской империи акведуки состояли из набора одинаковых структурных элементов (рис. 4.24). Водопроводы начинались от источников, озер или искусственных прудов и были прямоугольными в поперечном сечении, их строили из каменных или бетонных плит, промазанных цементом. Обычный уклон акведуков составлял не менее 1 к 200 на каждом из ряда участков, и везде, где возможно, строители избегали тоннелей. Там, где приходилось делать подземный отрезок, к каналу обеспечивали доступ сверху с помощью колодцев. Только в расщелинах, слишком длинных, чтобы обогнуть их, или слишком глубоких для простой дамбы римляне строили мосты. Не более 65 км римских акведуков проходили по аркам. Мосты Августа у Гарда (более 50 метров высотой), Мериды и Тарагоны являются лучшими образцами. Очищение и ремонт каналов, туннелей и мостов, которым часто угрожала эрозия, были постоянной задачей.
Если для пересечения долины требовался мост выше, чем 50–60 метров, то римские инженеры применяли обратный сифон. Его трубы соединяли более высокий резервуар на одной стороне долины с чуть ниже расположенным приемным резервуаром на другой стороне (Hodge 1985; Schram 2014). Пересечение потока на дне долины все же требовало возведения моста. Высокие энергетические затраты при строительстве таких сооружений в первую очередь связаны с большим количеством свинца, который требовался для труб высокого давления – они могли выдержать до 1,82 Мпа (18 атмосфер) – и с ценой транспортировки металла часто на значительное расстояние от центров его плавки. Например, общее количество свинца для девяти сифонов в водопроводе Лиона составило около 15 000 тонн.