Романский и готический стиль

Исчезновение римской власти в Западной Европе в течение 5-го века привело к упадку строительных технологий. Кирпичное производство стало редкостью и не возобновлялось вплоть до XIV века. Пуццолановый бетон полностью исчез, и только в 19 веке искусственные цементы сравнялись бы с ним. Использование куполов и сводов в каменном строительстве также было утрачено. Строительная техника упала до уровня железного века, примером чего может служить бревенчатая конструкция, упакованные глиняные стены, глинобитный кирпич, плетень и мазня.

Передовые строительные технологии развивались в Китае в этот же период, во времена династий Суй (581-618) и Тан (618-907). В III веке до нашей эры завершение строительства Великой стены, протяженностью около 6400 километров (4000 миль) и проходящей по извилистой тропе вдоль контуров пересеченной местности, продемонстрировало замечательные достижения в технологии кладки, логистике и методах геодезии.

Мост Ан-Чи, построенный около 610 года н. э. в провинции Хопей, имел каменную арку с пролетом 37,5 метра (123 фута), что намного превышало пролеты арок римского моста в Алькантаре. Обширная работа была также проделана в разработке тяжелого деревянного каркаса (в первую очередь для храмов), и были построены каменные башенные пагоды высотой до 60 метров (200 футов); широко использовался также обожженный кирпич. Эти элементы китайской строительной технологии задают высокий стандарт качества, который будет сохраняться до 19-го века.

Каменное сооружение

Начиная с 9-го века, в Европе появились первые признаки возрождения каменного строительства. Палатинская капелла Карла Великого в Ахене (освященная в 805 году) с восьмиугольным сегментированным куполом, охватывающим 14,5 метра (47 футов), является ранним примером этой тенденции. Но Романский стиль, строительство «на римский манер» с каменными арками, сводами и куполами для охвата внутренних пространств, по-настоящему начался только в конце XI века. Своды вновь появились в таких сооружениях, как собор Сантьяго-де-Компостела в Испании (начало 1078 года) и Собор Святого Сернина в Тулузе (начало 1080 года). Крестовый свод, поднятый на колоннах, был снова замечен в соборе Шпейера (1030-65, реконструирован около 1082-1137 гг.) и Даремском соборе (1093-1133 гг.), а купола базилики Святого Марка в Венеции (конец XI века) и собора Сен-фронт в Периге (1120-1150 гг.) ознаменовали восстановление полного спектра римских структурных форм.

Все эти здания были построены Римско-Католической Церковью, которая в этот период распространила свое влияние на всю Западную Европу. Один современный летописец писал, что земля, казалось, была «одета в белые одежды церквей», белые потому, что они были новыми и построенными из камня. С 1050 по 1350 год только во Франции было добыто больше камня, чем за всю историю Древнего Египта,—достаточно, чтобы построить 80 соборов, 500 больших церквей и десятки тысяч приходских церквей. Великая строительная кампания средневековья была названа «крестовым походом собора», столь же страстным аналогом великих военных приключений по возвращению Святой Земли.

Это обширное предприятие требовало многих каменщиков, которые работали как свободные ремесленники, организуясь в общества или гильдии. Они следили за добычей камня, следили за процессом ученичества, в ходе которого обучались новые члены, и выполняли все работы по резке и укладке камня на строительной площадке. Основные инструменты средневековых каменщиков мало отличались от египетских, но у них были большие пилы, приводимые в движение водяными колесами, чтобы резать камень, а также значительные механизмы для подъема и перемещения материалов. Их знание техники было строго засекречено; она включала в себя правила пропорций для общего планирования и определения безопасных размеров конструктивных элементов. Один сохранившийся альбом рисунков мастера-каменщика Виллара де Хоннекура показывает острое чувство наблюдения, любовь к механическим устройствам и прежде всего к понятию геометрической формы, лежащему в основе работы, но он дает только дразнящие кусочки информации о реальном строительстве. Жан Миньо, один из главных каменщиков Миланского собора, подытожил их подход фразой ars sine scientia nihil est: «искусство без науки-ничто»; то есть умение строить, полученное из практического опыта (ars), должно быть закалено и руководствоваться точными принципами (scientia), которые рассматривались как воплощенные в теоремах геометрии, единственной науке средневековья. Но с этими ограниченными средствами масоны смогли реализовать большие достижения.

У романских масонов было два покровителя-церковь и государство. Государство строилось в основном для военных целей, и Римская каменная кладка, когда-то восстановленная, была адекватна для замков и укреплений. Но у церкви были и другие интересы, которые двигали развитие каменного строительства в новых и смелых направлениях. Святой Августин писал, что свет — это самое непосредственное проявление Бога. Именно эта идея привела к поиску путей введения все большего и большего количества света в церкви, открывая все большие окна в стенах, пока не появился новый вид прозрачного каменного скелета.

Круглые крестовые своды и каменные арки в римском стиле были тяжелыми и нуждались в тяжелых стенах и опорах, чтобы выдержать их толчки; окна, которые они предлагали, были маленькими. Средневековые каменщики обнаружили, что существует более эффективная форма арки, чем классический круг. Эта форма представляет собой цепную кривую—то есть такую, которая образуется цепью, когда она висит под собственным весом. Но вера масонов в геометрию и совершенство круглых форм привела их к приближению цепной формы с двумя круглыми сегментами, которые встречались в точке наверху, так называемой готической арке. Такие арки можно было бы сделать тоньше, так как они более эффективно направляли силы сжатия, которые текли через них, и позволяли делать большие отверстия в стенах.

Тяжелые опоры, которые принимали на себя боковую тягу сводов крыши, вскоре были выдолблены в полукруглые арки или летающие контрфорсы, что позволяло еще большему количеству света проникать в неф. Чтобы поглотить силы, стекающие вниз через каменный каркас, требовались массивные фундаменты; часто объем камня под землей был больше, чем наверху. Чтобы еще больше облегчить нагрузку, сами своды были сделаны тоньше, введя ребра на пересечениях их криволинейных поверхностей, называемых пахами. Ребра были построены с опорной опалубкой или центрированием из бруса; между плотниками и каменщиками требовалось тесное сотрудничество. Криволинейные поверхности камней между ребрами были, вероятно, уложены с небольшим количеством опалубки, используя только раствор; кирпичные своды все еще строятся таким образом на Ближнем Востоке. Раствор использовался не только для адгезии в качестве строительного устройства, но и позже для проверки трещин растяжения, которые были признаками возможного разрушения; таким образом, раствор служил средством контроля качества, чтобы помочь сохранить структуру в сжатии.

Нефы соборов были сделаны выше, чтобы собрать больше света; Амьенский собор (начатый в 1220 году) был высотой 42 метра (140 футов), и наконец в 1347 году собор Бове достиг максимальной высоты 48 метров (157 футов), но его своды вскоре рухнули и были восстановлены. Пролеты нефов готических церквей оставались довольно маленькими, примерно от 13 до 16 метров (45-55 футов); только несколько поздних примеров имеют более длинные пролеты, самый большой из которых составляет 23 метра (74 фута) в соборе Героны (завершен в 1458 году).

После того как энтузиазм соборного крестового похода угас в XIV веке и основная ткань большинства соборов была завершена, появился новый элемент для дальнейшего Испытания мастерства каменщиков и плотников: шпиль. Шпиль был скорее символом местной гордости, чем частью теологического поиска большего количества света, но он поднимал интересные технические проблемы. В соборе Солсбери шпиль был построен над пересечением нефа и трансепта, которые не были предназначены для его размещения; высокие перекрещивающиеся опоры начали прогибаться под дополнительным весом. Между опорами пришлось добавить сетчатые арки, чтобы они не прогибались; по-видимому, это был первый случай, когда каменные колонны были тонкими и достаточно тяжело нагруженными, чтобы можно было наблюдать, как они сгибаются или прогибаются—позже такое действие будет главной проблемой при проектировании металлических колонн. Шпиль Солсбери представляет собой хитроумную композитную конструкцию из каменной облицовки, уложенной поверх деревянного каркаса и скрепленной у основания железными полосами, чтобы противостоять растеканию; он поднялся на общую высоту 123 метра (404 фута), когда был закончен в 1362 году. Страсбургский собор добавил 144-метровый (475-футовый) шпиль в 1439 году, а верхний предел был достигнут в соборе Бове в 1569 году, когда его 157-метровый (516-футовый) шпиль был завершен; шпиль Бове рухнул в 1573 году и никогда не был восстановлен-последний печальный эпилог крестового похода собора.

Строительство из бруса и кирпича

Лесное строительство в этот период развивалось медленно. Скандинавские шестовые церкви из тяжелого бруса строились с 11 по 14 век, до триумфа каменной церкви, и около 30 сохранились до наших дней. В Западной Европе, особенно начиная с XIV века, наполовину деревянное строительство возникло как новая форма домостроения. Континентальный тип имел каркас из прямоугольных бревен, с вертикальными стойками, расположенными на расстоянии примерно одного метра друг от друга, и горизонтальными подпругами, расположенными на том же расстоянии; диагональные скобы были продеты через наружные стены для боковой устойчивости. Балки крыши тянулись между коньком крыши и стенами; балки пола опирались на стены и внутренние перегородки. Английский полубревенчатый каркас был похож, но он исключал горизонтальные подпруги и диагональные крепления, используя близко расположенные вертикали примерно в полуметре друг от друга. В обеих системах пространство в наружной стене было заполнено материалом ограждения, чтобы придать дополнительную жесткость каркасу; часто использовались кирпич или плетень и мазня. Все бревна рамы были соединены между собой замысловатыми ласточкиными хвостами, или врезными шипами. Наполовину деревянный каркас оставался бы стандартным способом строительства из дерева в Европе до 19-го века. Кроме того, было широко использовано тяжелое дерево для крыш и полов каменных зданий, что находилось под влиянием технологии судостроения. Особым примером этого является английская балочная крыша, которая представляла собой нечто вроде корбелированной фермы, способной охватывать довольно большие расстояния. Крыша Вестминстерского зала короля Ричарда II в Лондоне (1402 год), с 21-метровым (70-футовым) пролетом, является прекрасным примером этого типа.

Обожженный кирпич снова начал производиться в Европе в 14 веке, чему во многих областях предшествовало использование спасенного Римского кирпича. Кирпичи XIV века были не так точны, как римские, и часто искажались при обжиге. Поэтому для регулярных курсовых линий требовались большие известково-растворные соединения. Кирпичи стали почти стандартизированными в чем-то близком к нынешнему размеру, примерно 20,3 × 9,5 × 5,7 сантиметра (8 × 3,75 × 2,25 дюйма), и были разработаны системы склеивания, основанные на этой пропорции примерно 2:1. Эти узоры склеивания уменьшали непрерывные вертикальные соединения растворов, потому что растворы были значительно менее прочными, чем кирпичи, и вертикальные соединения могли образовывать плоскости слабости в стенах, где могли развиваться трещины. Лучшим связующим узором был английский Бонд, в котором все кирпичи в каждом курсе перекрывали те, что были ниже, и вертикальные стыки были полностью устранены. Кирпич оставался довольно дорогим из-за стоимости топлива, необходимого для его сжигания, и его использовали главным образом там, где не было легкодоступного камня. В период позднего средневековья и в основном в Северной Европе кирпич был приспособлен к готическим каменным формам для строительства так называемых холловых церквей с нефами и нефами одинаковой высоты.

Строительные услуги

Хотя римское гипокаустовое отопление исчезло вместе с империей, в Западной Европе в начале XII века появилось новое направление в области внутреннего отопления: каменный камин и дымоход стали заменять центральный открытый огонь. Большие отверстия в крыше над центральными каминами пропускали ветер и дождь, так что в каждом доме был только один, а в больших зданиях их было как можно меньше. Поэтому отапливаемые помещения обычно были большими и полупустыми, где многие люди могли разделить тепло огня; отверстие в крыше не эффективно удаляло весь дым, некоторые из которых оставались досаждать обитателям комнаты. Дымоход не пропускал много воздуха или воды и мог удалить большую часть дыма. Хотя большая часть тепла уходила вверх по дымоходу, это все еще было большим улучшением, и, что самое важное, его можно было использовать для обогрева как маленьких, так и больших комнат, а также многоэтажных зданий. Дома, особенно большие, были разбиты на небольшие, более уединенные пространства, каждое из которых обогревалось собственным камином, что решительно изменило общинный образ жизни раннего средневековья.

Ренессанс

Восстановление купола строительство

Упадок крестового похода собора в конце XIV века привел к упадку Международного готического стиля, практикуемого мастерами-каменщиками. В этот период зарождающиеся национальные государства Европы начали конкурировать с церковью как центрами силы. Для этих новых народов Римская империя была образцом национального государства, и им казалось уместным использовать римские строительные формы в качестве символов своей власти—особенно круглую арку, свод и, прежде всего, купол, следуя мощному примеру Пантеона. С 1350 по 1750 год большая часть строительных технологий была сосредоточена на купольной церкви, которая развивалась как символ не только религиозной веры, но и национальной и городской гордости. Налицо был сознательный отказ от готических форм в пользу идеологической привлекательности Рима. Это отношение привело к расколу между процессами проектирования и строительства и к появлению первых архитекторов (слово происходит от греческого architekton, что означает главный мастер), которые задумали форму здания, в отличие от строителя, который его выполнил. Первым зданием, в котором проектировщик и строитель были отдельными лицами, была колокольня или колокольня Флорентийского собора. Проект был сделан художником Джотто и построен каменщиками собора с 1334 по 1359 год.

Филиппо Брунеллески_купол_базилика Ди ста — Филиппо Брунеллески, купол, базилика Ди-ста. Мария дель Фьоре (Флорентийский Собор), Флоренция, 1420-3.

Сам Флорентийский собор был построен в готическом стиле Арнольфо ди Камбио в 1296 году. Но в 1366 году город Флоренция, следуя совету некоторых художников и скульпторов, решил, что готика больше не должна использоваться и что все новые работы должны следовать Римским формам, включая восьмиугольный купол длиной 42 метра (138 футов), который будет построен в восточном конце нефа. Купол был построен только в начале XV века, когда Филиппо Брунеллески, ювелир и скульптор, начал делать статуи для собора. Постепенно он заинтересовался самим зданием и построил несколько небольших его частей. Примерно в 1415 году он подготовил проект купола, который он смело предложил построить без помощи опалубки, которая была абсолютно необходима во всех предыдущих римских и готических постройках. Он построил модель купола 1:12 из кирпича, чтобы продемонстрировать свой метод; проект был принят и построен под его руководством с 1420 по 1436 год. Таким образом, Брунеллески был первым настоящим архитектором, который задумал форму здания и методы его выполнения и гарантировал его работоспособность; он демонстративно отказался от членства в гильдиях каменщиков и плотников. Купол Брунеллески состоит из двух слоев, внутренний купол охватывает диаметр и параллельную внешнюю оболочку, чтобы защитить его от непогоды и придать ему более приятную внешнюю форму. Оба купола опираются на 24 каменные полудуги, или ребра, круглой формы, толщиной 2,1 метра (7 футов) у основания и сужающиеся к 1,5 метрам (5 футов), которые встречаются в открытом каменном компрессионном кольце наверху. Чтобы противостоять толчку наружу, стяжные кольца из камня, скрепленные металлическими спазмами, проходят горизонтально между ребрами. Есть также стяжные кольца из дубовых бревен, Соединенные металлическими соединителями. Пространство между ребрами и стяжными кольцами перекрыто внутренней и внешней оболочками, которые сделаны из камня на первых 7,1 метра (23 фута) и кирпича выше. Вся конструкция была построена без опалубки, круговые профили ребер и колец поддерживались системой измерительных проводов, закрепленных в центрах кривизны. Брунеллески, очевидно, понимал достаточно о структурном поведении купола, чтобы знать, что, если бы он был построен в горизонтальных слоях, он всегда был бы стабильным и не требовал бы центрирования древесины. Он также разработал сложные деревянные машины для перемещения необходимых строительных материалов как по вертикали, так и по горизонтали. Почти сравнявшись по размерам с каменным Пантеоном, Брунеллески был провозглашен человеком, который «обновил Римскую каменную кладку»; купол был установлен как образец построенной формы.

Следующим большим куполом эпохи Возрождения стал Собор Святого Петра в Риме, возведенный Папой Юлием II в 1506 году. Технология была очень похожа на технологию Брунеллески, и диаметр почти такой же. Конструкция купола претерпела множество изменений и была расширена на протяжении почти 80 лет. Основными участниками проекта были художник и скульптор Микеланджело, который служил архитектором с 1546 по 1564 год, а также архитекторы Джакомо делла Порта и Доменико Фонтана, под чьим руководством он был окончательно построен в 1580-х годах. Купол был значительно тоньше Флорентийского и укреплен тремя стяжными кольцами, сделанными из непрерывных железных цепей. В нем образовались многочисленные трещины, и в 1740-х годах были добавлены еще пять цепей, чтобы еще больше стабилизировать его. Поскольку в куполе использовалась проверенная технология, большая часть конструкции была выполнена на бумаге с чертежами.

Еще одним большим куполом этого периода был Собор Святого Павла в Лондоне, который был построен с 1675 по 1710 год английским архитектором сэром Кристофером Реном. На ранних стадиях процесса проектирования использовались только две физические модели; более поздние усилия включали обширные чертежи и, по-видимому, также математическое моделирование с численными расчетами. РЕН начал свою карьеру как математик и физик и был профессором астрономии в Оксфорде с 1661 по 1673 год, прежде чем стать штатным архитектором. Таким образом, он смог извлечь выгоду из первого теоретического определения цепной кривой как наиболее эффективного профиля арки и купола, которое было опубликовано шотландским математиком Дэвидом Грегори в 1697 году. Решение Рена для купола, который имеет диаметр 34,5 метра (113 футов), представляло собой серию из трех вложенных оболочек, из которых средняя является истинной структурой. Этот средний купол построен из кирпича в почти конической цепной форме, благодаря большой сосредоточенной нагрузке фонаря сверху, и ограничен железными цепями; он поддерживает треугольно скрепленный деревянный каркас, к которому крепится наружная поверхность свинцовых листов. Внутри среднего купола находится более мелкий цепной купол, который несет только свой собственный вес и служит потолком для внутреннего пространства. Скрытая структура Рена, к которой были приложены желаемые внутренние и внешние формы, стала стандартным архитектурным приемом.

Возрождение Римской техники и материалов

В дополнение к римским формам в каменной кладке, Ренессанс восстановил другие римские технологии, включая деревянные фермы. Джорджо Вазари использовал деревянные фермы king-post для 20-метрового (66-футового) пролета на крыше Уффици, или муниципального офисного здания, во Флоренции в середине 16-го века. В то же время Венецианский архитектор Андреа Палладио использовал полностью триангулированную деревянную ферму для моста с пролетом 30,5 метров (100 футов) через реку Чимоне. Палладио ясно понимал важность тщательно детализированных диагональных элементов, поскольку в своей схеме фермы в четырех книгах по архитектуре он сказал, что они “поддерживают всю работу.»Натяжные соединения деревянных элементов фермы были соединены железными скобами и болтами.

Стропильные пролеты в диапазоне 20-26 метров (65-85 футов) стали довольно распространенным явлением в крышах зданий. В 1664 году Рен использовал деревянные фермы с пролетом около 22 метров (73 фута) на крыше Шелдонского театра в Оксфорде. Но точное теоретическое понимание ферменной конструкции и ее широкое применение в строительстве появились только в XIX веке.

Еще одним Римским материалом, который был возрожден и значительно усовершенствован в эпоху Возрождения, было прозрачное стекло. Новая техника его изготовления была усовершенствована в Венеции в 16 веке. Он был известен как метод коронного стекла и первоначально использовался для изготовления обеденных тарелок. Стеклодувы раскручивали расплавленное стекло в плоские диски диаметром до метра; после охлаждения диски полировали и разрезали на прямоугольные формы. Первая запись о коронных стеклянных окнах — это их установка в двойных подвесных противовесных раздвижных рамах в банкетном доме Иниго Джонса в Лондоне в 1685 году. Большие площади такого стекла стали обычным явлением в 1700-х годах, указывая путь к большим стеклянным и железным зданиям 19-го века.

Эффективность внутреннего отопления была повышена за счет внедрения чугунных и глиняно-изразцовых печей, которые размещались в свободном положении в помещении. Излучаемое ими тепло было равномерно распределено в пространстве, и они использовали его для сжигания угля—нового топлива, которое быстро вытесняло древесину в Западной Европе. Когда европейские строители восстановили технологию классического мира в кирпиче, камне и древесине, было достигнуто устойчивое плато в развитии строительного искусства; эти материалы и техника хорошо подходили для храмов, дворцов и укреплений, в которых нуждались их покровители. Однако промышленная революция принесла новые материалы и спрос на новые типы зданий, которые полностью изменили технологию строительства.