Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Советская конструктивная школа комплексно рассматривает все факторы, влияющие на конечный продукт строительства. Решения оптимизируются по обобщенным показателям и, по-видимому, учитывают характерные особенности планового хозяйства социалистического общества на данном этапе его развития в общегосударственном масштабе.
Позиция европейской конструктивной школы может быть приемлема как одно из возможных решений задачи, условием которой является минимальный расход материала. Каждое сооружение рассматривается чуть ли не как уникальное, и путем тщательных расчетов от него «отсекается» каждый лишний килограмм, благодаря чему конструкция получается максимально легкой. Конструктивные решения американской школы ориентированы на условие минимальных затрат человеческого труда с учетом килограммов сооружения. Очевидно, что в различных случаях немалое значение имеют и основные социально-экономические особенности стран, обусловленные их общественным строем. Очевидно и то, что планомерность и гуманность социалистической системы не может не оказать благотворного влияния на конструктивные решения и их реализацию.
Конструкторы середины минувшего столетия имели в своем арсенале только науку о сопротивлении материалов. Она позволяла им определять с достаточной для того времени точностью напряжения и деформации в элементах линейного, балочного и стержневого типа, т. е. в элементах (или конструкциях), у которых один размер (длина) намного больше двух других. Однако в практике строительства начали появляться и плоскостные (пространственные) конструктивные формы, такие, как плиты, своды, оболочки, а также сложные пространственные конструкции, состоящие из линейных элементов. Все они выходили за рамки области, на которую распространялся радиус действия такого «дальнобойного оружия», как сопромат.
Это вызвало необходимость выделения и обособления специальной науки, которая называется «строительная статика». Ее задача заключается в разработке методов определения усилий и деформаций в конструкциях всех видов. Параллельно с ней развивается методологический фундамент строительной механики — теория упругости. Это «тяжелая артиллерия» механики, законы которой периодически «простреливают» ее прикладные области, чтобы скорректировать их результаты; в сущности, она дает наиболее общие решения, распространяющиеся и на самые сложные реальные конструкции.
Но, как мы уже знаем, в действительности строительные материалы не являются ни идеально упругими, ни изотропными. Поэтому постепенно выделились научные направления, изучающие работу упругопластичных тел при различных силовых воздействиях и в составе различных конструктивных форм. Более того, в последние десятилетия теория «взяла в работу» и фактор времени. Зависимость напряжений и деформаций от времени для нас уже не тайна; она не была тайной для специалистов и сорок лет назад. Однако гораздо труднее было создать механико-математические модели явлений, которые еще не были достаточно хорошо изучены. Математической интерпретацией таких явлений в строительных материалах и конструкциях занимается специализированная отрасль науки.
Но оказалось, что в ряде случаев постулаты статики бессильны. У многих конструкций напряженные и деформационные состояния могут быть крайне неустойчивыми и взрывообразно изменять свой характер; проще говоря, конструкция становится аварийной, даже разрушается. Проблемы механической устойчивости решаются наукой об устойчивости конструкций. Величины критических нагрузок и напряжений, определенные с помощью методов этой науки, позволяют избежать наиболее драматическую форму невидимого конфликта. Ведь именно потеря устойчивости была главной причиной внезапной катастрофы моста на р. Св. Лаврентия в Канаде.
Важное место в арсенале методов нынешнего конструктора занимает строительная динамика, которая занимается изучением напряженных и деформационных состояний, возникающих под действием динамических нагрузок. Как мы видели, большая часть силовых воздействий имеет подчеркнуто динамический характер, но только во второй половине XX в. средства «предвидения» их эффекта количественно и качественно доросли до такого уровня, когда оказалось возможным объединить их в новую науку.
А геомеханика? Относительно поведения и свойств почвы, которая в течение многих лет должна носить на себе тысячетонный груз зданий и сооружений, тоже не все ясно. Более того, здесь гораздо больше тайн и ненадежности, чем в любой другой области, связанной со строительством. Разгадыванием этих тайн и поисками путей преодоления этой ненадежности как раз и занимается геомеханика.
Вот краткое описание «боевых соединений» современного инженера-полководца. И, как все настоящие соединения, они состоят из многочисленных частей и подразделений, многие из которых имеют специальное назначение и сами являются особыми науками. Роль теоретического аппарата в строительном проектировании огромна, но современные тенденции требуют от него все большей широты и точности. Поэтому если не все, то большинство направлений нынешней математики поставлено на службу строительной механике. Мы не удивим читателя тем, что строительная механика математизирована «с головы до пят». Она представляет собой арену, на которой современная математика показывает, на что она способна. Но на этой арене математика сама оказывается средством, с помощью которого инженер проникает в таинственный мир невидимого конфликта подобного тому, как с помощью скальпеля хирург проникает в табу человеческого организма. Средство, без сомнения, — вещь важная, и слава специалистам, которые создают такие чудесные «скальпели». Однако если рука, которая держит скальпель, дрогнет и пациент умрет на операционном столе, виновным считается только сам хирург. Специалист по скальпелям за это ответственности не несет.
Едва ли есть необходимость говорить, что это в полной мере относится и к строительству. Ответственности в обычном смысле слова математик не несет: если его решение неверно, катастрофы не произойдет. Но подобная ошибка, допущенная инженером-строителем, может привести и к катастрофе. Инженер как бы оживляет сухую математику и превращает в нечто конкретное и полезное. Истина одна: огромная моральная и материальная ответственность всецело ложится на плечи конструктора, и никто не должен мешать ему держать «скальпель» так, как он считает нужным.
И все же главным в строительстве остается выбор, даже открытие рациональных форм несущих конструкций. Формообразование является тем исключительным процессом, который сочетает в неизвестных пропорциях образно-интуитивное творчество художника или скульптора с конкретным аппаратом точных наук. Этот процесс требует пространственного воображения и абстрактного мышления, логического ума и эмоциональности, развитого конструктивного чутья, определенной интуиции и очень много опыта. А так как наши предшественники имели и хорошее чутье, и интуицию, и строительный опыт, многие из нынешних конструктивных форм уходят своими корнями в далекое прошлое. Но многие из конструктивных форм нашего времени появились в связи с возникновением новых материалов, новых технологий и новых, гораздо более строгих требований. Идеи некоторых из них — сознательно или бессознательно — заимствованы у мудрой и рациональной природы. Но идеи других являются концентрированным выражением неуловимых процессов инженерного мышления человека.
КОНСТРУКТИВНАЯ ФОРМА № 1
Самой простой, распространенной (и самой старой) конструктивной формой является балка. Это, без сомнения, наиболее доступный способ перекрыть определенные расстояния между опорами, а в большинстве случаев — и самый функциональный. Так или иначе, но все конструкции перекрытия — плоские, все конструкции кровли — плоские или почти плоские, путевое полотно мостов — тоже плоское. Логично, что несущая система тоже будет развиваться плоскостно, чтобы излишне не усложнять дело.
Авторы этой конструктивной формы неизвестны. Если в этом случае вообще говорить об авторстве, то следует обратиться к далекой доисторической эпохе и предположить, что первые анонимные реализации этой идеи имели вид необработанных древесных стволов. Следующей ступенью были отесанные с четырех сторон бревна, которые в таком виде дошли до наших дней и до сих пор применяются во временных сооружениях для перекрытия пролетов до 6—7 м. Этот явный атавизм мирно уживается с вершинами в развитии балочных конструкций, одну из которых представляет, например, стальной балочный мост на р. Саве в Белграде. Длина его центрального пролета 260 м!
В огромном диапазоне размеров, которые характеризуют эти два столь разных по масштабам явления, фигурируют сотни и тысячи современных решений, имеющих свой облик и специфику, свое назначение и возможности, свое место в жизни. На облик всякой конструктивной формы, и в частности на балочную конструкцию, большое влияние оказывают три фактора: материал, назначение и метод строительства. А так как число возможных комбинаций практически необозримо, не стоит удивляться бесчисленному множеству решений, в которых основным элементом оказывается балка. Формообразование — это исключительно сложный процесс, который предполагает высокое развитие как абстрактного мышления математика, так и образно-пространственного мышления художника. Параллельно приходится решать десятки проблем самого различного характера — конструктивные, статические, технологические. Балка может представляться простой только дилетанту. На самом же деле, если бы требовалось создать обобщающий символ строительных конструктивных форм, первым претендентом могла бы быть «добрая старая» балка. Она словно существует вне времени. Однако нынешний отрезок ее бытия характеризуется переплетением всех проблем и тенденций мирового строительства.
