Для облегчения конструкции римляне применяли также кессонирование. Так, в покрытии Пантеона и базилики Максенция (рис. 9.7; вкл., рис. 141) были сделаны кессоны, что существенно уменьшало массу бетона. В теле бетона Золотого дворца Нерона были обнаружены пустые кувшины, а позднее и пустотелые керамические трубы, что свидетельствует о специальном применении этих элементов в целях облегчения конструкции.

Рис. 9.6. Пантеон. Разрез (Рим, Италия)

Рис. 9.7. План базилики Максенция до реконструкции Константина

Рис. 9.8. Бетонная стена терм Траяна в Риме, обнажившаяся после обрушения постоянной опалубки. Хорошо видны углубления от кирпичных арок, облегчавших конструкцию стены (одна из арок частично сохранилась)

После отвердевания бетонной массы прочность сооружений не вызывала сомнений. Однако как победить возникающий от давления жидкой бетонной смеси распор, особенно в нижних частях конструкций? Стены Пантеона, например, достигают в толщину 7 м. Для погашения распора, который в римской конструкции был существенно меньше в связи с укладкой заполнителя правильными рядами и заливкой его раствором, чем при применении современного бетона на мелкозернистом заполнителе, римляне применяли опалубку из кирпича или камня, которая оставалась после завершения строительства. Одновременно с этим в кладке устраивались арки, что повышало ее прочность, особенно в тех местах, где изменялось поперечное сечение стены (рис. 9.8). Кирпичные ряды, уложенные внутри бетонных слоев, служили связями жесткости в еще не отвердевшем бетоне. Так римляне усовершенствовали принцип применения вяжущего в строительстве и в итоге создали материал, позволявший возводить сооружения с огромными по тем временам высотами и пролетами.

Арки, своды и купола не относятся к римским изобретениям. Однако римляне усовершенствовали их до такой степени, что конструкции эти не были превзойдены до середины XIX в.

Как было рассмотрено ранее, еще в Древнем Египте, а также в постройках критомикенской эпохи в Греции (сокровищница Атрея) уже применялись так называемые ложные арки и ложные своды. Однако разница между ложной конструкцией и истинной не столь очевидна. Считалось, что в ложной арке или своде конструкция создается консолями, надвинутыми одна над другой, в которых не возникают распорные горизонтальные усилия. Это справедливо только в случае, когда выступы обладают возможностью свободного скольжения один относительно другого. Однако даже при укладке римлянами заполнителя слоями раствор, обладающий высокой прочностью и связующими свойствами, исключал даже минимальное скольжение, что обеспечивало возведение конструкции истинной арки или свода с горизонтальными усилиями распора в нижней зоне. В легких конструкциях без применения раствора масса может быть недостаточна, чтобы в горизонтальных швах проявилась сила трения, и тогда данная конструкция проявляет себя как ложная арка или свод, где вылет каждой консоли определяется исключительно прочностью материала на растяжение.

Истинная конструкция арки или купола явилась значительным достижением. Однако возведение этих конструкций требовало применения кружал, так как окончательная прочность и устойчивость достигались только после укладки самого верхнего замкового элемента. Момент укладки замкового камня часто сопровождался религиозной церемонией. Камень украшали, а иногда подбирали для него особо прочный материал, что было лишено какого бы то ни было смысла, поскольку данный элемент несет одинаковую со всеми остальными нагрузку.

Истинные арки и купола возводились как безрастворным способом, так и с применением раствора. На основе арки римляне построили множество мостов и акведуков. Однако для мостов практически не применялись бетонные технологии, ибо это было очень сложным процессом, осуществляемым над потоком воды. Римские строители возвели множество мостов, которые выполняют свои функции и по сей день. Так, Тибрский остров на р. Тибр в центре Рима соединен с берегами двумя древними мостами (вкл., рис. 142). Мост Фабриция, построенный в 62 г. до н. э., – один из наиболее древних, дошедших до нас почти в первоначальном виде. Второй – мост Цестия, построенный раньше первого, в 46 г. до н. э., – в 368 г. был полностью перестроен, каким и сохранился до наших дней. В мостах безрастворной конструкции римляне часто применяли металлические, железные или бронзовые скобы, которыми камни скрепляли друг с другом. Примером такого моста может служить Понте Цестио.

На основе арки римляне соорудили множество акведуков[75]. Иногда подъем водовода над дном долины достигал 54 м. Высокие акведуки строились в виде трехъярусных аркад.

Римские арки, своды и купола всегда имели полуциркульное очертание. С одной стороны, это представляло наиболее удобную и простую в построении геометрическую форму. Круг описал еще Эвклид в своей геометрии. Круг представлялся греческими философами как идеальная кривая. Римляне одновременно считали эту форму и наиболее прочной. Разумеется, что полуциркульная арка создает наименьший распор. Применение полуциркульных арок в аркадах создавало взаимное погашение распора в соседних арках. Необходимо было только обеспечить надежное опирание аркады в торцах. Такая сбалансированность всей конструкции натолкнула римлян на мысль заменить толстые опоры в аркадах стройными колоннами. Этот прием был воспринят всей последующей архитектурой Средневековья и Возрождения.

Рис. 9.9. Работа сферических и уплощенных куполов: а – вертикальные «арочные» и горизонтальные «кольцевые» напряжения в тонком полусферическом куполе; кольцевые напряжения, сжимающие в верхней части купола и растягивающие – в нижней; б – реакция в плоском куполе