Окский гиперболоид инженера Шухова

Мы продолжаем знакомить читателей с инженерными достопримечательностями России. В 12 километрах от Дзержинска, на левом берегу Оки расположена одна из двух сохранившихся в нашей стране высотных гиперболоидных башен — единственная в мире гиперболоидная многосекционная опора линии электропередачи, выполненная в виде несущей сетчатой оболочки.

Принцип устройства гиперболоидных башен Владимир Шухов использовал в сотнях сооружений: водонапорных башнях, маяках, мачтах военных кораблей. Самая известная из них — башня на Шаболовке. Она строилась с 1919 по 1922 год. Шуховская башня на Оке построена семь лет спустя и признаётся западными специалистами более совершенной и достойной внесения в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

Об инженерном даре Владимира Шухова со «Стимулом» согласился побеседовать Сергей Арсеньев, вице-президент Фонда развития науки, культуры и искусств «Шуховская башня».

«Эта башня на Оке считается во всей мировой архитектурной среде самым выдающимся памятником, созданным Владимиром Григорьевичем Шуховым, — говорит Сергей Арсеньев. — Башня в Москве более известная. Про нее больше публикаций, но специалисты и архитекторы окскую башню признают непревзойденным шедевром».

Есть книга о жизни и творческой деятельности Шухова, впервые изданная на немецком языке в 1996 году, — «Искусство экономной конструкции». Потом она вышла и на русском под названием «Искусство конструкции». Опубликована на средства Института легких конструкций в Штутгарте, свой личный вклад внес также великий немецкий архитектор Фрай Отто, который спроектировал олимпийский комплекс в Мюнхене в 1972 году. По его проекту там сделаны висячие конструкции. Он их запатентовал, но потом с удивлением узнал, что патент на такие конструкции получен Шуховым в России в XIX веке. И под впечатлением этого события стал изучать творчество Владимира Григорьевича и стал его первым зарубежным исследователем. Институт и сам Фрай Отто профинансировали экспедицию в Советский Союз.

«Руководителем этой экспедиции стал профессор Райнер Грефе, который и написал потом книгу, — продолжает Сергей Арсеньев. — Они изучили все конструкции и поняли, что башня на Оке уникальна: Шухов истратил на нее меньше всего металла при достижении определенной высоты для подобных сооружений. Владимир Григорьевич был уже в преклонном возрасте, через семь лет его не стало. И он использовал там свой опыт по полной. Если взять башню в Москве, то она хоть и на двадцать пять метров выше, шестисекционная, но по сравнению с башней на Оке расход металла в ней примерно в полтора раза больше».

Опора для ЛЭП

В 1927–1929 годах по проекту и под руководством Владимира Шухова на Оке между Богородском и Дзержинском для линии электропередачи от Нижегородской ГРЭС были построены три пары многосекционных стальных гиперболоидных башен высотой 128, 68 и 20 метров. Две 128-метровые башни служили опорой перехода ЛЭП через Оку.

«Один берег в том месте очень высокий, порядка семидесяти метров, а другой — пологий, Ока глубоко проседает в речную долину, и плюс к тому должен был быть подъем проводов над уровнем высокого берега, — поясняет Сергей Арсеньев. — Там шло две линии. По пологой стороне — это левый берег по течению реки — было сделано две пары башен: 68-метровые и 128-метровые. А с правого берега стояли невысокие двадцатиметровые башни. Шухов лично руководил строительством. Для опор ЛЭП гиперболоидные башни больше никогда не использовали».

Строить подобные башни, по словам Сергея Арсеньева, в СССР перестали после аварии во время строительства в Днепродзержинске в начале 1930-х годов. Это было чисто административное решение, никак технически не обоснованное.

Спасение красавицы

После изменения маршрута ЛЭП четыре башни Шухова высотой 68 и 20 метров демонтировали на металлолом. Две оставшиеся высотные башни законом Нижегородской области были признаны памятниками культурного наследия, охраняемыми государством. Но, несмотря это, весной 2005 года одна из уникальных башен-опор была незаконно разрушена — как и в случае с первыми четырьмя башнями, с целью разборки на металлолом. Публикации с протестом против этого акта вандализма были даже в центральных немецких газетах.

«Одну башню удалось свалить, и ее сдали в металлолом, — рассказывает Сергей Арсеньев. — А у второй, которая сейчас стоит, подпилили 16 из 40 несущих балок, упирающихся в нижнее основание, одну за другой. Больше трети выпилили. Думали, упадет. Сняли даже два нижних кольца, а она все-таки устояла и продержалась в таком состоянии целых три года. То есть конструкция устроена так, что, если выходят из строя одни элементы, нагрузка перераспределяется по диагридной сетке на другие. Если что-то выходит из строя, остальные элементы это компенсируют».

Фонд «Шуховская башня» начал собирать деньги на реконструкцию. Личные пожертвования сделали немецкие, итальянские специалисты, свои средства внес правнук создателя башни, президент фонда Владимир Федорович Шухов. Ремонт начался в 2008 году. Работы взяла на себя компания «Россети Центр и Приволжье», их общая стоимость составила 54 млн рублей.

Реконструкция проходила в несколько этапов. Сначала воссоздали утраченные фрагменты основания башни, потом укрепили берег Оки и построили набережную, затем обработали металлоконструкции антикоррозийными материалами и сделали подсветку из 23 тысяч светодиодов. Вокруг сооружения тоже благоустроили территорию. 23 сентября 2020 года состоялось торжественное открытие.

Шуховская башня на Оке рекомендована для включения в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Но пока сделать это невозможно — должна быть соблюдена аутентичность конструкции. Башню ремонтировали с применением болтов, а она была сделана на заклепках.

«Заявку в ЮНЕСКО готовы одобрить, мы беседовали с представителями, — говорит Сергей Арсеньев. — Я уверен, что башня попадет в этот список, доделать осталось совсем немного. Вообще-то при Шухове первая сборка тоже была на болтах, как и у башни на Шаболовке. Ее собрали сначала на болтах, но такой крепеж в то время был очень дорогой, поэтому болты выкручивали по очереди и заменяли на заклепки. Теперь надо сделать то же самое».

Фостеровский огурец из Шуховской башни

По-другому шуховская конструкция называется диагрид-система. Диагрид — diagonal grid — диагональная сетка, их сейчас возводят во всем мире. Диагрид-системы — это не только гиперболоидные башни. Существует даже такое понятие как «диагрид-архитектура».

Одно из самых известных сооружений — сорокаэтажная штаб-квартира компании Swiss Re в центре Лондона, здание называется Мэри-Экс. За зеленоватый оттенок стекла и характерную форму лондонцы называют его «огурец», «корнишон» (по-английски The Gherkin). И весь этот «огурец» — самый узнаваемый и красивый небоскреб Лондона — держит диагрид-конструкция. В 2003 году проект получил ежегодную премию Emporis Skyscraper Award как лучший небоскреб в мире.

«Построил это здание Норман Фостер, — рассказывает Сергей Арсеньев. — Архитектор заявляет, что является учеником Шухова. И несущая диагональная шуховская сетка прямо видна на поверхности этого небоскреба, она подчеркнута. Норман Фостер построил по патентам Шухова более двадцати сооружений по всему миру. Кроме Мэри-Экс есть Смитсоновский музей американского искусства в Вашингтоне, его картинная галерея перекрыта гигантскими перекрытиями Шухова. Перекрытия двора Британского музея, который носит имя королевы Елизаветы, так и называются: “перекрытия королевы Елизаветы”. И королева за эти перекрытия Норману Фостеру дала титул лорда. А Шухову за его изобретения, открытия никто ничего не дал. Патенты в то время действовали двадцать пять лет, а в СССР вообще семнадцать».

По проектам Фостера создан целый ряд сооружений в Саудовский Аравии. Все перекрытия в гигантском аэропорту Пекина тоже шуховские.

Помимо сооружений Нормана Фостера есть еще много других известных зданий. Стоит вспомнить самую высокую шуховскую башню в Гуанчжоу. Это вторая по высоте телебашня в мире, односекционный гиперболоид высотой 600 метров. Конструкция ее сетчатой оболочки соответствует патенту Шухова 1899 года.

Самая высокая телевизионная башня в Токио имеет сложную структуру, но в ее основе тоже гиперболоид диагридной структуры. По словам Сергея Арсеньева, Шухов эти диагрид-конструкции строил с помощью своей гениальности и логарифмической линейки. После его смерти никто их строить не мог, потому что вычисления очень сложные. И только в 1968 году японцы построили в Кобэ первое сооружение, рассчитав его на компьютере.

Башня в Кобэ, высотой сто с лишним метров, пережила землетрясение в 7,5 балла. Рядом с башней сейчас находится музей землетрясения, где провалы шириной пять-семь метров и глубиной до 20 метров специально оставлены в земле прямо посреди асфальта. Дома уходили под землю. Башне посчастливилось, непосредственно под ней провала не было, а тряску она выдержала. Все остальные здания в городе были разрушены.

Сооружения Шухова и сейчас строят в сейсмоопасных районах. К примеру, в Казахстане, в Алматы, здания специально после постройки одевали в диагридную сетку. Даже в Иране строят шуховские конструкции. Иран трясет сильно, и там есть сетчатые мосты, башни, перекрытия.

«В Иране строят просто на сварке, на болтах, то есть не используют эти находки для хитрых соединений, которые в Европе сделаны разными фирмами, — поясняет Сергей Арсеньев. — Они по-своему используют патент Шухова, не копируя эти сочленения, придуманные в Великобритании или в Германии. Вообще, есть специальные программы для архитекторов, и этими программами пользуются немецкие, норвежские, шведские, чешские специалисты. В некоторых странах есть даже деревянные гиперболоидные башни для обзора окрестностей».

Самая экономная высотная конструкция

«В России сейчас, к сожалению, такие сооружения не строятся, — сетует Сергей Арсеньев. — Но благодаря диагрид-конструкциям наши ракеты — самые совершенные. Это даже в “Юном технике” писали, это не секретная информация, что боевой ракетный комплекс “Тополь-М”, а также морская ракета нового поколения “Булава” имеют несущую сетку из углепластика, сделанную по той же диагрид-системе».

По словам Сергея Арсеньева, диагрид-система позволяет снизить вес ракеты как минимум на одну, а то и на три тонны, в зависимости от типа ракеты, и увеличить боевой ядерный заряд, доносимый до цели. И поразить намного больше целей за счет добавления еще нескольких боеголовок в многозарядную ракету.

Сетчатые конструкции Шухова начали использовать в авиакосмической отрасли в 1980-х годах, сейчас они изготавливаются серийно для различных ракетных комплексов, включая носитель «Протон-М». Сетчатые конструкции образованы системой ребер, изготовленных из современных композитных материалов методом намотки. В сочетании с высокой удельной прочностью и жесткостью (по отношению к плотности) волокнистых композитных материалов и возможностями технологии непрерывной намотки такой принцип позволяет получать конструкции с уникальными характеристиками, значительно превышающими соответствующие показатели традиционных подкрепленных и трехслойных конструкций, изготовленных как из металлов, так и из композитов.

«Благодаря этим несущим конструкциям не только ракеты, но и наши спутники живут дольше, — рассказывает Сергей Арсеньев. — Раньше спутники делали цельнометаллические. И если там появлялась одна дырочка или что-то отказывало, спутник, как правило, полностью выходил из строя. Иногда они даже месяц не летали, приходилось новый запускать. А сейчас делают как? Берут эту шуховскую сетку, и на нее, как на елку новогоднюю, навешивают елочные игрушки в виде блоков спутника. Причем делают несколько дублирующих блоков на случай отказа. Каждый находится в отдельной герметической упаковке, и между ними идут провода связи».

Доказано, что шуховская сетка — самая экономная высотная конструкция в мире. В последние годы ведущие отечественные и зарубежные авиастроительные компании рассматривают композитные сетчатые конструкции в качестве перспективных элементов планера пассажирского самолета нового поколения.

Впервые гиперболоидную башню и сетчатые своды Шухов представил на промышленной выставке в Нижнем Новгороде в 1896 году. А в этом году — к восьмисотлетию города — в Государственном центре современного искусства «Арсенал» пройдет выставка под названием «Шухов. Формула архитектуры», которая станет крупнейшим показом творчества этого великого человека за последние двадцать пять лет. На одной площадке будут собраны экспонаты из собраний многих музеев мира. В частности, на выставке, которая откроется 18 июля, представят оригинальные чертежи стальных конструкций, макеты, фотографии, рукописи и личные вещи Владимира Шухова.

Гид для тех, кто интересуется историей инженерного дела создала российская ИТ-компания АСКОН.