Римские инженеры основывали свою профессию на экономических принципах. Они использовали четкие спецификации и подробные контракты и принимали в расчет самые разнообразные материалы и типы конструкций, лучше всего подходящие для конкретных условий и проектов. Их общественные здания, акведуки, мосты и дороги демонстрируют экономичность и эффективность, так же как правовая система Рима является образцом упорядоченности и аналитической силы. Как писал Витрувий, инженеры понимали «удобное размещение запасов и площадки строительства». Они знали, как вести дела бережливо и контролировать расходы.
Строительство
Римляне создали собственные практики на основании техник каменной кладки, полученных ими от этрусков и греков. Они тоже строили из обтесанных камней одинаковой толщины, уложенных вплотную друг к другу без раствора и зачастую удерживаемых на месте металлическими скобами. Такие кладки из тесаного камня они называли opus quadratum. Эти opus quadratum из мягкого туфа, более твердой лавы и пеперина, или очень твердого травертина, укладывали одинаковыми рядами камней размером, как правило, 2 на 2 на 4 римских фута. Такой тип конструкции использовался для мостов через реку Тибр и большинства акведуков. Если было необходимо и желательно, римские строители применяли и более тяжелые камни. Некоторые из них, использованные при строительстве Колизея, имеют длину 15 футов и вес 5 или 6 тонн. Однако, как греки и в отличие от египтян, они предпочитали небольшие камни. Они считали потерей времени и энергии тащить огромные камни из каменоломен или поднимать их на место, если с тем же успехом можно использовать более мелкие камни.
Возможно, римские инженеры знали больше о каменной кладке при сжатии, чем принято считать. От них не осталось записей, свидетельствующих об их знании статики, или равновесия сил. Витрувий самым тщательным образом исследовал греческие методы и обнаружил, что греки обладали некоторыми знаниями по этим вопросам, по крайней мере эмпирическими. Он заметил, что греки использовали в своих стенах через определенные интервалы «тычки» камни, укладываемые поперек основного направления кладки. Римляне поначалу этого не делали. Когда же они начали строить арки и своды, то стали более осторожными и внимательными. Согласно Витрувию, «в зданиях, строящихся со столбами, когда своды делаются клинчатыми со швами, пересекающимися в центре, крайние столбы следует делать большей ширины, для того чтобы они были в силах противостоять распору сводов, которые под тяжестью лежащих на них кладки, оседая к центру, распирают устои. Поэтому, если угловые столбы будут значительной величины, они, сдерживая своды, придадут постройкам прочность».
Со временем римляне отошли от сплошной каменной кладки и начали использовать «неправильную» кладку. Они называли ее opus incertum. Было бы ошибкой переводить это выражение дословно, как неопределенная или сомнительная работа. Однако факт остается фактом: римские строители проявляли меньше тщательности, чем следовало, несмотря на предостережения Витрувия. Камни в opus incertum были обтесаны, однако они имели разные размеры, так что горизонтальные стыки не были непрерывными, а оказывались «ломаными». Камни беспорядочно укладывали в раствор из извести и песка. Таким образом, как правило, сооружались высокие инсулы, дома для сдачи внаем, которые нередко обрушивались. Ни один другой звук, за исключением разве что рева пожара, не мог быть страшнее для бедняков, населявших их верхние этажи. Сатирик Ювенал, писавший около 100 года, горько жаловался на домовладельца, который «прикрыл зияние трещин давнишних, нам предлагает спокойно спать в нависших руинах». Opus reticulatum, или сеть, которая на два столетия или около того сменила incertum, став популярной, выполнялась из маленьких обтесанных камней, у которых ложе и стыки были наклонены под углом 45 градусов. Очевидно, это было сделано, чтобы усладить взгляд римлян, поскольку никаких конструктивных преимуществ не было. На самом деле на сетчатую кладку уходило больше времени, и сам Витрувий предупреждал, что она обладает меньшей прочностью. Императоры Траян и Адриан тем не менее предпочитали ее для складов, бань, вилл и других конструкций.
Римляне строили не только из камня, но и из кирпича. В процессе этих работ они совершили открытие, которое вместе с арками и сводами заняло место среди величайших достижений инженерного искусства. Римляне использовали все типы кирпичей: квадратные, треугольные, изогнутые из последних они возводили колонны. Им особенно нравилось облицовывать стены треугольным кирпичом, вдавливая прямые углы кирпичей в мягкую прослойку между верстами кладки. Пропорциональное соотношение мелких камней и раствора в этой прослойке сначала строго не выдерживалось. Влажную смесь извести и песка выкладывали слоями, и в нее вручную вдавливали мелкие камни и осколки керамики. Неясно, использовали они или нет для этой работы деревянные формы, что, безусловно, делали при возведении арок и сводов.
Римляне строили не только из камня, но и из кирпича. В процессе этих работ они совершили открытие, которое вместе с арками и сводами заняло место среди величайших достижений инженерного искусства. Римляне использовали все типы кирпичей: квадратные, треугольные, изогнутые из последних они возводили колонны. Им особенно нравилось облицовывать стены треугольным кирпичом, вдавливая прямые углы кирпичей в мягкую прослойку между верстами кладки. Пропорциональное соотношение мелких камней и раствора в этой прослойке сначала строго не выдерживалось. Влажную смесь извести и песка выкладывали слоями, и в нее вручную вдавливали мелкие камни и осколки керамики. Неясно, использовали они или нет для этой работы деревянные формы, что, безусловно, делали при возведении арок и сводов.
Рис. 4.1. Фрагмент действовавшего акведука Эйфель Кёльн
Такой раствор легко рассыпался при высыхании. Но довольно скоро римляне пришли к надежному и долговечному цементу. Они добавили в известковый раствор почти такую же часть вулканического пепла из окрестностей Везувия. Этот пуццолан затвердевал даже под водой. Аналогичный материал они обнаружили впоследствии на Сицилии и в Каманье. В Германии и Нидерландах они нашли древнюю вулканическую грязь трасс, служившую той же цели. Римлянам не были известны точные химические свойства или пропорциональное соотношение кремнезема, алюминия и оксида железа в пуццолане. Они только знали, что он очень прочен. В Смитсоновском институте в Вашингтоне есть часть римского трубопровода, уложенного около 80 года н. э. в районе Кёльна (рис. 4.1). Откопанный восемнадцатью веками позже, он не растрескался и не крошился при сверлении и вел себя как камень. На самом деле он и стал камнем. С использованием такого цемента римляне строили своды и купола Пантеона, бань Диоклетиана и Каракаллы, базилики Константина.
Водоснабжение
Витрувий в I веке до н. э. превозносил цемент из пуццолана за твердость. Его не могли разрушить волны и растворить вода. Тогда зачем римляне построили из камня, а не из бетона волшебные арки, которые до сих пор ведут через Кампанью в направлении Рима, пересекают ущелья Испании, вздымают ярус за ярусом Пон-дю-Гар (рис. 4.2), в 160 футах над рекой в городе Ним, во Франции? Для того, кто знаком с бетоном и каменной кладкой, ответ очевиден. Все дело в том, что для формовки бетона нужны сложные формы, а для каменной кладки только подмости. Римляне знали и использовали дюкеры, по которым вода текла через долины, следуя рельефу земной поверхности. Почему они не строили трубопроводы большого давления из пуццолана вместо акведуков? Можно сомневаться, точно ли знали римские инженеры, насколько прочен их бетон. Возможно, они сознавали его слабость. Он, конечно, мог выдерживать давление, но не слишком большое, и не был способен противостоять разрушающему воздействию воды под давлением. Даже у лучшего современного бетона небольшая прочность на разрыв. Его следует усиливать металлом. Римляне с таким усилением не были знакомы.
Трубопроводы под давлением они строили из свинца. Трубы обычно сгибали из четвертьдюймовых листов на сердечниках. Швы предположительно соединяли расплавленным припоем. Последовательные участки по длине соединялись аналогичным образом внахлест. Римляне знали железо, но не имели чугунных труб. Им были известны бронзовые трубы, но они не использовали их широко. С бронзой было легче работать, чем со свинцом, и, безусловно, процесс был более дорогостоящим. Но прочность бронзы была несравненно больше, да и о деньгах вопрос, наверное, не стоял, поскольку стоимость каменных акведуков была все равно больше.
Рис. 4.2. Самый высокий сохранившийся древнеримский акведук Пон-дю-Гар
Домициан, император в 8196 годах, едва ли думал о расходах, когда велел построить водопровод к своему дворцу на Палатинском холме. Его свинцовая труба имела диаметр 1 фут и пересекала равнину в 133 футах под резервуаром, который питался из акведука Аква Клавдия. Давление в нижней части дюкера достигало 60 фунтов на квадратный дюйм. Аналогичный дюкер был в районе Алатри, примерно в 50 милях от города. Он был построен в 134 году до н. э. и опускался вниз по вертикали на 340 футов, а значит, давление воды в нижней точке достигало 150 фунтов на квадратный дюйм. Судя по всему, диаметр трубы был 3,9 дюйма (10 см), а толщина свинцового листа 0,4 дюйма (10 мм). Использование пуццолана для трубопроводов под водой было проблемой не давления, а удобства. С трубами, особенно из гибкого свинца, намного легче обращаться под водой, чем с бетонными. Недавно большой отрезок трубы из свинца, диаметром 6 дюймов и больше, лежащей на дне Нижнего Рейна в районе Арля, возраст которой пятнадцать столетий, был извлечен на поверхность судовым якорем.
Домициан, император в 8196 годах, едва ли думал о расходах, когда велел построить водопровод к своему дворцу на Палатинском холме. Его свинцовая труба имела диаметр 1 фут и пересекала равнину в 133 футах под резервуаром, который питался из акведука Аква Клавдия. Давление в нижней части дюкера достигало 60 фунтов на квадратный дюйм. Аналогичный дюкер был в районе Алатри, примерно в 50 милях от города. Он был построен в 134 году до н. э. и опускался вниз по вертикали на 340 футов, а значит, давление воды в нижней точке достигало 150 фунтов на квадратный дюйм. Судя по всему, диаметр трубы был 3,9 дюйма (10 см), а толщина свинцового листа 0,4 дюйма (10 мм). Использование пуццолана для трубопроводов под водой было проблемой не давления, а удобства. С трубами, особенно из гибкого свинца, намного легче обращаться под водой, чем с бетонными. Недавно большой отрезок трубы из свинца, диаметром 6 дюймов и больше, лежащей на дне Нижнего Рейна в районе Арля, возраст которой пятнадцать столетий, был извлечен на поверхность судовым якорем.
Рис. 4.3. Итальянский полуостров
Витрувий объяснил способы снижения давления в свинцовых и глиняных трубах с помощью частых резервуаров, ровных участков, вентеров (невысокий мост, чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот) и других замедляющих устройств. Но римляне строили арочные мосты высоко над долинами, делали глубокие прорези и тоннели через каменные хребты, чтобы сохранить гидравлический градиент. Возможности металлов при этом ограничены. Самая крупная свинцовая труба, о которой упоминал Витрувий, была примерно 100 дюймов в окружности, а средние размеры акведуков около 3½ фута на 6 футов. Кроме того, было довольно сложно контролировать утечки в каналах, находящихся не под давлением. По примерным оценкам, до того, как вода достигала города, половина воды, поступающей в акведук, терялась из-за утечек или воровства. Возможно, последнее было бы легче контролировать при использовании сифонов, но ремонт проще в случае арочных акведуков. Кроме того, римляне понимали, что загрязнение воды опасно, хотя и не знали ничего о бактериологии. Витрувий наблюдал отравление людей, работавших со свинцом, и предостерегал от использования свинцовых труб, рекомендовав вместо них глиняные.