История строительной инженерии

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:ТеорияИстория строительной инженерии восходит по крайней мере к 2700 году до нашей эры, когда Имхотеп, первый известный по имени архитектор в истории, построил ступенчатую пирамиду для фараона Джосера[1].

Древний мир и Средние века[править]

Пирамиды были наиболее распространёнными крупными сооружениями, построенными древними цивилизациями, поскольку это конструкция, которая по своей природе является устойчивой и может быть увеличена практически до бесконечности (в отличие от большинства других конструкций, размеры которых не могут быть линейно увеличены пропорционально увеличению нагрузки)[2].

Ещё одним примечательным инженерным достижением древности, которое используется и по сей день, является система управления водными ресурсами кяриз. Технология кяриз была разработана во времена мидийцев, предшественников Персидской империи (современный Иран[3][4][5]), где находится самый старый и длинный кяриз (возраст более 3000 лет, длина более 71 км)[6], который также распространился в других культурах, имевших контакты с персами.

На протяжении всей древней и средневековой истории большинство архитектурных проектов и строительных работ выполнялось ремесленниками, такими как каменщики и плотники, которые поднимались до роли мастеров-строителей. Теории конструкций не существовало, а понимание того, как устроены конструкции, было чрезвычайно ограниченным и основывалось почти исключительно на эмпирических данных о том, «что работало раньше». Знания хранились в гильдиях и редко заменялись новыми достижениями. Конструкции были однообразными, а увеличение их масштабов происходило постепенно[2].

Не существует записей о первых расчётах прочности конструктивных элементов или поведения конструкционных материалов, но профессия инженера-строителя действительно сформировалась только с промышленной революцией и повторным изобретением бетона (см. История бетона). Физические науки, лежащие в основе строительной инженерии, начали пониматься в эпоху Возрождения и с тех пор постоянно развиваются.

Ранняя строительная инженерия[править]

Задокументированная история строительной инженерии начинается с древних египтян. В XXVII веке до н. э. Имхотеп был первым известным по имени строительным инженером и построил первую известную ступенчатую пирамиду в Египте. В XXVI веке до н. э. в Египте была построена Великая пирамида в Гизе. Она оставалась крупнейшим сооружением, построенным руками человека, на протяжении тысячелетий и считалась непревзойдённым достижением в архитектуре до XIX века нашей эры[7].

Говорят, Архимед сказал о рычаге: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю».

Понимание физических законов, лежащих в основе строительной инженерии в западном мире, восходит к III веку до нашей эры, когда Архимед опубликовал свою работу «О равновесии плоскостей» в двух томах, в которой он изложил закон рычага, заявив[8]:

Равные веса, находящиеся на равных расстояниях (от точки опоры), находятся в равновесии, а равные веса, находящиеся на неравных расстояниях, не находятся в равновесии, но перевес происходит в сторону того веса, который находится на бóльшем расстоянии.

Архимед использовал выведенные принципы для вычисления площадей и центров тяжести различных геометрических фигур, включая треугольники, параболоиды и полусферы[9]. Работа Архимеда по этому вопросу, а также его работы по исчислению и геометрии, наряду с евклидовой геометрией, лежат в основе большей части математики и понимания конструкций в современной строительной инженерии.

Пон-дю-Гар, Франция, акведук римской эпохи, около 19 года до н. э.

Древние римляне сделали большой прорыв в строительной инженерии, став пионерами в создании крупных сооружений из каменной кладки и бетона, многие из которых стоят и по сей день. К ним относятся акведуки, термы, колонны, маяки, оборонительные стены и гавани. Их методы зафиксированы Витрувием в его труде De Architectura, написанном в 25 г. до н. э., — руководстве по гражданской и строительной инженерии с обширными разделами, посвящёнными материалам и машинам, используемым в строительстве. Одной из причин их успеха являются точные методы измерения, основанные на использовании диоптры, громы и хоробата[10].

Аркбутан в соборе Нотр-Дам (1163—1345)

В период Высокого Средневековья (XI—XIV века) строители смогли уравновесить боковое давление сводов с помощью аркбутанов и боковых сводов, чтобы построить высокие просторные сооружения, некоторые из которых были построены полностью из камня (с железными штифтами, удерживающими только концы камней) и простояли веками.

В XV и XVI веках, несмотря на отсутствие теории балок и исчисления, Леонардо да Винчи создал множество инженерных проектов, основанных на научных наблюдениях и строгости, в том числе проект моста через Золотой Рог. Хотя в то время этот проект был отвергнут, впоследствии он был признан осуществимым и конструктивно обоснованным[11].

Галилео Галилей. Портрет, выполненный мелом Оттавио Леони

Основы современной строительной инженерии были заложены в XVII веке Галилео Галилеем, Робертом Гуком и Исааком Ньютоном с публикацией трёх великих научных трудов. В 1638 году Галилео опубликовал «Беседы о двух новых науках»[12], в которых изложил основы науки о прочности материалов и движении объектов (по сути, определив гравитацию как силу, вызывающую постоянное ускорение). Это было первое установление научного подхода к строительной инженерии, включая первые попытки разработать теорию балок. Это также считается началом структурного анализа, математического представления и проектирования строительных конструкций.

За этим в 1676 году последовало первое изложение закона Гука Робертом Гуком, которое дало научное понимание упругости материалов и их поведения под нагрузкой[13].

Одиннадцать лет спустя, в 1687 году, сэр Исаак Ньютон опубликовал «Математические начала натуральной философии», в котором изложил свои законы движения, впервые дав понимание фундаментальных законов, управляющих конструкциями[14].

Также в XVII веке Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц независимо друг от друга разработали фундаментальную теорему исчисления, предоставив один из важнейших математических инструментов в строительной инженерии[15].

Портрет Леонарда Эйлера работы Иоганна Георга Брукера

Дальнейшие достижения в математике, необходимые для того, чтобы инженеры-строители могли применять знания о конструкциях, полученные благодаря работам Галилео, Гука и Ньютона в XVII веке, произошли в XVIII веке, когда Леонард Эйлер стал пионером в области математики и разработал многие методы, которые позволяют инженерам-строителям моделировать и анализировать конструкции.

В частности, он разработал теорию балок Эйлера — Бернулли вместе с Даниилом Бернулли (1700—1782) около 1750 года — фундаментальную теорию, лежащую в основе большинства проектов в области строительной инженерии[16][17].

Даниил Бернулли, вместе с Иоганном (Жаном) Бернулли (1667—1748), также считается автором принципа возможных перемещений, предоставившим инструмент, использующий равновесие сил и совместимость геометрии для решения конструктивных задач. В 1717 году Жан Бернулли написал Пьеру Вариньону письмо, в котором объяснял принцип возможных перемещений, а в 1726 году Даниэль Бернулли написал о «составе сил»[18].

В 1757 году Леонард Эйлер вывел формулу Эйлера для потери устойчивости, что значительно расширило возможности инженеров в проектировании элементов сжатия[17].

XIX - XX века[править]

В конце XIX и начале XX веков материаловедение и структурный анализ развивались с огромной скоростью.

Хотя упругость была хорошо понята в теории ещё до XIX века, только в 1821 году Клод-Луи Навье сформулировал общую теорию упругости в математически доступной форме. В своих лекциях 1826 года он исследовал широкий спектр различных структурных теорий и был первым, кто подчеркнул, что роль инженера-строителя заключается не в понимании конечного, неудачного состояния конструкции, а в предотвращении этого. В своих лекциях 1826 года он исследовал широкий спектр различных структурных теорий и первым подчеркнул, что роль строительной инженерии заключается не в том, чтобы понять окончательное состояние разрушения конструкции, а в том, чтобы предотвратить это разрушение[19]. В 1826 году он также определил модуль упругости как свойство материалов, не зависящее от второго момента площади, что впервые позволило инженерам понять как поведение конструкций, так и конструкционные материалы[20].

В конце XIX века, в 1873 году, Карло Альберто Кастильяно представил свою диссертацию Intorno ai sistemi elastici, в которой изложил свою теорему для вычисления смещения как частной производной энергии деформации[21].

В 1824 году инженер Джозеф Аспдин запатентовал портландцемент как «превосходный цемент, напоминающий портландский камень» (британский патент № 5022). Хотя различные виды цемента уже существовали (пуццолановый цемент использовался римлянами ещё в 100 году до н. э., а ещё раньше — древними греками и китайцами) и были широко распространены в Европе с 1750-х годов, открытие Аспдина использовало широко доступные, дешёвые материалы, что сделало бетонное строительство экономически выгодным[22].

Развитие бетонных технологий продолжилось в 1848 году, когда Жозеф-Луи Ламбо построил гребную лодку из железобетона — предшественника современного материала. Он запатентовал свою систему армирования сеткой и бетона в 1855 году, через год после того, как У. Б. Уилкинсон также запатентовал аналогичную систему[23]. За этим последовало патентование в 1867 году Жозефом Монье в Париже железобетонной посадочной ванны с использованием стальной сетчатой арматуры, аналогичной той, что использовали Ламбо и Уилкинсон. Монье развил эту идею, зарегистрировав несколько патентов на ванны, плиты и балки, что в конечном итоге привело к созданию системы армированных конструкций Монье, в которой впервые были использованы стальные арматурные стержни, расположенные в зонах напряжения конструкции[24].

Стальные конструкции впервые стали применяться в 1850-х годах, когда Генри Бессемер разработал процесс Бессемера для производства стали. Он получил патенты на этот процесс в 1855 и 1856 годах и успешно завершил преобразование чугуна в литую сталь в 1858 году[25]. В конечном итоге мягкая сталь заменила кованое и литое железо в качестве предпочтительного металла для строительства.

В конце XIX века были достигнуты большие успехи в использовании чугуна, который постепенно заменил кованое железо в качестве предпочтительного материала. Льняная фабрика Дитерингтон в Шрусбери, спроектированная Чарльзом Бэйджем, была первым зданием в мире с внутренним железным каркасом. Она была построена в 1797 году. В 1792 году Уильям Стратт предпринял попытку построить огнеупорную фабрику в Белпере в Дерби (Белпер Уэст Милл), используя чугунные колонны и деревянные балки в глубине кирпичных арок, которые образовывали полы. Открытые балки были защищены от огня штукатуркой. Мельница в Белпере была первой в мире попыткой построить огнеупорные здания и является первым примером пожарной инженерии. Позже она была усовершенствована при строительстве мельницы Belper North Mill, совместного проекта Стратта и Бэджа, которая, благодаря использованию полностью чугунного каркаса, стала первым в мире «огнеупорным» зданием[26][27].

Мост Форт был построен Бенджамином Бейкером, сэром Джоном Фаулером и Уильямом Арролом в 1889 году с использованием стали, после того как первоначальный проект моста Томаса Буша был отклонён в связи с обрушением его моста через Тей. Мост Форт был одним из первых крупных проектов, в которых использовалась сталь, и стал вехой в проектировании мостов. В 1889 году Густав Эйфель и Морис Кеклин построили кованую Эйфелеву башню, продемонстрировав потенциал строительства с использованием железа, несмотря на то, что стальные конструкции уже активно использовались в других местах.

В конце XIX века российский инженер Владимир Шухов разработал методы анализа натяжных конструкций, тонкостенных конструкций, сетчатых оболочек и новых геометрических форм, таких как гиперболоидные конструкции. Пионерами в области трубопроводного транспорта в конце XIX века стали Владимир Шухов и компания «БраНобель».

Продолжая развивать конструкции из железобетона, с 1892 года компания Франсуа Эннебика использовала его запатентованную систему железобетона для строительства тысяч сооружений по всей Европе. Таддеус Хайатт в США и Wayss & Freitag в Германии также запатентовали свои системы. Фирма AG für Monierbauten построила 200 железобетонных мостов в Германии в период с 1890 по 1897 год[28]. Однако большие новаторские достижения в области использования железобетона пришлись на первую треть XX века, когда Роберт Майяр и другие углубили понимание его поведения. Майар заметил, что во многих бетонных мостовых конструкциях были значительные трещины, и в результате исключил места с трещинами из своего следующего проекта моста, правильно полагая, что если бетон треснул, он не способствует прочности. Это привело к революционному проекту моста Сальгинатобель. Вильгельм Риттер сформулировал теорию ферм для расчёта сдвига железобетонных балок в 1899 году, а Эмиль Мёрш усовершенствовал её в 1902 году.

Далее он продемонстрировал, что рассмотрение бетона при сжатии как линейно-упругого материала является консервативной аппроксимацией его поведения[29]. С тех пор проектирование и анализ бетона продвигаются вперёд, с развитием методов анализа, таких как теория линии пластичности, основанная на пластическом анализе бетона (в отличие от линейно-упругого), и многими различными вариациями модели распределения напряжений в бетоне при сжатии[30][31].

Предварительно напряжённый бетон, впервые применённый Эженом Фрейсине с патентом в 1928 году, позволил найти новый подход к преодолению слабости бетонных конструкций при растяжении. Фрейсине построил экспериментальную предварительно напряжённую арку в 1908 году, а затем в ограниченном виде применил эту технологию в мосте Плугастель во Франции в 1930 году. Затем он построил шесть мостов из предварительно напряжённого бетона через реку Марну, прочно закрепив эту технологию[32].

Теория строительной инженерии снова шагнула вперёд в 1930 году, когда профессор Харди Кросс разработал свой метод распределения моментов, позволяющий быстро и точно приблизительно рассчитывать реальные напряжения многих сложных конструкций[33].

В середине XX века Джон Флитвуд Бейкер продолжил разработку теории пластичности конструкций, предоставив мощный инструмент для безопасного проектирования стальных конструкций. Возможность создания конструкций со сложной геометрией, выходящих за рамки анализа с помощью ручных методов расчёта, впервые возникла в 1941 году, когда Александр Хренников представил в Массачусетском технологическом институте свою докторскую диссертацию на тему дискретизации задач плоской упругости с использованием решётчатой структуры. Это стало предшественником развития анализа методом конечных элементов. В 1942 году Ричард Курант разработал математическую основу для анализа методом конечных элементов. Это привело к публикации в 1956 году статьи Дж. Тёрнера, Р. В. Клау, Х. К. Мартина и Л. Дж. Топпа «Жёсткость и прогиб сложных конструкций». В этой статье было введено название «метод конечных элементов», и она широко признана как первое всестороннее исследование метода в том виде, в каком он известен сегодня[34].

Строительство высотных зданий, хотя и было возможно с конца XIX века, получило значительное развитие во второй половине XX века. Фазлур Хан разработал конструктивные системы, которые по-прежнему являются основой многих современных высотных зданий и которые он использовал в своих конструктивных проектах для John Hancock Center в 1969 году и Sears Tower в 1973 году[35]. Главной инновацией Хана в проектировании и строительстве небоскрёбов была идея «трубчатых» и «связных трубчатых» конструктивных систем для высотных зданий[36][37].

Он определил каркасную трубчатую конструкцию как «трёхмерную пространственную конструкцию, состоящую из трёх, четырёх или, возможно, более каркасов, раскосов или сдвижных стен, соединённых по краям или вблизи них, чтобы сформировать вертикальную трубчатую конструкцию, способную противостоять боковым силам в любом направлении за счёт консольного выноса от фундамента»[38]. Трубу образуют близко расположенные взаимосвязанные наружные колонны. Горизонтальные нагрузки, например ветер, поддерживаются конструкцией в целом. Около половины внешней поверхности доступно для окон. Каркасные трубы позволяют уменьшить количество внутренних колонн и, таким образом, создать больше полезной площади. Там, где требуются большие проёмы, такие как гаражные ворота, трубчатый каркас должен быть прерван, а для поддержания целостности конструкции используются переходные балки. Первым зданием, в котором была применена трубчатая конструкция, был жилой дом DeWitt-Chestnut, спроектированный Ханом в Чикаго. Это заложило основу для трубчатых конструкций, использованных в большинстве построенных позднее небоскрёбов, включая Всемирный торговый центр.

Ещё одним нововведением, разработанным Фазлуром Ханом, была концепция X-образных раскосов, которые снижали боковую нагрузку на здание за счёт переноса нагрузки на наружные колонны. Это позволило уменьшить количество внутренних колонн, создав больше полезной площади, что можно увидеть в центре Джона Хэнкока. Первый скай-лобби также был спроектирован Ханом для центра Джона Хэнкока в 1969 году. Позднее скай-лобби появились в таких зданиях, как Всемирный торговый центр, башни-близнецы Петронас и Тайбэй 101[39].

В 1987 году Йорг Шлайх и Курт Шафер опубликовали итоги почти десятилетней работы над методом распорок и связей для анализа бетона — инструментом для проектирования конструкций с разрывами, такими как углы и соединения, предоставив ещё один мощный инструмент для анализа сложных геометрических форм бетона[40].

В конце XX и начале XXI веков развитие мощных компьютеров позволило методу конечных элементов стать важным инструментом для анализа и проектирования конструкций. Разработка программ конечно-элементного анализа привела к появлению возможности точно предсказывать напряжения в сложных конструкциях и позволила добиться больших успехов в строительной инженерии и архитектуре. В 1960-х и 70-х годах вычислительный анализ впервые был широко использован при проектировании крыши Сиднейского оперного театра. Многие современные конструкции невозможно было бы понять и спроектировать без использования вычислительного анализа[41].

В конце XX века были достигнуты значительные успехи в понимании материалов и поведения конструкций, в частности, было получено детальное понимание таких тем, как механика разрушения, сейсмостойкое строительство, композитные материалы, влияние температуры на материалы, динамику и контроль вибрации, усталость, ползучесть и др. факторы. Глубина и широта знаний, доступных в настоящее время в области строительной инженерии, а также растущий спектр различных конструкций и их сложность привели к усилению специализации инженеров-строителей.

Примечания[править]

  1. ↑ Сысоева Е. В. Истоки зарождения строительной науки с древних времен // Строительство: наука и образование. — 2020. — № 1.
  2. ↑ 2,0 2,1 Victor E. Saouma Lecture Notes in Structural Engineering. University of Colorado. Архивировано из первоисточника 13 апреля 2018. Проверено 2 ноября 2007.
  3. ↑ Ahmad Y Hassan, Transfer Of Islamic Technology To The West, Part Ii: Transmission Of Islamic Engineering Архивировано из первоисточника 2008-02-18.
  4. ↑ Qanat, Kariz and Khattara: Traditional Water Systems in the Middle East — By Peter Beaumont, Michael E. Bonine, Keith Stanley
  5. ↑ The Traditional Crafts of Persia: Their Development and Technology by Hans E. Wulff
  6. ↑ p. 4 of Mays L. Ancient Water Technologies. — Springer. — ISBN 978-90-481-8631-0.
  7. ↑ Gallerix Архитектура египетских пирамид рус.. Gallerix.ru. Проверено 30 августа 2025.
  8. ↑ Начало научной деятельности Архимеда рус.. StudFiles. Проверено 30 августа 2025.
  9. ↑ Heath, T.L. The Works of Archimedes (1897). The unabridged work in PDF form (19 MB). Cambridge University Press. (1897). Проверено 14 октября 2007.
  10. ↑ Десять книг об архитектуре. Витрувий | История античной архитектуры. antique.totalarch.com. Проверено 30 августа 2025.
  11. ↑ Renaissance Man. Museum of Science, Boston. Архивировано из первоисточника 6 июня 1997. Проверено 5 декабря 2007.
  12. ↑ Galileo, G. (Crew, H & de Salvio, A. (1954))
  13. ↑ Chapman, Allan. (2005)
  14. ↑ Newton, Isaac;Leseur, Thomas; Jacquier, François. (1822)
  15. ↑ Stillwel, J. (2002). p.159
  16. ↑ The Science of Structural Engineering. — Imperial College Press, 1999. — ISBN 1-86094-189-3.
  17. ↑ 17,0 17,1 Leonhard Euler: Life, Work and Legacy. — Elsevier, 2007. — ISBN 978-0-444-52728-8.
  18. ↑ Dugas, René (1988). p.231
  19. ↑ The Science of Structural Engineering. — Imperial College Press, 1999. — ISBN 1-86094-189-3.
  20. ↑ Hosford, W.F. (2005)
  21. ↑ Castigliano, C.A. (Andrews, E.S.) (1966)
  22. ↑ Prentice, J.E. (1990) p.171
  23. ↑ Nedwell, P.J.; Swamy, R.N.(ed). (1994) p.27
  24. ↑ Kirby, R.S. (1990) p.476
  25. ↑ Swank, J.M. (1965) p.395
  26. ↑ Blank, A.; McEvoy, M.; Plank, R. (1993) p.2
  27. ↑ Labrum, E.A. (1994) p.23
  28. ↑ Leonhardt. p.41
  29. ↑ Mörsch, E. p.83
  30. ↑ Hognestad, E.
  31. ↑ Hoogenboom P.C.J., «Discrete Elements and Nonlinearity in Design of Structural Concrete Walls», Section 1.3 Historical Overview of Structural Concrete Modelling, August 1998,ISBN.
  32. ↑ Hewson, N.R. (2003)
  33. ↑ Heyman, J. (1998) p.101
  34. ↑ Turner, J.; Clough, R.W.; Martin, H.C.; Topp, L.J. (1956) p.803-23, 854
  35. ↑ Mir, A. (2001)
  36. ↑ Chris H. Luebkeman Tube-in-Tube (1996). Архивировано из первоисточника 17 апреля 2008. Проверено 22 февраля 2008.
  37. ↑ Chris H. Luebkeman Special Studies in Building Structure (1996). Архивировано из первоисточника 20 апреля 2008. Проверено 22 февраля 2008.
  38. ↑ Evolution of Concrete Skyscrapers. Архивировано из первоисточника 5 июня 2007. Проверено 14 мая 2007.
  39. ↑ Gallerix Фазлур Хан: биография дизайнера небоскребов рус.. Gallerix.ru. Проверено 30 августа 2025.
  40. ↑ Schlaich, J., K. Schäfer, M. Jennewein
  41. ↑ MacNeal, R.H. (1994)

Шаблон:История архитектуры

Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «История строительной инженерии», расположенная по адресу:

—«https://ru.ruwiki.ru/wiki/История_строительной_инженерии»

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=История_строительной_инженерии&oldid=2449831