Исследование форм и конструкций глав культовых памятников архитектуры

Православные храмы традиционно являются доминантами застройки городов и других населенных пунктов. Специфической особенностью строительства храмов является необходимость подчинения каноническим церковным требованиям, основанным на православной догматике и храмостроительной традиции [1].

Одним из важнейших архитектурных элементов храма является глава. В архитектуре глава – декоративное покрытие, расположенное над куполом храма и устраиваемое на световом барабане. Главка – глава, устроенная на декоративном (глухом) барабане. Таково формальное определение глав. Тем не менее в историко-архитектурном и реставрационном обиходе о главах часто говорят и в широком смысле – как о завершении храма, состоящем из барабана, купола и купольного покрытия. Соответственно, к главам часто относят и простейшие посводные покрытия (металлом либо лемехом непосредственно по своду). В этом исследовании мы будем придерживаться формального определения глав как декоративных купольных покрытий. [2].

Актуальность

В отличие от западной культовой архитектуры, развитие русской храмовой архитектуры было насильственно прервано более чем на 70 лет. После чего многие десятилетия никто в нашей стране не занимался этим видом архитектурной деятельности. Русская храмовая архитектура в постсоветский период как искусство оказалась под запретом [3]. Перемены, произошедшие в 80-х годах в жизни и религиозном сознании людей, привели к необходимости массового строительства новых храмов [1]. Од- нако семидесятилетний перерыв привел к тому, что значительная часть старинных православных храмов России, являющихся культовыми памятниками архитектуры, находится в неудовлетворительном состоянии. Это обусловлено отсутствием своевременного ухода за ними и прекращением их эксплуатации. Вопрос реставрации зданий православных храмов требует всестороннего изучения, потому что предотвращение исчезновения культурного наследия и сохранение его для следующих поколений является одной из важнейших миссий человечества. Реставрация храмов сопровождается некоторыми организационно-технологическими особенностями, которые обусловлены сложной архитектурно-пространственной формой здания и его архитектурных элементов [4]. Перед строительством любого объекта нужно смоделировать все природные угрозы и опасности для конструкций, и одним из таких явлений является ветровая нагрузка. Предмет нашего исследования, конкретно главы, имеют непростые формы, следовательно, для них используются различные конструкции, а также для них особенно значима ветровая нагрузка. Исходя из этого, исследование форм и конструкций глав – основных архитектурных элементов храмов – является актуальной задачей.

Краткий анализ литературы

Представленный в литературе опыт храмо-строительства сводится к общим рекомендациям, отвечающим каноническим церковным требованиям, основанным на православной догматике и храмостроительной традиции [1]. Поэтому возникает необходимость сравнения архитектурных элементов храмов – глав – по наиболее характерным признакам – конструкции.

Изучив литературу по теме исследования, было установлено, что значительная часть трудов посвящена истории православной архитектуры [2, 5–9]. Научные публикации по теме исследования в основном отражают проблемы развития храмовой архитектуры России, состояние современной практики проектирования храмов и организационнотехнологические решения реконструкции храмов [3, 4, 10]. Большинство интернет-источников посвящены использованию стеклопластика в храмо-строительстве.

Таким образом, виды глав храмов по форме и конструкции малоизучены. Определение материала конструкции главы, наиболее подходящего для реставрации старинных церквей с ослабленной способностью несущих стен и улучшения эксплуатации ограждающих конструкций, требует дополнительных исследований, а именно определения влияния аэродинамики главы культовых сооружений.

Цель исследования: определить форму главы и материал конструкции главы, наиболее подходящие для реставрации старинных церквей с ослабленной способностью несущих стен и улучшения эксплуатации ограждающих конструкций.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

– сравнить формы глав храмов;

– сравнить конструкции глав храмов и определить лучший материал для изготовления глав храмов;

– исследовать влияние аэродинамики на разные формы глав.

Теоретическая часть

Формы глав храмов

Размер и форма главы определяются размером, типом и конструкцией покрытия храма (рис. 1). Выделяют следующие формы глав храмов: яйцевидная, шлемовидная, луковичная, грушевидная, конусовидная и зонтичная . [2, 5–8, 11].

В соответствии с русской православной традицией главы имеют, как правило, шлемовидную или луковичную форму [1].

Определим разницу между шлемовидными и луковичными главами. И шлемовидная, и луковичная главы имеют килевидный верх. Максимальный диаметр луковичной главы больше диаметра барабана, т. е. присутствует визуальная «бочкообразность», а высота главы – не меньше ее ширины. Максимальный диаметр шлемовидной главы не превышает диаметр барабана, а высота главы – всегда меньше ширины.

Яйцевидные главы были заимствованы из Византии. Грушевидные главы характерны для «украинского барокко», зонтичные и конусовидные – для закавказской архитектуры; в древнерусском зодчестве и в соответствующей иконографии они практически отсутствовали [5].

Древнерусская храмовая архитектура до конца XVII в. развивалась в соответствии с религиозными канонами и местными традициями. С принятием христианства в качестве государственной религии в 988 году на Руси стали появляться первые каменные храмы, возводимые под руководством приглашённых из Византии мастеров. С началом правления Петра I и ориентированности

Рис. 1. Разновидности глав храмов: 1 – яйцевидная, 2 – шлемовидная, 3 – луковичная; 4 – грушевидная; 5 – конусовидная; 6 – зонтичная

на з а падн ое св е тс кое ис к ус с тв о вне шн и й обли к пра в осл а вных х ра м ов с та л та кж е те с но с вяз а н с р а з в ит ие м ху до ж е с тв ен ных с ти л е й (та к и х как бар ок ко, кл а с сиц из м , а м п ир, ра з л ич ные на пра вл е н ия модерна) [10].

Анализ форм глав православных храмов

Южного Урала

В П р ав о слав ной Ц ерк в и в V –VIII веках слож и лс я ви за нт ий с кий стиль и в с т р о ит е ль с т ве храмо в, и в б ог о с л уж ен и и . Сохр а н яя о сн ов н ы е арх ит ектур ны е ч ерт ы в и за н тийски х хр амо в, русс ки е ц ер кв и и меют м н о г о самоб ы тн о г о . Сф ери ч ес к а я византийс к ая ф о р м а по к р ыти я куп олов заме ни ла сь шлемовидной. В XV–X V I I в ек а х в Ро ссии слож и л ся о т л и чн ый о т византий ск ого ст иль , для к о т о р о г о характерны луковичные главы.

Ан ализ прав осл авно й а р хи тек т у ры Южного У рал а по ка зал , ч то бо л ь ши нст в о х ра м о в Чел я б инской област и им ею т лу к ови чн ые г л ав ы, некотор ые х ра мы им ею т шле м о в и д ны е и я й цеви д ные к у п о ла , нез н а ч и тел ь но е коли че ст в о х ра м о в име ю т гр у шевид н ые г л ав ы и з о н т ич ные к у п о л а. К о н у с о ви д н ые гла вы в п р а в о сл авно й а р хи т е к т у ре Южного У рала отсутствуют.

П е рв ые че л яб инские це р кви, пос трое нные в XVIII веке, имели лук овичные г лавы , к ним относи тся С об ор Рожде ния Хрис та в Че ляб ин с ке (1766– 1 9 32), в зорван ный в 1932 год у, Св ято Т р ои цк ий х ра м в Че ляб инске (1768) (рис. 2а), отреставрированный в 1987–1988 г ода х , пе рв ы й в Челябинске монастырь – ж е н ск ий Од иг итри е в с к ий монастырь (1848–1930- е гг. ), ра з обра нный на стройматериалы в 1930-х годах.

Среди храмов, построенных в XVIII и XX веках, выделяются храмы с шлемовидными куполами. К ним относятся: Церковь Преображения Господня в Чебаркуле (1745, 2007), по своей архитектуре напоминающая древние церкви ВладимироСуздальской Руси, Свято-Троицкий собор в Троицке (1754) – единственный в Челябинской области из дореволюционных соборов, сохранившихся до наших дней (рис. 2б), Собор Рождения Христа в Челябинске (1766), взорванный в 1932 году, а также Церковь Архангела Михаила в с. Краснокамен-ка Уйского района (1914), построенная в русско-византийском стиле.

Среди храмов Южного Урала, построенных в XIX веке, выделяются храмы с яйцевидными куполами сферической формы и зонтичными куполами.

К храмам с яйцевидными куполами относятся разрушенная в 1930-е гг. церковь апостолов Петра и Павла в Миассе (1815), отреставрированная церковь Введения во храм Пресвятой Богородицы в Миньяре Ашинского района (1819) и отреставрированная церковь иконы Божией Матери «Знамение» в с. Воскресенском Каслинского района (1835) (рис. 2в).

З онтичные купола имел Собор Святой Троицы в Златоусте (1842), разрушенный в 1930-е гг. (рис. 3а).

Кроме этого, есть храм с грушевидными главами, относящийся к классическому типу с элементами барокко, – Церковь св. Димитрия Солун-ского в Троицке (рис. 3б) [9].

Конструкции глав храмов

Возведение храмов подчиняется строгим и довольно консервативным архитектурным законам и правилам, регламентирующим буквально все – от пропорций будущего сооружения и его ориентации в пространстве до технологий строительства и конструкций архитектурных элементов. На протяжении столетий главы храмов изготавливали из дерева и металла . Однако прогресс неумолим и при возведении современных храмов нередко используют стеклопластик – пластический композиционный материал, состоящий из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (эпоксидные и полиэфирные смолы) [12].

На рис. 4 представлена конструкция деревянной главы храма . Каркас глав диаметром до 3 м

Рис. 2. Храмы Южного Урала: а) с луковичными главами: Свято-Троицкий храм в Челябинске (1768); б) с шлемовидными куполами: Свято-Троицкий собор в Троицке (1754); в) с яйцевидными куполами: Церковь иконы Божией Матери «Знамение» в с. Воскресенском Каслинского района (1835)

выполняется, как правило, с дер ев ян ными жур а в-цами , в ы р езанн ы м и п о ш абл о ну и з н ес к о льких спа р енн ых д о сок т о л щ ин ой 4 0 мм и к р епящимися к ц е н т р а ль но м у стол бу , сл ужащ ем у о сн ова н ием для Кр еста. П о ж ур ав ц ам вып ол н я е т с я д о щ атая ле к а л ь н ая о б р е ш етк а с ш аг о м ок о л о 3 0 0 мм ил и оп а л убк а и з пер ек р ес тн ых ле нт ф анер ы т о лщин ой 4–5 мм в 2 сло я . Пр и ч ешуйчат о м п о к ры ти и г л ав к ж ур а в ц ам крепятся вырезан н ы е п о шаб лону г о р и зон тальн ые к ружала с шаго м, со о твет с т в ующ и м р азмеру че ш уи. Ко нст рукци я главы в ы п олня е т ся и з д ер ев а влажностью не более 12 % . Д ер евянн ы е э л емент ы к р епя тся меж ду соб о й н а д ер ев я нн ых наг е лях и з т верд о л и с т ве нн ых п о р о д : ду б , бук, я се н ь .

К онс тр у кц и я б а раб ан а де рев ян ной гл ав ы м ожет быть кирпичн ой или с м е таллок арк ас ом и д е р е вя н н ым и к ру ж альн ым и к ольцам и , служащими дл я креп л е н ия де ре вян но й обре ше тк и, котора я о шт укат ур ив а етс я по с тал ьн ой с е тке [1].

У дель ны й в е с т в е р до листве н но го де рев а с оставляет – 600–720 кг/м³, а металла – 7800 кг/м³, т.е. де ревя н ная гла ва з н а ч и тел ь н о ле гч е ме т алл и че ско й .

Однако для глав диаметром более 3 метров требуется дополнительный металлический каркас, который увеличивает массу изделия, поэтому монтаж такой главы требует большого количества высотных работ с использованием специальной техники [13].

Для покрытия деревянных глав используется лемех – короткие, тонкие, изогнутые по форме главы фигурные досочки, изготовленные из осины, сосны или дуба. При этом необходимо учитывать их расположение на кровле и подбирать слои таким образом, чтобы вода с кровли не затекала «навстречу» слою. Поскольку дерево подвержено гниению, то главу обрабатывают специальными пропитками, покрывают металлом, нитридом титана или сусальным золотом. Средний срок службы деревянной главы не более 10 лет.

Конструкция металлической главы храма (рис. 5). Основу конструкции составляют: опорное кольцо, центральный столб, крепящийся к кольцу подкосами, и гнутые кружала-журавцы. В зависимости от размеров главы журавцы соединяются со столбом в одном или нескольких ярусах металли-

а)

Рис. 3. Храмы Южного Урала: а) с зонтичными куполами: Собор Святой Троицы в Златоусте (1842–1930-е гг.); б) с грушевидными главами: Церковь св. Димитрия Солунского в Троицке (1873)

б)

а)

б)

Рис. 4. Конструкция деревянной главы храма (а); деревянный каркас (б)

ческими распорками. Между журавцами через 40– 50 см устраивается разреженная обрешетка из металлических полос. К ней крепится покрытие, выполненное из листов железа, выколоченных по форме главы и соединенных на фальцах. Фартук

Рис. 5. Конструкция металлической главы крепится на стальных кронштейнах с шагом около 150 мм с прикрепленной поверх полосой оцинкованной кровельной стали. Металлические элементы глав свариваются высококачественными электродами типа Э-42А. После монтажа главы все металлические элементы после очистки от ржавчины должны быть обработаны антикоррозийным составом – свинцовым суриком за 2 раза [1].

Металлическая глава является самой тяжелой: при диаметре 1,78 м ее масса составляет 880 кг, а при диаметре 3 м – более 1,5 т, поэтому монтаж такой главы требует большого количества высотных работ с использованием специальной техники.

Для покрытия металлических глав используется медь, нержавеющая или оцинкованная сталь . Листы толщиной 0,8–1 мм выполняются, как правило, в виде чешуи с пропайкой швов. Не допускается непосредственный контакт стальных конструкций глав с медным покрытием. Поскольку металл подвержен коррозии, то требуется сложная обработка, покрытие грунтовкой и краской, нитридом титана или сусальным золотом, но это обеспечивает защиту от внешних воздействий не более 10 лет. Для защиты главы от коррозионного разрушения необходимо проводить периодическое обслуживание на высоте. Средний срок службы металлического купола не более 20 лет [1, 13].

Конструкция стеклопластиковой главы храма представлена на рис. 6. Стеклопластик обладает относительно малым удельным весом, поэтому масса стеклопластиковой главы заметно ниже, чем у традиционной металлической — глава из стеклопластика диаметром 1,78 м весит около 95 кг, а диаметром 3,2 м – 530 кг. Стеклопластиковая глава не требует дополнительных усилительных металлических конструкций, поскольку стеклопластик, армированный стекловолокном, имеет достаточно высокую прочность, т. е. является самонесущим материалом. Хотя для больших глав, диаметром более 3 м, требуется установка поддерживающего металлокаркаса для креста. Стеклопластиковая глава полностью изготавливается на производственном участке, ее установка занимает один день.

Чтобы предупредить абразивный износ, на поверхность стеклопластиковой главы наносят гелькоут – специальное декоративно-защитное покрытие для композитных материалов, при этом

Рис. 6. Конструкция стеклопластикового купола с металлическим каркасом

цвет может быть выбран любой по RAL -каталогу. Гелькоутно е покрытие имеет глянцевый блеск (переливается на солнце); в его состав могут быть добавлены блестки и текстурирующие частицы; не требует дальнейшей обработки и специального ухода; защищает от внешних воздействий более 50 лет. Также стеклопластиковая глава может быть покрыта нитридом титана или сусальным золотом.

Барабаны для такой главы изготавливаются тоже из стеклопластика; при диаметре более 3 м дополнительно усиливаются, но в любом случае они достаточно легкие.

Стеклопластик имеет химически неактивну ю поверхность, т. е. высокую стойкость к агресси в ным средам и атмосферным воздействиям, поэт о му средний срок службы стеклопластиковой главы 100 лет и более [13].

Кроме того, стеклопластик обладает следующими свойствами: температурная стойкость, низкая теплопроводность, радиопрозрачность, высокие диэлектрические показатели (отсутствие электропроводности), относительно низкая стоимость производства. Отметим, что производство стеклопластиковых изделий относительно легко запустить (такое вспомогательное производство может не только значительно снизить себестоимость строительных ра- бот, но и стать отдельной статьей дохода) [14].

Преимущества стеклопластика для изготовления глав храмов перед традиционными материалами:

– стеклопластик можно изготовить любого цвета, т. е. можно сразу сделать купол с желтой подложкой под сусальное золото, при этом можно убрать промежуточные грунты, сэкономив время и материал;

– стеклопластиковую поверхность купола можно сделать идеально гладкой, а точнее полированной, ведь чем зеркальнее поверхность под золочение, тем ярче сияет золото;

– стеклопластиковая глава диаметром до 2,4 м изготавливается цельной матрицей и не имеет видимых стыков, а это значит, что не требуются доработка и шпаклевка стыков, без которых металлическая глава любых размеров не может обойтись, так как она изготавливается из листового материала [15].

Одним из примеров храма, увенчанного стеклопластиковыми барабанами, куполами и главами, является храм Иверской иконы Божией Матери в Ижевске (рис. 7). В журнале «Строительный рынок» (2014 г.) специалисты компании ООО «Крафтпласт», ответственной за возведение этого удивительно красивого объекта, делятся нюансами технологии: «Сначала специалисты разрабатывали

а)

б)

в)

г)

Рис. 7. Храм Иверской иконы Божией Матери в Ижевске: а) общий вид; б) сбор стеклопластиковых элементов на металлическом каркасе; в) декоративное убранство подчеркивает сложную форму главы; г) подкупольный барабан из стеклопластика на производстве; д) подкупольный барабан на объекте

д)

т р ехмер н ую мо д ель куп о ло в л уко в и ч но й фо р м ы , г о т о в и л и ч ер т е жи , з а тем п о ни м с п о мо щь ю т е хно л о г и и г ид р о а б р а з и в но й р ез ки и зг о т а в л ив а л и сь ка р ка сы с кр и в о ли нейны ми п о в ер хно ст ями и з мет а л л а , д а л ее со б и р а л а сь фо р м о о б р а з ующа я о снастка для модели, затем с модел и сни мал и фо р мы , в ко т о р ы х и зг о т а вл и в а л и сь с п и р а л и куп о л а и з ст е к-л о ко мп о з и т а . Д л я кажд о й ба шни о т л и в ал и 1 6 сп ир а л ей , за т ем и х со б и ра л и и г ер ме т и з и р о в ал и . П о т о й же т ех но л ог и и б ы ли из гот о в л е н ы п о д куп о л ьны е б а р а б а н ы . О ни т о ж е имеют сл ожн ую п о в ерхность и при д а ют зд а ни ю и н д и в и д уа л ьно ст ь » [12].

Исследование аэродинамических характеристик

Исследования проводились в программном комплексе Solidworks, а также дополнении к нему Flow Simulation. Для расчетов была создана упрощенная модель здания, а на вершины поставили и сравнили комплексы различных по размеру и форме глав. Высота подобных архитектурных со- оружений более 20 метров, поэтому для данной задачи было необходимо учитывать профиль ветра, ведь на высоте более ста метров разница скоростей ветра довольно значительна. Мы задали его графическим методом при скорости ветра 10 м/c. В расчетах мы получили графики скорости и давления ветра на примере самых распространенных форм глав [16–17].

В результате расчетов были получены 3-мерные графики скорости ветра и давления на главы полусферической формы (рис. 8а, 9а) и на главы луковичной формы (рис. 8б, 9б).

На изображениях давления ветра мы видим, что главы не испытывают большого давления по сравнению с фасадом, а на изображениях скорости ветра наблюдаем сильные вихри лишь с главой луковичной формы.

Попробуем немного изменить задачу и возьмем более сложную модель с колокольней, чтобы проанализировать, повлияет ли подобный элемент на давление ветра на главу [18–20].

Рис. 8. Скорость ветра: а) полусферический купол; б) луковичная глава

Таким образом, аэродинамические характеристики глав церквей вполне благоприятные, так как они имеют обтекаемую форму (рис. 10, 11). Но при строительстве целой композиции глав нужно рассчитывать конструкцию, чтобы в итоге получить минимум завихрений, чтобы снизить нагрузку. Также необходимо учитывать возможное возникновение опрокидывающего момента главы при

а)                                                 б)

Рис. 9. Давление ветра: а) полусферический купол; б) луковичная глава

Рис. 10. Скорость ветра

Рис. 11. Давление ветра

малом весе конструкции, что обуславливает необходимость исследований на ветровые нагрузки.

Следовательно, строить главы можно и из стеклопластика, который дешевле для производства, довольно прочен и долговечен. Это значительно упростит задачу строительства и реконструкции глав архитектурных объектов.

Практическая значимость работы заключается в исследовании влияния аэродинамики на разные формы глав, сравнении давления ветра на них, определении формы главы, наиболее подходящей для реставрации старинных церквей с ослабленной способностью несущих стен, определения опрокидывающего момента и способа крепления главы.

Выводы

Стеклопластик наилучшим образом подходит для изготовления глав культовых памятников архитектуры по ряду причин:

• 1.    Декоративные свойства стеклопластика, а также способность принимать любую архитектурную форму позволяют следовать церковным требованиям и церковной традиции.

• 2.    Покрытие стеклопластиковой главы гелькоутом не только обеспечивает защиту от внешних воздействий более 50 лет, не требуя при этом дальнейшей обработки и специального ухода, но и выполняет декоративно-эстетическую функцию.

• 3.    Легкость конструкции главы из стеклопластика, а также длительный срок службы имеют немаловажное значение при реставрации старинных церквей с ослабленной несущей способностью стен.

При этом легкость конструкции главы из стеклопластика обуславливает необходимость дополнительных расчетов на ветровое воздействие из-за возможного опрокидывания. По результатам расчетов могут быть разработаны дополнительные меры по креплению главы к основанию.