Шухов В. Г. — разработчик цилиндрических резервуаров
Владимир Григорьевич Шухов родился 16 (28) августа 1853 года в городке Грайворон Курской губернии. Его отец был директором местного филиала Петербургского государственного банка. Владимир окончил школу в Петербурге и в 1871 году поступил в Императорское московское техническое училище в Москве (ныне Московский государственный технический университет – МГТУ). Оно отличалось прогрессивной учебной программой и высоким уровнем преподавания, и прежде всего в области математики и механики. Кроме того, его особенностью была тесная связь теории с практикой, осуществлявшаяся помимо прочего в процессе основательного профессионального обучения в различных технологических мастерских. Знания, полученные в Императорском московском техническом училище (ИМТУ), стали для Шухова основой его будущих научных и практических работ. Всю свою дальнейшую жизнь он был связан с ИМТУ. Институтское «Политехническое общество» присвоило ему в 1903 году звание Почётного члена и опубликовало несколько его работ.
В 1876 году Шухов с отличием окончил ИМТУ, получив диплом инженера-механика. Уже тогда он обращал на себя внимание выдающимися способностями. По окончании учебы молодому специалисту было предложено место ассистента у знаменитого математика Пафнутия Чебышёва. Кроме того, руководство училища предложило ему сопровождать одного из преподавателей в поездке по Америке. Шухов отклонил предложение, связанное с научной карьерой, и принял участие в поездке, целью которой был сбор информации о последних технических достижениях США. Шухов побывал на Всемирной выставке в Филадельфии, где его привели в восторг многочисленные технические новинки. Шухов посетил также машиностроительные заводы в Питтсбурге и изучил организацию американского железнодорожного транспорта.
Вернувшись из Америки в Петербург, Шухов становится проектировщиком паровозных депо железнодорожного общества Варшава — Вена. Спустя два года (1878 г.) Шухов перешёл на работу в фирму инженера-предпринимателя Александа Бари, с которым познакомился во время поездки в США. Шухов переехал в Баку, где фирма Бари вела строительные и инженерные работы на нефтяных месторождениях. Здесь проявилась его удивительная творческая энергия. Шухов стал автором проекта и главным инженером строительства первого нефтепровода в России длиной в 10 км. Заказчиком был финансовый гигант — фирма «Братья Нобель». Второй нефтепровод он спроектировал в следующем году, а первый в мире трубопровод для предварительно подогретого мазута был построен им немного позже. Наряду с большими работами по проектированию и строительству упомянутых здесь и последующих нефтепроводов Шухову приходилось решать задачи, возникавшие при добыче, транспортировке и переработке нефти. Вся техника для добычи и переработки нефти была в то время крайне примитивной. Добытая нефть хранилась в открытых котлованах и транспортировалась в бочках на телегах и пароходами. Из нефти получали только керосин, используемый для освещения. Мазут и бензин в то время являлись промышленными отходами, получаемыми в процессе перегонки нефти в керосин. Мазут как топливо не использовался, ввиду отсутствия эффективной технологии его сжигания, и загрязнял окружающую среду, накапливаясь в многочисленных котлованах. Бензин, получавшийся в процессе производства керосина, просто улетучивался. Бензиновый двигатель был изобретен лишь в 1883 году. Территории нефтяных месторождений были отравлены нефтью и мазутом, просочившимися в почву из котлованов.
В 1878 году Шухов разработал оригинальную конструкцию цилиндрического металлического резервуара для хранения нефти. Через год нефть перестали хранить в котлованах. В 1879 году он запатентовал форсунку для сжигания мазута. После внедрения форсунки Шухова мазут стали использовать как топливо. Менделеев опубликовал изображение форсунки Шухова на обложке своей книги “Основы фабрично-заводской промышленности”(1897г.) и высоко оценил вклад Шухова в использование мазута, как топлива. В последующие годы были сделаны многочисленные новые разработки, в том числе созданы различные насосы для подъема нефти из скважин, изобретён эрлифт (газлифт), выполнено проектирование и строительство нефтеналивных судов и установок для дробной перегонки нефти. Была спроектирована первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга нефти (патент Российской империи №12926 от 27 ноября 1891 года). Шухов стал автором и главным инженером проектов первых российских магистральных нефтепроводов: Баку-Батуми (883 км, 1907г.) и позднее Грозный-Туапсе (618 км, 1928г.). Таким образом, Шухов внес значительный вклад в развитие русской нефтяной промышленности.
В 1880 году Шухов стал главным инженером конструкторского бюро Бари в Москве. Было сооружено уже 130 нефтяных резервуаров, а к 1917 году их было построено свыше 20 тысяч. Это были первые экономичные металлические емкости такого рода вообще. Вместо применявшихся в то время в США и других странах тяжелых прямоугольных хранилищ Шухов разработал укладываемые на песчаную подушку цилиндрические резервуары с тонким днищем и ступенчатой толщиной стенок, благодаря чему резко сокращался расход материала. Этот принцип конструкции сохранился и до наших дней. Все резервуары соответствовали определенному стандарту, их оборудование было унифицировано. Позднее было налажено серийное производство аналогичных резервуаров для воды, кислот и спирта, а также строительство силосных элеваторов.
В дополнение к своему бюро Бари открывает в Москве завод по производству паровых котлов, а в скором времени возникают филиалы фирмы в крупнейших городах, так что фирма охватила своей деятельностью значительную территорию России. Шухов изобрел новый водотрубный котел в горизонтальном и вертикальном исполнении (патенты Российской империи № 15 434 и № 15 435 от 27 июня 1896 года). В 1900 году паровые котлы были отмечены высокой наградой — на Всемирной выставке в Париже Шухов получил золотую медаль. По патентам Шухова до и после революции были произведены тысячи паровых котлов.
Шухов примерно с 1885 г. начал строить первые русские танкеры (первый немецкий океанский танкер водоизмещением 3000 т был построен в 1886 г.). Шухов спроектировал нефтеналивные баржи, которые имели наиболее приспособленную для течений форму, а также очень длинную и плоскую конструкцию корпуса. Монтаж осуществлялся точно запланированными этапами с использованием стандартизированных секций на верфях в Царицыне (Волгоград) и Саратове.
Когда в 1886 г. в связи с созданием в Москве системы водопровода был объявлен конкурс, фирма Бари приняла в нем участие. Еще до этого Шухов, используя свой опыт в сооружении резервуаров и трубопроводов и применив новые модификации насосов, проложил водопровод в Тамбове. На основе обширных геологических исследований Шухов вместе со своими сотрудниками в течение трех лет составил проект новой системы водоснабжения Москвы.
С 1890 года Шухов занимается решением новых задач в строительном деле, не оставляя, однако, без внимания и другие исключительно разнообразные области своей деятельности. Фирма Бари приняла участие в создании сети российских железных дорог, начав с возведения мостов. Позднее было получено много других строительных заказов. В 1892 году Шухов построил свои первые железнодорожные мосты. В последующие годы по его проектам было сооружено 417 мостов на различных железнодорожных линиях. Чтобы справиться с таким объемом работ, организовать срочное проектирование и экономичное строительство, Шухов опять выбирает путь стандартизации. Многие из разработанных Шуховым методов производства и монтажа были впервые опробованы в мостостроении.
Одновременно со строительством мостов Шухов приступает к разработке конструкций перекрытий. При этом он преследовал цель найти системы конструкций, которые можно было бы изготовить и построить с минимальными затратами материала, труда и времени. Шухову удалось спроектировать и практически реализовать конструкции самых различных покрытий, отличающихся такой принципиальной новизной, что только этого ему было бы достаточно, чтобы занять особое, почетное место среди знаменитых инженеров-строителей того времени. До 1890 г. Шуховым были созданы исключительно легкие арочные конструкции с тонкими наклонными затяжками. И сегодня эти арки служат в качестве несущих элементов стеклянных сводов над крупнейшими московскими магазинами: ГУМом (бывшие Верхние торговые ряды) и Петровским пассажем.
В 1895 году Шухов подал заявку на получение патента по сетчатым покрытиям в виде оболочек. При этом имелись в виду сетки из полосовой и уголковой стали с ромбовидными ячейками. Из них изготавливались большепролетные легкие висячие покрытия и сетчатые своды. Разработка этих сетчатых покрытий ознаменовала собой создание совершенно нового типа несущей конструкции. Шухов впервые придал висячему покрытию законченную форму пространственной конструкции, которая была вновь использована лишь спустя десятилетия. Даже по сравнению с высокоразвитой к тому времени конструкцией металлических сводов его сетчатые своды, образованные только из одного типа стержневого элемента, представляли собой значительный шаг вперед. Христиан Шедлих в своем основополагающем исследовании металлических строительных конструкций XIX века в связи с этим отмечает следующее: “Конструкции Шухова завершают усилия инженеров XIX столетия в создании оригинальной металлической конструкции и одновременно указывают путь далеко в XX век. Они знаменуют собой значительный прогресс: опирающаяся на основные и вспомогательные элементы стержневая решетка традиционных для того времени пространственных ферм была заменена сетью равноценных конструктивных элементов” (Schadlich Ch., Das Eisen in der Architektur des 19.Jhdt., Habilitationsschrift, Weimar, 1967, S.104). После первых опытных построек (два сетчатых свода в 1890 г., висячее покрытие в 1894 г.) Шухов во время Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде в 1896 году впервые представил на суд общественности свои новые конструкции перекрытий. Фирма Бари построила в общей сложности восемь выставочных павильонов достаточно внушительных размеров. Четыре павильона были с висячими покрытиями, четыре других — с цилиндрическими сетчатыми сводами. Кроме того, один из залов с сетчатым висячим покрытием имел в центре висячее покрытие из тонкой жести (мембрану), чего никогда раньше в строительстве не применялось. Кроме этих павильонов были построены водонапорная башня, в которой Шухов перенес свою сетку на вертикальную решетчатую конструкцию гиперболоидной формы.
Сооружения получили широкий резонанс, даже в зарубежной прессе подробно сообщалось о шуховских конструкциях (“The Nijni-Novgorod exhibition: Water tower, room under construction, springing of 91 feet span”, The Engineer, London, 83, 1897, 19.3. – P. 292-294). Удивление вызывало высокое техническое совершенство сооружений. Сохранившиеся фотоснимки демонстрируют довольно неприметные по внешнему виду сооружения. Однако внутренние помещения под взметнувшейся ввысь сетью висячих перекрытий, под филигранными сетчатыми сводами различной длины выглядят исключительно эффектно. Откровенность, с которой демонстрируются металлические каркасные опоры и несущие конструкции, усиливает для сегодняшнего зрителя эстетическую привлекательность этой архитектуры. Поражает уверенность в обращении с новыми, необычными строительными формами, связанная со способностью создавать разнообразную просматривающуюся последовательность помещений с просветами, используя одинаковые строительные элементы. Впоследствии большинство выставочных сооружений были проданы. Успехом на выставке наверняка можно объяснить и то, что Шухов в последующие годы получил множество заказов на строительство фабричных цехов, железнодорожных крытых перронов и водонапорных башен. Кроме того, московские архитекторы все чаще стали привлекать его для проектирования строительных объектов. Сетчатые своды были использованы в целом ряде случаев как покрытия залов и цехов. В 1897 году Шухов построил для металлургического завода в Выксе цех с пространственно изогнутыми сетчатыми оболочками, что по сравнению с обычными сводами одинарной кривизны означало значительное конструктивное улучшение. Эта смелая конструкция перекрытия, ранний предшественник современных сетчатых оболочек, к счастью, сохранилась в маленьком провинциальном городке до сих пор.
Самый большой коммерческий успех имела выставленная в Нижнем Новгороде конструкция башни в форме гиперболоида. Это изобретение Шухов запатентовал незадолго до открытия выставки. Оболочка вращения гиперболоида явилась совершенно новой, никогда раньше не применявшейся строительной формой. Она позволила создать пространственно изогнутую сетчатую поверхность из прямых, наклонно установленных стержней. В итоге получилась легкая, жесткая конструкция башни, которую можно просто и изящно рассчитать и построить. Нижегородская водонапорная башня несла на высоте 25,60 м бак вместимостью 114 000 л для снабжения водой всей территории выставки. На баке находилась площадка для обозрения, на которую можно было подняться по винтовой лестнице внутри башни. Эта первая гиперболоидная башня осталась одним из самых красивых строительных сооружений Шухова. Она была продана богатому помещику Нечаеву-Мальцеву, который установил ее в своем поместье Полибино под Липецком. Башня стоит там и сегодня. Молниеносно выросший спрос на водонапорные башни вследствие ускоренной индустриализации принес фирме Бари множество заказов. По сравнению с обычными шуховская сетчатая башня в отношении техники строительства была удобнее и дешевле. Сотни водонапорных башен были строектированы и построены Шуховым по этому принципу. Большое количество башен привело к частичной типизации общей конструкции и ее отдельных элементов (резервуары, лестницы). Тем не менее эти серийно изготавливаемые башни демонстрируют поразительное разнообразие форм. Шухов с нескрываемым удовольствием использовал свойство гиперболоида принимать самые разные формы, например изменяя положение раскосов или диаметры верхнего и нижнего краев.
И каждая башня имела свой, отличный от других внешений вид и свою несущую способность. Сложная, в том числе и в конструктивном отношении, задача, заключающаяся в том, чтобы установить тяжелые баки на необходимой в каждом конкретном случае высоте, зрительно не подавив при этом предельно легкую конструкцию, всегда решалась с удивительным ощущением формы. Наибольшую высоту среди гиперболоидных башен такого типа имеет башня Аджигольского маяка — 68 метров. Это прекрасное сооружение сохранилось и находится в 80 километрах к юго-западу от Херсона.
Для Московского Главного почтамта, построенного в 1912 году, Шухов спроектировал стеклянное покрытие операционного зала с верхним светом. Он изобрел для этого горизонтальную (ровную) пространственную ферму, которую можно рассматривать как предшественницу разработанных в сороковых годах К.Ваксманом и М.Менгерингхаузеном пространственных ферм из бесшовных труб.
Шухов всегда находил время изучать русскую и зарубежную специальную литературу, поддерживать активный обмен мнениями с коллегами, а также предаваться своему страстному увлечению — фотографии.
С 1910 г. фирма Бари начала выполнять и военные заказы. Шухов и участвовал в разработке морских мин, платформ для тяжелых орудий и батопортов морских доков.
Последней значительной работой, выполненной Шуховым до революции, был дебаркадер Киевского (тогда Брянского) вокзала в Москве (1912—1917 гг., ширина пролета — 48 м, высота — 30 м, длина — 230 м). Проект всего вокзального сооружения принадлежал Ивану Рербергу. Шухов использовал исключительно рациональную технику монтажа. Весь процесс монтажа был зафиксирован в фотодокументации. Аналогичный проект Шухова для трехпролётного покрытия над путями и перекрытия пассажирского зала Казанского вокзала (арх. А. Щусев, 1913—1926 гг.) остался неосуществленным.
После революции 1917 г. положение в России кардинально изменилось. Бари эмигрировали в Америку. Фирма и завод были национализированы, рабочие избрали главного инженера Шухова руководителем фирмы. В возрасте 61 года Шухов оказался совершенно в новой ситуации. Строительная контора Бари была преобразована в организацию «Стальмост» (в настоящее время это научно-исследовательский проектный институт “ЦНИИ Проектстальконструкция”). Завод паровых котлов Бари переименовали в “Парострой” (ныне его территория и сохранившиеся конструкции Шухова входят в состав завода “Динамо”). В 1917—1918 гг. были построены и изготовлены различного рода резервуары, перекрытия, мостовые конструкции, буровые скважины и трубопроводы, гиперболоидные водонапорные башни, газгольдеры, опоры магистральных трубопроводов, краны и многое другое.
Один из самых главных строительных заказов Шухов получил вскоре после образования Советской России: сооружение башни для радиостанции на Шаболовке в Москве. Уже в феврале 1919 года Шухов представил первоначальный проект и расчет башни высотой 350 метров. Однако для такой высокой конструкции в стране не было необходимого количества металла. В июле того же года Ленин подписал Постановление Совета рабоче-крестьянской обороны, в котором было предусмотрено строительство уменьшенного, 150-метрового варианта этой башни. Ленин позаботился о том, чтобы из запасов военного ведомства был выдан требуемый металл. Уже поздней осенью 1919 года начались строительные работы.
Башня явилась дальнейшей модификацией сетчатых гиперболоидных конструкций и состояла из шести блоков соответствующей формы. Этот тип конструкции позволил осуществить строительство башни оригинальным, удивительно простым «телескопическим» методом монтажа. Внутри нижней опорной секции башни на земле монтировались элементы последующих блоков. С помощью пяти простых деревянных кранов, которые в процессе строительства башни всегда находились на верхней секции, блоки один за другим поднимались наверх. В середине марта 1922 года башня радиостанции была сдана в эксплуатацию. Эта невероятно легкая, ажурная башня с деталями, подкупающими своей простотой и своеобразной формой, является образцом блестящей конструкции и верхом строительного искусства.
Сооружение башни Шухова вызывало всеобщий восторг. Алексей Толстой, вдохновленный строительством башни, создаёт роман “Гиперболоид инженера Гарина”(1926 г.).
Девять лет спустя Шухов превзошел эту башенную конструкцию, построив три пары сетчатых многоярусных гиперболоидных опор перехода через Оку ЛЭП НИГРЭС под Нижним Новгородом. Их высота была 20, 69 и 128 метров, длина перехода — 1800 метров. И хотя опоры должны были выдерживать вес многотонных электропроводов с учетом намерзания льда, их конструкция еще более легкая и элегантная, а ступенчатое изменение сетчатых структур снизу вверх следует определенным правилам. Этот значительный памятник технической мысли сооружен на реке Оке в стороне от главных магистралей.
В 1924 г. одна американская делегация, посетив Москву, нанесла визит Шухову. За несколько лет до этого визита американская фирма “Синклер Ойл” опротестовала единоличное право, присвоенное рокфеллеровским концерном “Страндарт Ойл”, на открытие крекинга нефти. Она указывала на то, что используемый концерном “Стандарт Ойл” патент американского инженера Бартона является видоизмененным патентом Шухова. Делегация приехала, чтобы проверить это утверждение. Шухов доказал американцам, что метод Бартона в действительности есть лишь незначительно измененная модификация его патентов 1891 года. В связи с этим в Америке началась длинная цепь судебных процессов. В конце концов она закончилась заключением мирового соглашения между американскими фирмами, чтобы избежать необходимости покупать патент у молодого Советского государства.
В возрасте 79 лет Шухов стал свидетелем осуществления разработанного им еще в молодости проекта полной переработки нефти. В его присутствии в Баку в 1932 году был пущен в эксплуатацию завод “Советский крекинг”. В первые недели ее работы Шухов сам следил за ходом производства.
В эти годы Шухов принимал активное участие в научной и политической жизни советской республики. С 1918 года он был членом Государственного комитета нефтяной промышленности, а в 1927 году стал членом советского правительства. В 1928 году Шухов был избран членом-корреспондентом Российской Академии наук, а в 1929 г. стал почетным членом АН СССР. В том же году он становится членом Московского городского совета. В последние годы жизни Владимир Григорьевич вел уединенный образ жизни и принимал только друзей и старых товарищей по работе. В феврале 1939 году Шухов умер и был похоронен в Москве, на Новодевичьем кладбище.
Последней работой Шухова в области строительной техники стало сохранение архитектурного памятника. Минарет знаменитого медресе Улугбека в Самарканде, сооружение которого относится к XV в., накренился после землетрясения, так что создалась угроза его падения. Шухов представил необычный проект. С его помощью башня на своеобразном коромысле конструкции Шухова была выправлена и выведена в состояние равновесия. Эта тяжелая работа была успешно выполнена не только по проекту Шухова, но и под его руководством. Остается лишь пожелать, чтобы сооружения выдающегося инженера восстанавливали и сохраняли с такой же тщательностью и с таким же умением.