Выбор стен для строительства храма

Наиболее полно история строительства в XIX веке Храма во имя Христа Спасителя изложена в книге М. С. Мостовского "История Храма Христа Спасителя в Москве". Храм был заложен в 1838 г. и освящен в 1883 г. Возведение самого здания от устройства фундамента до окончания кладочных работ продолжалось 16 лет с 1838 по 1854 г., при этом свод главного купола был окончен в 1849 г. Наружные отделочные работы продолжались до 1860 гг., когда были убраны леса. Внутренние штукатурные работы велись с 1859 до 1871 г. При этом штукатурка свода и пояса главного купола была выполнена в течение 1859-1860 г. Несмотря на то, что от окончания кладочных и до начала штукатурных работ прошло 5-10 лет, кирпичные стены не были достаточно сухими и на отдельных внутренних поверхностях в частности, на своде и барабане главного купола штукатурку пришлось выполнять на относе (то есть между конструкцией и штукатуркой имелась воздушная прослойка).

При строительстве был использован ряд новых для того времени технологий. В частности, стены снаружи были частично оштукатурены "портландским цементом" и выкрашены под цвет мрамора. При этом имелось в виду, "что облицовка мрамором представляет менее прочности, чем штукатурка цементом". В стенах были размещены ливнестоки и элементы системы отопления. С гордостью отмечается, что штукатурка "относным способом" "внутри Храма представляет замечательную работу по способу ее исполнения". "... в просверленныя в кирпичной стене дыры вколачивали деревянные пробки, а в них вбивались железные луженые костыли, которые, в свою очередь, переплетались луженой проволокой в виде сети; затем эта сеть перевивалась пенькой так, что образовалась совершенно новая почва. Раствор цемента набрасывался на эту сетчатую поверхность и представлял совершенно отдельный слой, твердый как камень, отделенный от стены пустым пространством шириною до 1 1/2 вершка (около 7 см) для тока воздуха. Очевидно, что при таком способе, сырость стен, как бы она ни была велика, не могла уже передаваться штукатурке и вредить живописи". В то время еще не знали, что устройство вентилируемой воздушной прослойки с внутренней стороны стены является ошибкой. Температура поверхности стены в воздушной прослойке зимой заметно ниже, чем могла бы быть, если бы прослойки не было. Это объясняется отсутствием лучистого теплообмена этой поверхности с внутренними поверхностями в отапливаемом помещении. В то же время внутренний воздух обладает значительной влажностью, и при попадании его в прослойку часть влаги может конденсироваться на поверхности стен, если ее температура окажется ниже точки росы. Таким образом, на поверхности в воздушной прослойке может систематически появляться влага.

В 1918 г., спустя 35 лет после освящения Храма, были отмечены повреждения наружной и внутренней штукатурки стен. Главной причиной этих повреждений была неудачная система отопления, которая переделывалась три раза. Реконструкцию системы отопления готовились осуществить в 1910 г., были выполнены расчеты новой системы отопления, причем в пояснительной записке к этим расчетам были указаны многочисленные повреждения живописи вследствие разрушения штукатурки и появления следов металлической сетки (по-видимому, в результате коррозии), по которой была выполнена штукатурка на относе. По свидетельству современников в 1920-е годы система отопления Храма не была восстановлена, и он отапливался недостаточно. На полу скапливалась вода, что приводило к повышенной влажности воздуха. Повреждения росписи вызывались также использованием свечного освещения. Электрическое освещение в Храме так и не появилось. Таким образом, есть свидетельства не вполне удачных решений наружных ограждающих конструкций здания - как в теплотехническом отношении, так и в плане обеспечения долговечности, что должно было быть учтено при воссоздании.

Так как была поставлена задача освящения Храма во имя Христа Спасителя в 1997 г., предусматривалось окончание к этому сроку основных строительных и большей части отделочных работ. Начаты же строительные работы были в самом конце 1994 - начале 1995 года. Чрезвычайно сжатые сроки строительства добавили новые требования к ограждениям здания (одними из основных были теплотехнические) как в части их конструктивных решений, так и в части технологии производства работ. Теплотехнические проблемы, связанные с конструкцией стен, рассматривались как в начале проектных работ, так и в процессе их выполнения в виде научного сопровождения и обоснования принимаемых решений.

Храм является одним из главных православных соборов России. Поэтому предполагалось, что в нем в большом количестве будут находиться предметы, представляющие историческую и художественную ценность. По имеющимся данным оптимальными условиями для сохранности картин, выполненных масляной краской по холсту, являются температура 19 + 1шС и относительная влажность воздуха 50-55%. Для сохранности икон - температура 19 +1 шС и относительная влажность воздуха 57%. Система кондиционирования здания должна была бы круглогодично обеспечивать эти параметры внутреннего воздуха. Однако во время служб, особенно по православным праздникам при большом количестве людей, находящихся в Храме, указанные условия будут нарушаться. Кроме того, невозможно требовать поддержания температурно-влажностных параметров с указанной точностью в помещении такого объема. Несмотря на то, что данные параметры температурно-влажностного режима воздуха в помещении являлись ориентиром при проведении теплотехнических расчетов, предполагалось, что они не будут соблюдаться в процессе эксплуатации, а влажность воздуха в здании будет поддерживаться на более низком уровне.

Стены Храма имеют высоту 40 м и толщину в нижней части до 3 м, а начиная с отметки по высоте 6 м - 2.40 м. С наружной стороны предполагалось устройство облицовки из камня на относе. На высоте 6.5-7.5 м с наружной стороны к стенам должны были крепиться металлические элементы архитектурного оформления. С внутренней стороны предполагалась отделка камнем и оштукатуривание стен с последующей росписью.

При анализе различных конструктивных решений стен учитывался ряд требований, которым должны удовлетворять эти решения (проектирование выполнялось Моспроектом-2 под руководством гл. архитектора проекта воссоздания Храма М. М. Посохина и гл. инженера В. И. Фадеева). Среди требований, затрагивающих теплотехнические аспекты, можно отметить общие, предъявляемые к любым конструкциям зданий и сооружений, и специальные, предъявляемые к стенам зданий под роспись, а некоторые требования являлись специфическими именно для этого объекта.

Был рассмотрен ряд возможных конструктивных решений. Все предложенные варианты конструкции интересны с точки зрения истории строительства этого уникального сооружения. Варианты стеновых конструкций анализировались с различных точек зрения, но с разной степенью полноты.

Все предложенные варианты можно разделить на две группы:

А) стены, выполняемые полностью из кирпича;

Б) стены комбинированной конструкции - железобетон и кирпич, возможно, с применением теплоизоляционных материалов.

Стены, выполненные полностью из кирпича, имеют ряд достоинств:

- возможность выполнения стены практически любых форм;

- на стене из кирпичной кладки можно легко закрепить любые элементы отделки, в том числе каменные детали, стена легко оштукатуривается;

- кирпичная кладка традиционно применялась при строительстве церквей и хорошо себя зарекомендовала по параметрам влажностного режима и долговечности;

- отсутствие разнородных материалов исключает возможность неравномерных деформаций стены.

Наиболее приемлемой представляется следующая конструкция из кирпича: внутренняя часть стены толщиной 1.5 кирпича (380 мм), воздушная прослойка (полость) толщиной около 1.20 м и наружная часть толщиной 3 кирпича (770 мм) и более в зависимости от общей толщины стены. Наружная часть стены выполняется с вертикальными ребрами жесткости (также из кирпича), направленными в сторону внутренней части и доходящими до нее; внутренняя часть стены соединена с ребрами жесткости при помощи стальных гибких связей. Наружная часть стены является несущей, внутренняя - самонесущей. Недостатком конструкции является то, что внутренняя часть стены - более паропроницаемая, чем наружная, что должно замедлять сушку конструкции в начальный период.

Российской академией архитектуры и строительных наук (РААСН) было предложено конструктивное решение, свободное от этого недостатка: внутренняя часть стены, как и наружная, имеет толщину 3 кирпича (770 мм), обеспечивается естественная вентиляция воздушной прослойки наружным воздухом путем устройства в наружной стене отверстий. При этом также наружная часть стены является несущей, внутренняя - самонесущей. Наружная часть стены практически не предназначается для выполнения теплозащитных функций, эта роль полностью перекладывается на внутреннюю часть. Хотя с точки зрения теплотехники это решение несколько лучше, оно представляется менее выгодным с других позиций: больший расход кирпича, нерациональная работа наружной части стены, прокладка воздуховодов в среде холодного наружного воздуха.

В одном из вариантов предусматривалось выполнять кирпичную кладку наружных стен с лицевой поверхностью полностью из тесаного белого камня. Эта конструкция не была принята из-за невозможности наладить в заданные сроки поставку фактурного камня требуемых профилей.

Неприемлемость строительства стен Храма полностью из кирпича была обусловлена следующими причинами:

- необходимость изготовить большое количество высокомарочного кирпича за короткий срок, что проблематично;

- пилоны, которые несут барабан и свод главного купола, должны были быть выполнены из монолитного железобетона (что обусловлено большой нагрузкой), кровля здания имеет опирание частично на пилоны, а частично на наружные стены, поэтому представлялось целесообразным выполнение несущих конструкций пилонов и стен из одного и того же материала;

- выполнение наружных стен из кирпича требовало сравнительно большого времени и сделало бы невозможным производство последующих этапов строительства до окончания кладки стен, в результате чего заданные сроки строительства не были бы выдержаны.

Одной из первых была рассмотрена стена комбинированной конструкции: несущая часть конструкции выполняется из двух параллельных стенок из монолитного железобетона толщиной 250 мм каждая, стенки соединены между собой горизонтальными и вертикальными диафрагмами, между стенками образуется воздушная прослойка. Со стороны, обращенной внутрь Храма, выполняется кирпичная кладка толщиной в 2 кирпича (510 мм), с наружной стороны к несущей части примыкает слой теплоизоляционного материала, затем кирпичная кладка толщиной не менее чем в 2 кирпича и - облицовка камнем. Соединение кирпичных и бетонных частей конструкции должно осуществляться при помощи специально образуемых выступов на бетонной части конструкции, заходящих в кирпичную кладку.

При анализе этого конструктивного решения прежде всего было предложено заменить жесткое соединение бетонной и кирпичных частей конструкции соединением при помощи стальных гибких связей из-за возможности различных деформаций этих частей конструкции. Далее исключили слой теплоизоляционного материала, поскольку существующие эффективные теплоизоляционные материалы не обладают требуемой долговечностью, а при вынужденном (из других соображений) применении кирпичной кладки в конструкции можно добиться требуемых теплозащитных свойств, не прибегая к использованию других материалов.

Это конструктивное решение трансформировалось в следующее: несущая часть конструкции в виде двух параллельных стенок из монолитного железобетона толщиной 250 мм каждая, стенки соединены между собой горизонтальными и вертикальными диафрагмами. Между стенками образуется воздушная прослойка толщиной около 0.65 м (выше отметки 6 м), со стороны, обращенной внутрь Храма выполняется кирпичная кладка толщиной в 1.5 кирпича (380 мм), с наружной стороны к несущей части примыкает кирпичная кладка толщиной не менее чем в 3 кирпича (770 мм), затем - облицовка камнем. Внутренняя и наружная кирпичные стенки должны быть соединены с бетонным ядром конструкции стальными гибкими связями.

Данное решение было признано неприемлемым, поскольку оказалось невозможным произвести распалубку бетонной части конструкции в прослойке, толщина которой около 0.65 м. Кроме того, в такой прослойке сложно (а может быть и вообще нельзя) смонтировать воздуховоды.

Последнее обстоятельство инициировало разработку других вариантов конструктивного решения стены. Наиболее перспективным из них оказалось предложение, согласно которому несущая железобетонная часть конструкции трансформирована, по сравнению с предыдущим вариантом, в одну железобетонную стенку (которая расположена ближе к наружной поверхности) с вертикальными ребрами, которые также предназначены для восприятия нагрузки. При этом толщина воздушной прослойки увеличилась примерно до 0.90 м, исчезали проблемы с опалубкой и монтажом воздуховодов. Недостатком этой конструкции было то, что бетонная стенка несущей части конструкции является мощным пароизоляционным слоем и может не только значительно затруднить сушку конструкции в начальный период, но и препятствовать установлению удовлетворительного влажностного режима при эксплуатации здания Храма. Эта конструкция не соответствовала канонам, установившимся в строительной теплофизике, согласно которым нельзя располагать замкнутую воздушную прослойку вблизи внутренней поверхности конструкции, да еще устраивать за ней пароизоляционный слой. Тем не менее, этот вариант послужил основой для дальнейшего совершенствования конструкции.

Попыткой уйти от опасности скопления влаги в воздушной прослойке конструкции было предложение как бы развернуть несущую железобетонную стену ребрами жесткости наружу. При этом железобетонная стенка получалась расположенной вплотную к внутренней кирпичной стенке, что препятствовало прохождению пара из внутреннего воздуха в воздушную прослойку. По другую сторону железобетонной стенки - со стороны воздушной прослойки - предусматривался слой теплоизоляционного материала (предположительно крупнопористого керамзитобетона). Железобетонные ребра жесткости предлагалось выполнить в виде рамной конструкции, для уменьшения мостиков холода. Данное решение оказалось неприемлемым из-за чрезвычайной сложности монтажа воздуховодов в стене, который должен был осуществляться снаружи.

Наиболее удачным было признано предложение усовершенствовать последнюю конструкцию стены путем устройства в монолитной железобетонной стенке "окон" большой площади. При этом стенка превращается как бы в железобетонный каркас. Толщина ребер жесткости увеличивается, и основную нагрузку несут именно они. Трансформация железобетонной стенки в каркас значительно улучшила перспективу высыхания конструкции и существенно снизила вероятность влагонакопления в воздушной прослойке. Этот вариант и был принят за основу при проектировании.

Внутренняя часть стеновой конструкции представляет собой стенку, выполненную из кирпичной кладки толщиной в 1.5-2 кирпича. Наружная часть-стенку, выполненную из кирпичной кладки толщиной не менее чем в 2.5-3 кирпича. Внутренняя и наружная части соединены подвижными металлическими тягами с железобетонными колоннами, расположенными в воздушной полости между этими частями. Железобетонные колонны выполнены монолитным способом вместе с железобетонными балками, соединяющими колонны друг с другом. Наружная часть стеновой конструкции облицована с наружной стороны природным мрамором на относе. Внутренняя часть облицована камнем, а выше отметки 12 м - оштукатурена. Для обеспечения свободного доступа воздуха ко всей поверхности наружной кирпичной стенки она должна отстоять от железобетонной несущей конструкции не менее чем на 5 см.

В воздушных полостях, ширина которых достигает 1.20 м, располагаются воздуховоды системы отопления Храма и ливнестоки. При возведении внутренней кирпичной стенки особое внимание обращалось на максимальное снижение ее паропроницаемости: были тщательно зачеканены все щели, с внутренней стороны осуществлена плотная штукатурка.

Поскольку данная конструкция не является вполне традиционной, необходимо было провести тщательное теплотехническое исследование. В НИИ строительной физики были проведены расчеты ее влажностного состояния, нестационарного температурного режима и совместности деформаций ее разнородных частей.

Температура на внутренней поверхности конструкции даже при сильном и длительном похолодании будет превышать точку росы внутреннего воздуха. То есть конденсат на внутренней поверхности стены выпадать не будет.

Если выполнение внутренней кирпичной стенки окажется таким, что позволит водяному пару из внутреннего воздуха свободно проникать в воздушную полость, то в ней возможно выпадение конденсата в течение всей зимы, прежде всего на поверхности наружной кирпичной стенки. Чтобы полностью исключить эту возможность, было рекомендовано понизить относительную влажность внутреннего воздуха в помещении Храма в зимнее время до 35-40%.

Расчеты нестационарного влажностного режима ограждающей конструкции показали, что внутренняя часть ограждающей конструкции высыхает в течение одного - двух лет отопления здания, сушка наружной части ограждающей конструкции происходит с меньшей скоростью и только при условии отсутствия источников влаги в ограждающей конструкции (например, влаги, содержащейся в бетонном каркасе). Аналитические исследования влажностного режима ограждающей конструкции позволили определить мероприятия по обеспечению ее нормальной работы.

Не удалось полностью избежать воздушных прослоек между штукатуркой с росписью и несущей конструкцией. Такая прослойка получилась на своде главного купола. Для ее возможной вентиляции были предусмотрены клапаны, которые могут открываться и закрываться. Клапаны находятся в центре свода и на них нанесена роспись, так что снизу они не видны. Вентиляция воздушной прослойки летом (при открытых клапанах) и ее прекращение зимой (при закрытых клапанах) предотвратят увлажнение.

При проектировании и возведении Храма были приняты меры, позволяющие повысить долговечность конструкций. Например, кладка подвижными металлическими тягами соединена с каркасом. Такая система позволяет компенсировать различные деформации кирпичной стены и железобетонного каркаса.