Публикации »

Конструкции структурных фасадов

В последнее время высокотехнологичные фасадные остекления все чаще определяют облик современных зданий. Хороший фасад способен акцентировать направленность деятельности и финансовую стабильность предприятия, демонстрировать позитивное расположение к клиенту и открытость пространства к посетителю. Одновременно важной составляющей дизайна фасада является несущая конструкция, легкость и прозрачность которой в значительной степени определяют общий технический уровень фасада.

Все описанные выше преимущества, а также новейшие технологии в совершенстве реализуются в структурном остеклении, которое позволяет создать идеально ровную поверхность фасада с двухуровневым восприятием пространства. Структурное остекление благодаря визуальной бесшовности стыков дает первый уровень восприятия здания как крупной, безупречно-гладкой формы, второй же уровень возникает благодаря прозрачности и восприятию этажей, несущих конструкций и всего здания целиком как богатой пространственной структуры, создает эффект восприятия интерьера как части экстерьера. В совокупности прозрачный фасад и читаемый интерьер как взамопроникающие компоненты моделируют здание как мобильную пространственную среду. Понятие «мобильный» здесь особенно важно, так как в современной архитектуре фасад больше не замирает как недвижимая оболочка, лишь защищает, но не изолирует те процессы, которые происходят внутри относительно города и снаружи относительно здания. Прозрачность коммерческой архитектуры придает ей мобильность образа и значительно оживляет урбанистическую среду.

При реконструкции структурные фасады могут сочетаться с классическими старыми зданиями, являясь композиционным акцентом и подчеркивая подлинную благородность старого и чистоту нового, что позволяет гибче приспособить старые здания для новых общественных функций. Этот богатый потенциал контрастного сочетания холодной высокотехнологичной оболочки со скульптурными фасадами готики и барокко очень велик, успешно реализуется в Европе и пока совершенно не используется в Петербурге.

Рис. 1

Истоки структурного остекления — из далекого 1970 г., когда известная английская фирма нашла химическую формулу и внедрила в производство герметик, стойкий к ультрафиолетовому излучению. В истории можно найти множество прототипов современных структурных фасадов. Один из них — фасад частного дома на берегу Цюрихского озера, выполненного по проекту Ле Корбюзье (рис. 1). В этой болтовой конструкции переплетов предпринята попытка выполнить крепление за плоскостью непосредственного остекления.

Из сегодняшней практики строительства можно выделить 3 основные системы остекления: фасадная, структурная и планарная.

Структурное остекление является промежуточным по уровню технологии и цене между популярной фасадной системой с накладными профилями и планарным остеклением, требующим большого внимания к несущей конструкции и точных расчетов стекла (см. «СтройПРОФИль» № 4,2004, c. 46).

Рис. 2

Структурная система имеет 2 подтипа:
— четырехсторонняя (рис. 2, 4);
— двухсторонняя (полуструктурная, рис. 3).

Рис. 3

Рис. 4

Полуструктурное остекление представляет собой композиционно исключительно выгодную комбинацию фасадной и структурной систем — в ней в одном направлении швы герметизируются прижимными профилями с крышками различных форм (остроугольная, эллиптическая), что заимствовано из фасадной системы (рис. 3). В другом направлении стыки формируются по структурному принципу и герметизируются твердым или жидким силиконом. Полуструктурное остекление благодаря расположению накладных профилей только в одном направлении позволяет добиться вертикальной или горизонтальной динамики фасада и придать композиции остроту.

Основное преимущество структурного остекления состоит в компактности крепежных элементов, скрытых в швы между стеклами.

Рис. 5

Существует несколько способов фиксации стекла. Основные два вида — механический стык на поворотных фиксаторах в швах (рис. 5) и клеевой стык за счет адгезии герметиков (клеевое соединение, рис. 6).

Рис. 6

Более надежная в российских условиях технология на механических фиксаторах применяется для теплых фасадов, так как опирание и крепление профилей происходит за счет пространства между стеклами стеклопакета. Фиксация стекла на конструкции происходит за счет поворотных скоб-«пропеллеров», которые имеют 2 прижимных уса (рис. 5). Для структурного остекления используются специальные стеклопакеты, в которых рамка с абсорбентом расположена не у края, а заглублена приблизительно на 50 мм. Так по всему периметру стеклопакета формируется паз. При монтаже «усы» ориентированы параллельно швам, свободно заглубляются в них на половину толщины стеклопакета и притягиваются саморезами (рис. 5).

После поворота фиксатора стеклопакет надежно закреплен на несущей конструкции и способен воспринимать как положительное (ветровой напор), так и отрицательное (ветровой отсос или избыточное давление в помещении) давление.

Швы по всему периметру заполняются силиконовыми уплотнителями, которые обеспечивают герметичность фасада, компенсируют деформации вследствие термического расширения стекла относительно несущей структуры и возможные неточности монтажа.

Технология на полном проклеивании герметиком требует точно смонтированной несущей конструкции и минимальных вертикальных прогибов перекрытий, если опирание ригелей происходит на них. Жесткость всего остова здания должна гарантировать минимальные смещения геометрии подсистемы для отсутствия сдвигов в клеевых соединениях.

Стекло является важной составляющей любой фасадной технологии. Известно, что стекло — хрупкий материал с аморфной микроструктурой. Главный признак поведения стекла под нагрузкой — это отсутствие пластических деформаций и мгновенное разрушение. Стекло имеет линейную диаграмму растяжения — сжатия вплоть до точки разрушения (рис. 7). Вследствие хрупких свойств прочность на растяжение и сжатие стекла существенно различается и снижается при незначительных повреждениях поверхности.

Обычное стекло чрезвычайно опасно при его применении на больших высотах, так как его механические свойства не гарантированны из-за микродефектов и скоплений сульфида никеля. Эта солевая составляющая имеет коэффициент линейного расширения существенно больший, чем остальные компоненты, что при перепадах температур приводит к разрыву стекла в местах ее концентрации. Поэтому для остеклений в стеклопакетах в качестве наружного слоя используется закаленное стекло. Закалка позволяет повысить несущую способность стекла. При закалке внешняя поверхность охлаждается быстрее, чем ядро, и происходит обжатие внешних слоев и растяжение внутренних. Напряжения при этом находятся в равновесии. После закалки производится отпуск стекла (тест HST) для распределения напряжений, а также концентрации сульфида никеля, так что по ее окончании эти зоны приводят к разрушению или растрескиванию непригодных стекол. Тест HST является общепризнанным среди всех европейских производителей стекла как обязательное мероприятие для гарантии прочностных свойств. В качестве внутреннего стекла применяется триплекс — 2-х или 3-слойное стекло с армированием поливинилбутиловой пленкой, которая при идеальной прозрачности служит армирующим материалом и при разрушении не допускает нарушения сплошности стекла.

Важным функциональным элементом структурного фасада является несущая конструкция. Обычно структурное остекление базируется на стоечно-ригельной системе алюминиевых профилей прямоугольного сечения, с интегрированными уплотнителями. Альтернативным решением несущей конструкции фасада может быть решение с применением стеклянных несущих стоек на основе многослойного триплекса (рис. 6). Это реализуемо при полном креплении на герметике, что дает предельную компактность швов и полное отсутствие непрозрачных элементов фасада. Данное решение целесообразно как для малоэтажного жилого строительства, так и для репрезентативных зданий.

Несущими конструкциями фасадов высотой более 6 м могут служить стальные вертикальные стойки или стержневые и вантовые фермы. Стержневые и вантовые фермы являются наиболее применяемыми конструкциями для фасадов высокого уровня в Европе. Вантовые фермы состоят из двух параболически изогнутых тросов или стержневых поясов. Жесткость системы характеризуется стрелой прогиба или максимальной высотой фермы в центре пролета, которая составляет от 1/8 до 1/12 его величины, а также модулями упругости главных элементов поясов. Модуль упругости канатных элементов в 1,5 раза ниже стержневых, так как в них отдельные проволоки работают под углом сплетения и требуют дополнительного вытягивания для обжатия между собой. Также недостатком тросовых систем на малых пролетах является релаксация напряжений и необходимость регулярного контроля усилий. Эти факторы вполне компенсируются в 4–5 раз более высокой прочностью тросов и возможностью их большего предварительного напряжения. Общая жесткость структуры вследствие уязвимости стекла является главным критерием ее качества. Особенностью вантовых и стержневых систем является необходимость предварительного напряжения при монтаже, и, как следствие, вертикальный распор, который воспринимается жестким каркасом здания, что дает дополнительную возможность геодезическими методами уточнить геометрию.

Опирание на стальную структуру стекла происходит через т. н. «нуль-профиль», который привинчивается к направляющим элементам конструкции. При высоте фасада более 6 м фермы, являющиеся первичными несущими элементами, требуют стабилизирующих связей для устойчивости в плоскости их работы. Для демонстрации технического совершенства их выгодно выполнить из тросов или стальных стержней из нержавеющей стали. В простейших плоских фасадах устойчивость в плоскости стекла обеспечивается самим остеклением как диафрагмой жесткости.

Последнее десятилетие в европейской практике конструирования фасадов наметилась тенденция к минимизации несущих и ограждающих конструкций. Понятие «меньше» теперь не только в дизайне, но и в несущих конструкциях означает острее, мобильнее, гибче, конкретнее, демократичнее — все те понятия, которые ассоциируются сегодня с современным бизнесом. Конструирование фасадов в России значительно прогрессирует в последние годы, появляется многовариантность решений, есть хорошие реализованные образцы. Не хватает только некоторой чистоты в деталях и лаконичности в тонких композиционных нюансах, что, возможно, со временем может быть компенсировано более тесным взаимопониманием архитекторов и конструкторов.

Автор: А. А. Смирнов
Дата: 17.05.2005
Журнал Стройпрофиль 4-05
Рубрика: фасадные системы. фасады




«« назад