Футуристическое здание со стеклянным фасадом появится в деловом центре вашингтона. Самые удивительные стеклянные здания мира

С каждым годом увеличивается количество стеклянных зданий

Стеклянные конструкции, подобно драгоценным камням, сверкают в солнечном свете и напоминают неприступные ледовые дворцы-башни. Они могут быть сделаны из резких геометрических углов, а могут быть плавно-округлыми, с нежными волнами.

Sage Gateshead, Великобритания.

Впервые стекло было введено в архитектуру около 2-х тысячелетий назад, для создания небольших окон, для пропускания небольшого количества света. Средневековый период ассоциируется с декоративным использованием стекла. Достаточно вспомнить изображения церковных окон того времени, которые обычно украшались всевозможными витражами и мозаиками из стекла.

Множество светоотражающих граней здания в Лондоне, Великобритания.

Геометрические формы структуры в Нью-Йорке.

До XIX века стекло использовалось лишь для создания окон. Однако, с 1800 года, было введено производство больших листов стекла, что дало архитекторам почву для расширения использования стекла. Стали появляться теплицы и оранжереи.

Здание справа — гигантская открывалка для бутылок.

Это здание с декоративной трещиной в центре, находится в Стокгольме.

Эксцентричное здание в Германии.

Поскольку технологии в этой сфере продолжали развиваться, образовались целые небоскребы из стекла, что стало причиной изменения городских пейзажей. Стеклянные здания во всем мире встречаются во всевозможных формах и проявлениях.

Потрясающий прозрачный купол Рейхстага в Берлине

Мерцающий свет в Лас-Вегасе.

Башня в Торонто. Удивительное сочетание стекла и хрома.

Стеклянные здания в Москве.

Это удивительно пластичное здание находится в Лондоне (Великобритания).
И вновь Лондон, Соединенное Королевство. Здесь вырос не просто дом, а целый квартал из стекла. Офисный центр города по праву считается лицом Лондона.
Наверное, не стоит уточнять, где находится архитектурный шедевр Бурдж-Халифа. Конечно в Объединенных Арабских Эмиратах! Гардиан-стекло стало стильным и, главное, надежным украшением фасада здания.
Штаб-квартира dell’Aldar на Аль Раха Бич — это первое круговое здание, построенное в ОАЭ. Архитектурный проект дома разработали специалисты компании MZ & Partners.

Мурзиненко Роман

Стеклянные двойные фасады

Марианна Бродач, Николай Шилкин

Здания с большим процентом остекления зачастую имеют повышенные нагрузки на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Стеклянный двойной фасад является интересным решением оболочки здания, приспосабливающейся к изменениям наружного климата.

Стремление максимального использования в строительных конструкциях светопрозрачных конструкций, начавшееся в Европе и США ещё в прошлом столетии, повысило интерес к технологии стеклянных двойных фасадов. Повсеместное применение двойных фасадов началось в 1990-х годах и продолжается до сих пор. Особенно часто такие конструкции можно увидеть в высотном строительстве.

Широкую известность получили такие здания, как Commerzbank во Франкфурте-на-Майне (Германия, 1997), City Hall в Лондоне (Великобритания, 2002), а также Manitoba Hydro Place в Виннипеге (Канада, 2009). Здание One Angel Square, построенное в 2013 году, высотой в 14 этажей располагается в Манчестере (Великобритания) и отличается своеобразной трёхгранной конфигурацией со стеклянным двойным фасадом.

Небывалый размах строительства наблюдается в Китае, где активно возводят высотные здания, в том числе и с применением двойных стеклянных фасадов, например две башни Международного финансового центра (Гонконг, 1999 и 2003), Pearl River Tower (Гуанчжоу, 2011), Шанхайский всемирный финансовый центр (2008).

В России пока мало примеров использования данной технологии. Это решение встречается в основном в зданиях премиального класса, что объясняется, как правило, высокими инвестиционными затратами и сложностью реализации подобных проектов. Например, стеклянные двойные фасады установлены в штаб-квартире компании «Новатэк» (Москва, 2011). Здание оборудовано высокотехнологичными интеллектуальными системами, позволяющими обходиться без механической вентиляции и охлаждения.

Конструктивные особенности

Конструкция фасада основана на принципе многослойности - создания нескольких оболочек и использования определённых физических и эстетических свойств отдельных его слоёв. Основным материалом здесь служит стекло, которое благодаря своим эстетическим и физическим характеристикам обеспечивает нужное оформление здания и выполнение необходимых функций ограждающей конструкции.

Существует много различных конструкций стеклянных двойных фасадов. Общую классификацию приводит директор Института строительной физики им. Фраунгофера (Германия) Карл Гертис, опираясь на работу Вернера Ланга:

. по размещению поверхностей двойного фасада: установленные внутри конструкции внешней стены, частично выдвинутые вперёд или полностью выступающие за внешнюю стену;

. по наличию и размещению вентиляционных отверстий: без вентиляционных отверстий, с отверстиями только на внутренней поверхности или на обеих поверхностях двойного фасада. Кроме этого, система вентиляции может временно подавать воздух в обход двойного фасада;

. по сегментированию поверхностей: промежуток между поверхностями фасада сегментируется или выполняется в виде ширмы. Последний вариант имеет большое значение для переноса воздуха в промежутке между поверхностями.

Схематичные вертикальные разрезы в фасадах, характеризующие виды разработки и размещение конструкции стеклянных двойных фасадов, представлены на рис. 1 и 2.

В зависимости от расстояния, на которое выдвигается наружная стеклянная поверхность, воздушный зазор между поверхностями фасада может иметь следующие характеристики:

. в него нельзя попасть; зазор служит только для размещения между поверхностями приспособлений для защиты от солнца;

. в нём можно разместиться при мытье стёкол;

. он может использоваться наподобие зимнего сада как общий зал или в качестве помещения для переговоров.

Вентиляция

В зданиях со стеклянными двойными фасадами может предусматриваться как система механической, так и естественной вентиляции через соответствующие отверстия. Опыт показывает, что использование и того и другого видов вентиляции позволяет добиться наилучших параметров микроклимата и высокого уровня энергоэффективности.

Варианты фасадов разнообразны - от стеклянного изолирующего фасада до конструкции с регулируемым открытием внешней и внутренней поверхностей (рис. 3). Может быть также реализован обход стеклянного двойного фасада, при котором приточный или удаляемый воздух направляется напрямую (в этом случае двойной фасад не будет выполнять своей прямой функции).

Преимущества и недостатки технологии

До сих пор ведётся широкая дискуссия о том, насколько целесообразно применение стеклянных двойных фасадов вместо традиционных фасадов, имеющих современную теплоизоляционную систему. Считается, что стеклянные двойные фасады имеют несколько лучшие показатели звукозащиты, чем традиционные фасады. Благодаря естественной вентиляции стеклянные двойные фасады улучшают внутренний климат. В воздушном зазоре между поверхностями фасада может наноситься прочное покрытие для защиты от солнца, а также устанавливаться элементы, отклоняющие свет. В многоэтажных зданиях при сильном ветре стеклянные двойные фасады уменьшают динамический напор, вызывающий повышенное давление прижима внутренних дверей. Конструкция фасада позволяет открывать окна на желаемую ширину даже при большой высотности здания.

Среди минусов отмечаются высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные, например, с трудностью и частотой очистки внутренних поверхностей. Нет единого мнения среди специалистов о влиянии двойных фасадов на теплопотери зданий. Если речь идёт о высотных зданиях с большой внутренней тепловой нагрузкой, оба вида фасадов в зимнее время имеют приблизительно одинаковые показатели. Что же касается летней теплозащиты и затрат энергии на охлаждение, в зданиях со стеклянными двойными фасадами без систем кондиционирования воздуха очень сложно обеспечить приемлемые внутренние климатические параметры. Кроме этого, без применения дополнительных защитных мер (установка горизонтальных и вертикальных переборок) зазор между поверхностями стеклянных двойных фасадов повышает пожароопасность.

Несмотря на недостатки, это решение открывает большие возможности для строительства зданий высоких технологий. Многочисленные примеры сложнейших объектов (в том числе здание «Городские ворота Дюссельдорфа»), проекты которых предусматривают естественное освещение, пассивное использование энергии и др., демонстрируют, что стеклянные двойные фасады могут эффективно решать проблемы с перегревом помещений и повышенными нагрузками на систему охлаждения. Проекты подобного рода объединяет то, что в процессе их создания выполняется большой комплекс предпроектных исследований, в том числе создание аэродинамических стендов и проведение математического компьютерного моделирования. Немаловажны и высока заинтересованность, а также требовательность застройщиков.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЗДАНИЯ «ГОРОДСКИЕ ВОРОТА ДЮССЕЛЬДОРФА»

Двойной вентилируемый проходной фасад с регулируемыми наружными ограждениями.

Повышенная тепло- и солнцезащита наружных ограждений за счёт отличных теплофизических характеристик применяемых материалов и конструкций.

Естественная вентиляция помещений на протяжении продолжительного периода.

Использование панелей, размещённых на потолке, для отопления и охлаждения помещений, отказ от отопительных приборов, размещаемых под окнами из-за снижения потерь теплоты в холодное время года - расчётный расход теплоты на отопление составляет всего 2,87 МВт.

Пониженная до минимально необходимого уровня производительность системы кондиционирования воздуха за счёт снижения теплопоступлений в помещения в тёплое время года и использования естественной вентиляции.

Максимальное использование источников возобновляемой энергии: холода грунтовых вод, теплоты удаляемого воздуха.

Городские ворота Дюссельдорфа

В здании «Городские ворота Дюссельдорфа» (архитектор Overdiek Petzinka & Partner, Германия, 1997) применён вентилируемый стеклянный двойной фасад. Его особенностью является наличие горизонтальных поэтажных открытых проходов по периметру здания и атриуму.
Фасад этого здания может быть охарактеризован как рациональное и экономичное техническое решение, которое при значительной внешней шумовой и ветровой нагрузке позволяет на протяжении длительного периода в течение года осуществлять естественную вентиляцию офисных помещений. Кроме того, такой фасад является важным связующим элементом рабочих помещений и окружающей среды.

Конструкция двойного фасада

Фасад в районе атриума представляет собой обычную застеклённую конструкцию с открывающимися фрамугами, а вся остальная часть здания имеет двойной фасад, разделённый по вертикали поэтажными перекрытиями. Принципиальная конструкция стеклянного двойного фасада приведена на рис. 4. Внешняя часть фасада прежде всего служит для защиты от наружных климатических воздействий в виде дождя и снега.

Помимо этого, в ней расположены отверстия для притока наружного воздуха в вентиляционные короба и удаления отработанного воздуха из них, а также для проветривания промежуточного пространства и естественной вентиляции помещений. Одинарное остекление внешней части фасада создают отражающие стеклянные модули размером 3 × 1,5 м.
Секции внутренней части фасада имеют рамную конструкцию, как правило, с двойным остеклением, что обеспечивает снижение теплопотерь в зимнее время. При помощи поворотных створок рамы могут отклоняться в сторону офисных помещений (открывается каждый второй элемент на оси) с целью естественной вентиляции офисных помещений.

Шанхайский всемирный финансовый центр (Шанхай, Китай)

В промежуточном пространстве фасада размером 1,4 или 0,9 м размещаются вентиляционные короба, которые являются конструктивным элементом перекрытия двойного фасада и выполняют также функцию защиты от воздействия наружного климата. Короба для приточного и удаляемого воздуха монтируются вместе с основными конструкциями фасада на одном поясе с чередованием направления воздушного потока. Отверстия приточного и удаляемого воздуха на фасаде можно видеть как пояса, идущие вдоль здания, на соседних этажах они находятся напротив друг друга. Короба для приточного и удаляемого воздуха монтируются с чередованием направления воздушного потока для предотвращения «коротких замыканий» потоков воздуха (поступления отработанного воздуха в приточное отверстие вышележащего этажа). Внутри каждого вентиляционного короба находится клапан с поворотными створками, предназначенный для регулирования расхода воздуха и при необходимости полного перекрытия прохода воздуха. Отверстия для забора и удаления воздуха закрыты вентиляционными решётками для защиты от атмосферных осадков. Аэродинамическая оптимизация коробов была выполнена на основе моделирования методами вычислительной гидродинамики. При этом преследовалась цель создания равномерного потока воздуха и обеспечения низкого уровня шума.

Внутри двойного фасада располагаются также регулируемые устройства солнцезащиты, которые способствуют сокращению теплопоступлений от солнечной радиации в помещения и, как следствие, снижению расхода холода в системе кондиционирования воздуха в тёплое время года. В холодное время они играют роль экрана, уменьшающего поток теплового излучения в ночные часы из помещений наружу, что уменьшает энергопотребление.

Защита от шума

Частой причиной использования установок кондиционирования воздуха в здании, размещённом в городе, является повышенный уровень внешнего шума при открытых окнах. Уровень звукового давления в районе размещения «Городских ворот Дюссельдорфа» составляет приблизительно 70-75 дБ(А) и вызывается в первую очередь транспортом. Для обеспечения приемлемой защиты от внешнего шума при открытых оконных створках во внутренней части фасада шумоизоляция должна обеспечить снижение уровня звуковой мощности ориентировочно на 15-20 дБ.

Если принять, что внутренняя часть фасада обеспечивает снижение уровня шума на 5-10 дБ в зависимости от величины открытия створок, то на внешней стороне фасада и во внутреннем пространстве уровень шума должен снижаться на 10 дБ. При этом следует учитывать, что снижение уровня шума во внешней части фасада зависит от степени открытия отверстий для прохода приточного и удаляемого воздуха. Фактически снижение шума во внешней части фасада при открытом воздушном клапане эквивалентно почти 10 дБ(А), а при клапане, открытом на 10 %, - 20 дБ(А). Требования по снижению шума во внутренней части фасада могут быть достигнуты за счёт увеличения звукоизоляции на внешней стороне фасада.

Температурный комфорт

Приведённый коэффициент теплопередачи двойного фасада имеет достаточно низкое значение, равное 1,1 Вт/(м 2 .°C). Кроме того, использование «тепличного» эффекта днём и снижение теплового излучения от наружной поверхности внутреннего остекления двойного фасада в ночное время обеспечивают дополнительную экономию теплоты. Даже в ранние утренние часы при температуре наружного воздуха -10 °C и температуре внутреннего воздуха 21 °C средняя температура внутренней поверхности двойного остекления составляет около 16,5 °C. При тех же температурных условиях в обычных фасадах с окнами, имеющими значение приведённого коэффициента теплопередачи 1,6 Вт/ (м 2 .°C), температура внутренней поверхности остекления составляет 14,5 °C.

Для снижения теплопоступлений в летнее время при использовании двойных фасадов важен не только правильный выбор материалов и конструкции устройств солнцезащиты, но и их расположение во внутреннем пространстве двойного фасада. Регулируемое устройство солнцезащиты должно обдуваться потоком воздуха с боков и снизу, чтобы отводимая избыточная теплота под действием восходящих конвективных потоков «выводилась» вверх, а не проникала во внутренние помещения. Общий коэффициент проникания потока солнечной радиации через конструкцию двойного фасада составил не более 0,1, что подтвердили натурные измерения. Такое значение показателя для фасада с одинарной оболочкой может быть достигнуто только при использовании наружных пластинчатых отражателей.

Manitoba Hydro Place (Виннипег, Канада)

При воздействии на фасад в летнее время прямых солнечных лучей во внутреннем пространстве фасада будет наблюдаться повышение температуры воздуха. Как показывает практика, при неверно выбранных конструктивных параметрах фасада температура воздуха внутреннего пространства может повышаться на 10 °C. Естественная вентиляция помещений здания в таких условиях должна быть значительно ограничена. Снизить температуру воздуха во внутреннем пространстве фасада возможно путём его вентилирования наружным воздухом. При этом должен быть обеспечен расход воздуха, необходимый для снятия перегрева, так что отверстия для притока и удаления воздуха на внешней части фасада должны иметь достаточные размеры для пропускания этого количества воздуха. В проекте «Городские ворота Дюссельдорфа» определено расчётом, что площадь сечения отверстий для прохода приточного и удаляемого воздуха должна составлять 0,15 м 2 на каждый метр периметра фасада.

Было рассчитано, что температура воздуха во внутреннем пространстве фасада на среднем по высоте уровне не должна повышаться более чем на 4-6 °C при максимальном потоке солнечного излучения. Результаты расчётов были подтверждены натурными измерениями в летние месяцы, при этом повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве зафиксировано ближе к нижней, чем к верхней границе указанного диапазона.

Две башни Международного финансового центра (Гонконг, Китай)

Оптимизация движения воздушных потоков в двойном фасаде

Повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве фасада зависит от расхода воздуха, а он в свою очередь - не только от площади отверстий, но и от аэродинамического сопротивления по пути движения воздушных потоков. При этом наибольшее значение имеет гидравлическое сопротивление, определяемое внутренней геометрией вентиляционных коробов. Поэтому прежде всего необходимо стремиться к уменьшению именно этого сопротивления.

Для этого в ходе разработки проекта были проведены многочисленные компьютерные расчёты, целью которых было достижение равномерного потока воздуха в вентиляционных коробах, т. к. даже небольшие углы и кромки могут вызывать завихрения воздушного потока, в значительной степени снижающие расход воздуха. При неблагоприятных условиях это может вызывать шум. Исследования по оптимизации конструкции вентиляционных коробов потребовали значительных затрат времени.
Как и предполагалось, в неоптимизированных в аэродинамическом отношении вентиляционных коробах при моделировании движения воздуха возникали обширные застойные и турбулентные зоны, повышающие аэродинамическое сопротивление и в условиях действия естественных сил уменьшающие расход воздуха.

Для предотвращения таких явлений были сконструированы направляющие пластины, обеспечивающие наилучшие характеристики воздушного потока. Для жалюзи наружных решёток, защищающих от дождя, были выбраны хорошо обтекаемые потоком воздуха узкие профили, создающие незначительное сопротивление в условиях небольшого располагаемого естественного циркуляционного давления. Аэродинамическое сопротивление вентиляционных коробов удалось значительно снизить по сравнению с начальным значением. Оптимизация конструктивных параметров вентиляционных коробов также оказала положительное влияние на повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве.

Pearl River Tower (Гуанчжоу, Китай)

Конденсат

На внутренней поверхности внешней части фасада при определённых условиях может образовываться конденсат. Это явление возникает в холодное время года, когда влажный и тёплый воздух из помещений попадает во внутреннее пространство двойного фасада, а температура на внутренней поверхности внешней части фасада становится ниже температуры точки росы. Однако при достаточно интенсивном вентилировании внутреннего пространства фасада наружным воздухом этот конденсат быстро исчезает.

Давление на поверхности двойного фасада

При испытаниях модели здания в аэродинамической трубе определялись давление в атриуме и аэродинамические коэффициенты на поверхности фасадов и крыше. При этом выявилось, что распределение давления на поверхности фасада по горизонтали везде отличается большой неравномерностью, в то время как изменение давления по высоте здания остаётся сравнительно постоянным. Более заметные изменения отмечаются только на верхних этажах (в аттиковом пролёте), для которых из-за их протяжённости по длине и без того необходимо независимое управление воздушными клапанами на фасаде.

Поэтому на фасадах офисных помещений нет необходимости зонирования регулируемых воздушных клапанов по высоте. Угловые зоны прохода внутреннего пространства двойного фасада из-за значительного изменения давления в этих зонах отделены от основного пространства по горизонтали стеклянными перегородками. В середине внутреннего пространства фасада имеется отдельный участок с противопожарной лестничной клеткой, разделяющей проход.
Тем самым становится излишним дополнительное разделение в горизонтальном направлении. Для контроля условий комфорта в офисных помещениях при повышенном давлении ветра на каждой башне проводятся измерения общего перепада давления между внешним фасадом и атриумом. Для этого достаточно четырёх мест измерения в каждой офисной башне.

Вентиляция двойного фасада

В здании «Городские ворота Дюссельдорфа» отдельные элементы двойного фасада установлены по горизонтали в чередующемся порядке - как вентиляционные короба, так и отверстия для приточного или удаляемого воздуха.

Это означает, что в каждом втором модуле производится либо забор, либо удаление воздуха из пространства двойного фасада. Забор наружного воздуха в двойной фасад осуществляется через регулируемые воздушные клапаны, которые устанавливаются системой прямого цифрового управления зданием в соответствии с текущими наружными условиями в одно из трёх положений: «закрыто», «открыто», «защита от дождя».

Если температура наружного воздуха и интенсивность солнечного излучения уменьшаются ниже определённого уровня, воздушные клапаны на внешнем фасаде закрываются.

Оставляют открытыми только небольшие щели для предотвращения выпадения конденсата на поверхности остекления во внутреннем пространстве фасада.

При усилении ветра для обеспечения комфорта воздушные клапаны внешнего фасада вначале устанавливаются в промежуточное положение, а затем полностью закрываются. В случае если ветер достигает интенсивности урагана, воздушные клапаны вновь открываются для снятия статической нагрузки. Наряду с этим пользователь всегда имеет возможность открыть оконные створки внутренней части фасада и проветрить свой офис путём естественной вентиляции. При этом может осуществляться ночное охлаждение отдельных офисов.

Таким образом, реализуется регулирование, предусматривающее простое автоматическое открытие или закрытие воздушных клапанов во внешней части фасада или оконных створок во внутренней части фасада самим пользователем.

Результаты

Были проведены натурные измерения параметров микроклимата. Наряду с температурой и скоростью воздуха измерялись также локальная асимметрия результирующей температуры и распределение температуры воздуха по высоте помещения. Если соответствующие значения параметров превышают допустимые пределы, люди в помещениях чувствуют сильный дискомфорт. Но, как и ожидалось, таких критических условий в здании «Городские ворота Дюссельдорфа» не отмечалось. Все измеренные значения параметров воздуха находились в допустимых пределах, и было показано, что установившие в действительности значения контролируемых параметров являются для людей ещё более благоприятными, чем предсказываемые по результатам моделирования и лабораторных испытаний, проводившихся при менее жёстких предельных значениях. Например, при температуре наружного воздуха меньше 0 °C разность температуры внутреннего воздуха и температуры на внутренней поверхности остекления в помещении составила 1-2 °C. При том что, согласно данным предварительных испытаний и расчётов, эта разность температур должна была составить 3-4 °C. Такие хорошие результаты можно объяснить достаточно низким значением общего приведённого коэффициента теплопередачи (порядка 1 Вт/ (м 2 .°C)) двойного фасада. Это совпадает с оценкой людей, работающих в помещениях здания, которые единодушно заявляют об очень хорошем качестве микроклимата даже в холодные зимние дни.

В проекте «Городские ворота Дюссельдорфа» устройство двойного фасада доказало свою экономическую эффективность. Предполагая, что двойной фасад используется в течение 30 лет и ставка дисконтирования составляет 8 %, получена ежегодная сумма приведённых капитальных затрат и амортизационных отчислений от 53 до 160 евро на 1 м 2 фасада. Кроме того, были учтены дополнительные затраты на поддержание конструкций фасада в исправном состоянии и на очистку, которые составили соответственно от 3 до 8 евро на 1 м 2 в год и 8 евро на 1 м 2 в год при очистке поверхностей фасада, выходящих во внутреннее пространство, два раза в год. Общие годовые затраты составили от 64 до 176 евро на м 2 поверхности фасада.

Затраты на сооружение стеклянного двойного фасада не превысили стоимость высококачественного фасада с одинарной оболочкой, обладающего аналогичными теплофизическими характеристиками. Это обусловлено, с одной стороны, простотой принятых решений и большим объёмом проведённых предварительных работ по оптимизации конструктивных параметров, а с другой, хорошими ценами за работу, которые предложил подрядчик.

Литература

1. Здание биоклиматической архитектуры - «Городские ворота Дюссельдорфа» // АВОК. 2006. № 2, 3.

2. Инженерное оборудование высотных зданий / под ред. М. М. Бродач. 2-е изд., испр. и доп. М.: АВОК-ПРЕСС, 2011.

3. Покорение климата / Б. Кувабара и др. // Здания высоких технологий. 2012. Осень.

4. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.

5. Шилкин Н. В. Возможность естественной вентиляции для высотных зданий // АВОК. 2005. № 1.

6. Шилкин Н. В. Здание высоких технологий // АВОК. 2003. № 7.

7. Gertis K. Стеклянные двойные фасады. Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов? // АВОК. 2003. № 7, 8; 2004. № 1.

8. Poirazis H. Double Skin Façades for Office Buildings. Lund University, 2004. ●

Марианна Бродач - вице-президент НП «АВОК», профессор МАрхИ, главный редактор журнала «Здания высоких технологий».

Николай Шилкин - канд. техн. наук, профессор МАрхИ.

СТАТЬИ

Проект здания со стеклянным фасадом в Вашингтоне

Нью-йоркская архитектурная фирма REX опубликовала свои планы по возведению престижного офисного комплекса в Вашингтоне. Местом его расположения будет так называемый «золотой треугольник» - деловой центр города, застроенный внушительными кирпичными и бетонными зданиями. В числе прочих нанимателей на территории комплекса планирует обосноваться коммерческая сеть телерадиовещания CBS.

Фасад сочетает признаки цельностеклянной и модульной конструкций

Наружные стеклянные панели

Абсолютно идентичные изолированные стеклянные панели фасада в количестве приблизительно 900 искусно изогнуты с помощью термической закалки. Дуга придаёт зданию эффектность, повышает его устойчивость к воздействию ветра и обеспечивает сквозную прозрачность.

Архитекторы объясняют: «Из-за присущей дугам устойчивости к сжатию только вершина и низ панелей поддерживаются горизонтальными несущими перекрытиями, в то время как вертикальные края средников застеклены вровень с каркасом для создания минималистского вида. Такое решение улучшает внешний облик здания и позволяет увеличить его полезную площадь».

Стеклянные панели обращены вогнутой стороной наружу, что порождает элегантный эффект рифления

900 стеклянных панелей фасада искусно изогнуто

Высокопроизводительное энергосберегающее покрытие наносится на стекло, которое тщательно изолируется с целью обеспечения достаточной теплоизоляции. Вместе с дугообразной формой панелей это создаёт необычный калейдоскопический эффект. Чередующиеся стеклянный и зеркальный эффекты одновременно оживляют и дематериализуют фасад.

Чтобы подчеркнуть почти эфирную лёгкость оболочки, все несущие опоры были отодвинуты от внешней стены и установлены внутри здания, в то время как потолочные плиты сужаются к несущим горизонтальным перекрытиям по мере приближения к фасаду.

Высокоэффективное энергосберегающее покрытие наносится на стекло

Стеклянный фасад здания обеспечивает широкий панорамный вид с минимальным разрывом

Холл

Вестибюль на первом этаже задуман как «тёплый оазис» со стенами, декорированными принтом в виде коровьей шкуры, с деревянными полами и потолками. Пространство служит для визуальной конфронтации с кристаллическим фасадом. Площадь фойе была дополнительно расширена, чтобы вместить специально заказанные для этого здания произведения искусства.

«Тёплый» вестибюль служит визуальным противопоставлением кристаллическому фасаду

Деревянные полы и потолки украшают всю приёмную зону

Чертежи

Вид сверху, дающий представление о структуре фасада

Структурная деталь рифлёного фасада

Все несущие опоры отодвинуты от внешней стены и установлены внутри здания

Очередное здание из стекла и бетона строится в столице США - стекло снаружи, бетон внутри. Так создаётся эффект невесомой эфирной оболочки.

Сведения о проекте:

Название: 2050 M Street
Местоположение: Вашингтон, округ Колумбия, США
Заказчик: Tishman Speyer
Программа: дорогое офисное здание в Вашингтонском «золотом треугольнике», предназначенное для телестудии CBS и других арендаторов
Площадь: приблизительно 41800 кв. м.
Стоимость: конфиденциально
Статус объекта: начало строительство - 2015 год; начало внутренней отделки - 2015 год; ожидаемое завершение - 2019 год.
Дизайнерская студия: REX
Авторы проекта: Timothy Burwell, Adam Chizmar, Maur Dessauvage, Kelvin Ho, James Kehl, Elizabeth Nichols, Joshua Prince-Ramus, Matthew Uselman (PL), Cristina Webb (PL), Vaidotas Vaiciulis, Michael Volk
Руководитель проекта: kendall/heaton
Консультанты: Arup, Baumann, Blades, Cerami, ECS, Front, Janson Tsai, LERA, LSM, Richter, George Sexton, Walker, Wiles Mensch, WSP

Современные здания из стекла и металла, причудливые по форме, отражающие ломаными или плавно изогнутыми плоскостями окружающий городской пейзаж и плывущие облака, сочетают, на первый взгляд, противоположные качества: величественность и хрупкость, изящество и технологичность, футуризм и универсальность. Они прекрасно вписываются не только в новые кварталы с современной застройкой, но и в исторические центры городов. Вертикальные и наклонные плоскости остекления в качестве ограждающих конструкций стали привычными для современных торговых и офисных центров, спортивных сооружений и жилых домов; везде, где важны свет, пространство и стиль. Фасадные светопрозрачные системы из алюминия, стали и стекла позволяют добиться не только архитектурной выразительности сооружений, но и долговечности, надежности, комфорта – неотъемлемых качеств архитектуры сегодняшнего и завтрашнего дня.

Развитие светопрозрачных конструкций, продолжающееся не одно столетие, шло по пути постоянного совершенствования. От простых оконных проемов – к ленточному остеклению и целиком остекленным фасадам. С середины ХХ века постоянно возрастающие требования и нормативы по повышению тепло-, звукоизоляции и огнестойкости зданий, улучшению микроклимата помещений, защиты фасада от солнечного излучения и т.д. привели к появлению новых конструктивных решений, методов изготовления и монтажа строительных конструкций, не только отвечающих всем требованиям строительной физики, статики и экологии, но и обладающих низкими эксплуатационными и энергетическими показателями.

В России в последние годы развивается стеклянная архитектура и строится все больше зданий с использованием сложнейших стеклометаллических систем.

Какие-то из систем уже широко распространены, примеры реализации других можно пересчитать по пальцам, появления самых технологически сложных можно ожидать только через несколько лет. Для того чтобы понять причины медленного внедрения новых конструктивных решений и спрогнозировать перспективы дальнейшего развития, необходимо ясно представлять специфику различных систем, а также материалов, используемых для их изготовления.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Светопрозрачные фасадные системы различаются по типам конструкций, используемых для крепежа стеклянных панелей, а также по материалам, из которых эти конструкции изготавливаются. На сегодняшний день существует две основных конструктивных схемы: с использованием металлических профилей и крепежом стекла по периметру и с пространственной подконструкцией и точечным креплением стекла.
К первой схеме относятся несколько систем: стоечно-ригельная и структурная, с несколькими промежуточными вариациями, а также блочная, или кассетная. Вторая появилась сравнительно недавно, и конструктивно она значительно сложнее. Под каждый проект разрабатывается оригинальная система, принципы крепежа и используемые элементы определяются индивидуально.

Для конструкций всех систем могут применяться алюминий и сталь. Первый используется преимущественно в профильных системах, вторая – в пространственных.
На рынке фасадных систем сейчас существует более десятка разновидностей. Преимущества одних систем перед другими невозможно обсуждать без учета различных параметров: эксплуатационных, стоимостных, требований к несущей способности и долговечности конструкции. Конкретная система должна быть применена именно в том месте, где ее достоинства компенсируют ее недостатки.

ПРОФИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Фасадные профильные системы – это самонесущие или навесные конструкции, представляющие собой структуры из профилированных труб, имеющих внутри пустоты или так называемые камеры. Номенклатура различных видов профилей и дополнительных элементов к ним представляет собой своеобразный конструктор, дающий возможность изготавливать всевозможные остекленные вертикальные и наклонные поверхности, светопрозрачные крыши и т.д. Во все профильные фасады могут быть встроены окна и двери или глухие панели. Многообразие элементов профильных систем включает в себя основные несущие и накладные профили с различной конструктивной толщиной для обеспечения необходимой статической нагрузки. Как правило, каждый производитель разрабатывает также и специальные элементы: продухи для скатных крыш, элементы нижнего и бокового крепления створок (поворотных и откидных), двухмерные и трехмерные узлы сочленений и т.д. Причем все эти элементы могут иметь одинаковую внешнюю ширину профилей и восприниматься на фасаде как единое целое. При проектировании сложных фасадов крупных объектов и представительских зданий часто бывает недостаточно номенклатуры системных профилей, и ведущие фирмы разрабатывают специально под объект особые, индивидуальные профили. Например, стоимость изготовления матрицы для произвольного профиля у российских фирм-производителей, имеющих собственные экструзионные производства, не превышает $2000.
Фасадные профили, как алюминиевые так и стальные, выпускаются двух типов: «холодные» и «теплые». Так называемые «холодные» профили (без термовставки) не подходят для фасадов отапливаемых зданий, их применяют для , для устройства тамбуров, ограждений балконов и т.д. «Теплые» профили имеют в своей конструкции термоизоляционные вставки, которые обеспечивают лучшую теплоизоляцию профиля.

СТОЕЧНО-РИГЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Традиционная, или классическая, стоечно-ригельная фасадная система с большим спектром декоративных крышек получила наибольшее распространение как наиболее универсальная и простая система. Она состоит из вертикальных и горизонтальных элементов, образующих каркас фасада. Причем основные конструктивные элементы в этой системе – вертикальные несущие стойки, к которым механическим путем крепятся горизонтальные ригели. Узлы сопряжения двух плоскостей (с переломами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях) конструкции со стеной, с основаниями, а также узлы крепления фасадов и кровель выполняются при помощи специально разработанных элементов. Данные узлы позволяют надежно тепло- и гидроизолировать узлы примыканий к постройке, компенсировать температурные изменения размеров сопрягающихся конструкций. Несущая структура располагается с внутренней, «теплой стороны навесной стены.

Стеклопакеты устанавливаются снаружи и фиксируются прижимной планкой на винтах. Уплотнители из морозостойкой резины обеспечивают герметизацию стыков между стеклом и алюминиевыми несущими профилями. Прижимные планки закрываются декоративными крышками с видимой шириной 50–80 мм. Фасад имеет вид стеклянной поверхности, разделенной четкими горизонтальными и вертикальными линиями декоративных крышек. Открывающиеся элементы: обычные окна и двери или неотличимые снаружи «скрытые» фрамуги – встраиваются в общую систему. В качестве прозрачной ограждающей конструкции стоечно-ригельная система обладает минимальной стоимостью (100–350 у.е./кв. м) при максимальной теплоизоляции (коэффициент теплоизоляции с двойным стеклопакетом Ro от 0,35 до 0,55 Вт/кв. мK).

Срок службы данной системы составляет 20–25 лет.
В России наиболее распространены стоечноригельные системы следующих производителей: SCHUCO (Германия), REYNAERS (Бельгия), REHAU (Германия), HUECK/HARTMANN (Германия), NASA (США), «АГРИСОВГАЗ» (Россия), «ТАТПРОФ» (Россия), METAL PLAST (Польша), GLASKEK (Эстония).

ПОЛУСТРУКТУРНЫЕ СИСТЕМЫ

Полуструктурные системы могут быть горизонтальными и вертикальными. В отличие от классической стоечно-ригельной схемы снаружи на фасаде отсутствуют либо вертикальные, либо горизонтальные профили, что создает дополнительные выразительные возможности. Например, в горизонтально разделенном фасадном остеклении создается ощущение непрерывного горизонтального остекления. Внешние накладки могут иметь различные цвета и формы, которые усиливают декоративность. Стеклопакеты в полуструктурном варианте крепятся в одном направлении традиционным способом (как в стоечно-ригельной конструкции), а в перпендикулярном направлении швы между соседними стеклопакетами герметизируются специальными резиновыми прокладками или полимерными герметиками. Это накладывает ограничение на размеры применяемых стеклопакетов. В качестве открывающихся элементов могут применяться только «скрытые» верхнеподвесные окна.

Данная система остекления по стоимости не намного дороже классического фасада.
Полуструктурные системы есть у многих производителей. Например, SCHUCO (Германия), HUECK/HARTMANN (Германия), REYNAERS (Бельгия), «АГРИСОВГАЗ» (Россия), «ТАТПРОФ» (Россия), «РОСТАЛ» (Россия).

СТРУКТУРНЫЕ СИСТЕМЫ

Структурные системы остекления начали применяться в еще 60-х годах. Это одно из наиболее популярных на сегодняшний день на Западе фасадных решений появилось как результат развития полимерной химии. Металлический каркас структурного остекления такой же, как в стоечно-ригельной и полуструктурной системах. Принципиальное отличие заключается только в способе крепления стеклопакетов при помощи силиконовых герметиков. Стеклопакеты сначала вклеиваются в опорную раму, которая затем атмосферостойкими герметиками крепится к несущему каркасу. Для данной системы характерно полное отсутствие видимых снаружи крепежных элементов, благодаря чему достигается эффект сплошной стеклянной стены.

Особенности системы структурного остекления:
срок службы фасадов, спроектированных в данной системе, не ограничен, поскольку с агрессивной внешней средой контактируют стекло и силиконовый герметик, что особенно важно, учитывая экологическую обстановку в крупных городах и промышленных центрах;
высокая изолирующая способность; легкость эксплуатации, поскольку ровная поверхность позволяет автоматизировать процесс мойки остекления.

Структурная система может также применяться и в качестве кровельного остекления.
Несмотря на высочайшую надежность системы, обеспечиваемую клеевым соединением, в некоторых странах существует требование обязательной дополнительной фиксации стеклопакетов при помощи механических элементов при устройстве структурного остекления на высоте более 8 м.

Это требование обусловлено невысокой стойкостью клеевых соединений к высоким температурам, которые могут возникать при пожаре. Система имеет аналогичный с классической каркас, а следовательно, достаточно близка ей по ценовым показателям. Конечная стоимость структурного остекления зависит от характеристик стеклопакетов, расхода системных профилей и множества других факторов, но обычно не превышает 300–500 у.е./кв. м.
Структурные системы входят в ассортимент большинства производителей. Например, SCHUCO (Германия), REYNAERS (Бельгия), HUECK/HARTMANN (Германия), «АГРИСОВГАЗ» (Россия), «РОСТАЛ» (Россия), «ТАТПРОФ» (Россия) и т.д.

КАССЕТНЫЕ, ИЛИ БЛОЧНЫЕ, СИСТЕМЫ

Кассетные фасадные системы – это естественное завершение эволюции профильных систем для остекления больших поверхностей. Они максимально технологичны, индустриальны, просты и экономичны. Стоечно-ригельный каркас заполняется кассетами заводского изготовления.
Створка может иметь только верхнеподвесное наружное открывание и встраивается в любую секцию без отличия снаружи. Разработанная на базе стоечно-ригельной, блочная система дороже её процентов на 30–40, но дает ощутимый выигрыш в качестве монтажа, поскольку на стройке происходит только навешивание готовых блоков. Т.е. нет сложных, требующих высокой квалификации сборочных работ, а также снижается процент боя.

Плюс скорость монтажа больше раза в 3–4. На сегодняшний день, при нынешних объемах остеклений, это очень важный момент. Особенно в высотном строительстве, где блочную систему можно монтировать без дополнительных приспособлений для наружных работ. Кроме того, при использовании блочных систем гарантировано высокое качество фасада, которое при высотном строительстве невозможно контролировать другим способом. Как альтернативный путь создания стеклянных фасадов во второй половине ХХ века возникли и начали развиваться более сложные системы с пространственно развитым каркасом и отсутствием разделяющих стеклянные панели непрозрачных элементов. В них используются современные материалы и новейшие методики расчета. Эти системы получили название планарных
от английского слова planar – «плоский».

МАТЕРИАЛЫ. АЛЮМИНИЙ

Алюминий – легкий, прочный, пластичный, экономичный, простой в уходе с долгим сроком службы; экологически чистый, он не содержит примесей тяжелых металлов, не выделяет вредных веществ под воздействием ультрафиолетовых лучей и сохраняет работоспособность в любых климатических условиях при перепадах температур от -80oС до +100oС. После обработки поверхности алюминиевых изделий они становятся устойчивыми к вредным воздействиям, вызываемым дождями, снегом, а также смогом.

Из алюминия делают большую часть фасадных «холодных» и «теплых» профильных систем. Профили, как правило, выполняются из 3-компонентного сплава: алюминия, магния, кремния. Их можно анодировать в естественный цвет или окрашивать порошковым методом в любой из цветов по каталогу RAL.

Достоинства фасадов из алюминия:

• большой выбор различных систем и профилей;
• производятся индустриально, что дает высокое качество и низкую себестоимость;в
• зависимости от используемого стекла снижают уровень шума на 4 Дб.

Недостатки фасадов из алюминия:

• непосредственный контакт с другими металлами может вызвать протекание электролитических реакций, что приводит к коррозии;
• более высокая теплопроводность алюминиевого профиля без термовставок по сравнению с деревом и ПВХ-профилем;
• небольшая несущая способность.
  

Для компенсации последнего недостатка используют либо усиливающий алюминиевый профиль, который вставляется во внутреннюю камеру обычного, либо дополнительные стальные конструкции.

СТАЛЬ

Сталь – устойчивый к внешним воздействиям, ударопрочный, долговечный и экологичный материал, обладающий высокими прочностными показателями. Для светопрозрачных фасадных конструкций применяется как обычная гальванизированная сталь, после механической обработки окрашенная порошковыми и эпоксидными красителями высокой стойкости, так и нержавеющая, высокоуглеродистая сталь. Применяя стальные профильные системы можно обходиться без несущих подконструкций. Это положительно сказывается как на объеме работ, так и на внешнем виде конструкции.

Достоинства фасадов из стали:

• повышенная несущая способность и жесткость конструкций. Выдерживают высокие статические нагрузки (в 2,8 раза больше, чем аналоги в алюминии), позволяют создавать большие световые проемы и увеличивать инсоляцию помещения, а также использовать при проектировании стеклопакеты весом до 240 кг при стандартных решениях креплений или весом до 600 кг при установке специальных опор под стекло;
• низкая теплопроводность. Коэффициент сопротивления теплопередаче (R) для различных видов стальных конструкций со стеклопакетом составляет 0,77 кв. м °С/Вт. Температурное расширение стального профиля приблизительно в 2 раза меньше, чем алюминиевого, что позволяет сокращать монтажные зазоры;
• практически неограниченный срок службы;
• высокая коррозионная стойкость. Зависит от тончайшего пассивного слоя из окиси хрома, который формируется на поверхности изделия;
• возможность поверхностной обработки. Профили можно полировать и шлифовать;
• хорошая огнестойкость. Стальные конструкции незаменимы там, где по пожарным требованиям стойки должны стоять не менее 1,5–2 часов. Такие же параметры в алюминиевых конструкциях могут быть достигнуты при использовании специальных наполнителей, что увеличивает их стоимость в четыре-пять раз.

Главным недостатком стали является значительная себестоимость изделий из этого металла и сложность их изготовления.

Учитывая специфику стали как материала, можно сказать, что наиболее перспективными направлениями ее применения в светопрозрачных фасадах являются:

сложные пространственные конструкции (например, планарное остекление), прозрачные конструкции с повышенными огнестойкими требованиями, а также фасадные конструкции, превышающие 120-метровую отметку высоты.
Не менее важную роль в фасадных системах, помимо несущих конструктивных элементов – профилей и подконструкций, играет стекло. Собственно, ему эти конструкции обязаны своим основным достоинством – светопрозрачностью.
Все системы призваны максимально надежно соединить стеклянные панели в одну плоскость, сделать стену из стекла такой же прочной и теплой, как обычная кирпичная.

СТЕКЛО И СТЕКЛОПАКЕТЫ

Современные стекла принципиально отличаются от тех, что применялись еще в середине прошлого века. Они изготавливаются флоат-методом, позволяющим производить стекло со стабильной толщиной, качественной поверхностью, не требующее полировки, без оптических дефектов. Научные исследования и разработки привели к появлению целого спектра различных видов стекол, удовлетворяющих современным
требованиям по теплосбережению, механической прочности, спектральному диапазону пропускаемого излучения и т.д. Ассортимент производимого стекла чрезвычайно широк. Поэтому выбор стекла должен определяться не только эстетическими соображениями, но и оптико-энергетическими характеристиками остекления, условиями его эксплуатации.

В светопрозрачных ограждающих конструкциях наиболее широкое применение получили
следующие типы современных стекол:

• солнцезащитные стекла, обладающие способностью снижать пропускание световой и/или солнечной тепловой энергии. За счет тонкого металлического слоя, нанесенного на поверхность стекла, они либо отражают, либо поглощают солнечное излучение. Во втором случае сами стекла нагреваются и отдают большую часть полученного тепла в наружное пространство и внутрь помещения;
• похожими свойствами обладают цветные или окрашенные в массе стекла;
• ламинированное стекло (триплекс) состоит из двух или более стекол, ламинированных вместе с помощью пленки или специальной жидкости. Основная задача триплекса – защита, поскольку при разрушении осколки стекла остаются на пленке. Кроме того, триплекс способствует защите помещения от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей и улучшает звукоизоляцию;
• закаленное стекло – стекло, у которого путем химической или термической обработки повышается прочность к ударам и перепадам температуры. При разрушении оно распадается на маленькие безопасные осколки. Закаленные стекла могут применяться при производстве стеклопакетов или ламинированных стекол;
• энергосберегающие стекла представляют собой самое перспективное направление.
  К сожалению, в России этот тип стекла еще не столь известен и не так широко применяется, как он того заслуживает. Стекло приобретает энергосберегающие свойства после нанесения на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового
  солнечного излучения, но препятствуют выходу из помещения длинноволнового теплового излучения, например от отопительного прибора.

Для того, чтобы возвести удивительное строение из стекла, нужно быть не только умелым архитектором, но и обладать безупречным вкусом. Представляем 10 самых впечатляющих стеклянных зданий мира!

Штаб-квартира министерства здравоохранения Страны Басков находится в Бильбао, городе на севере Испании. Эта 13-этажная постройка больше напоминает галерею современного искусства, чем офисное здание. Кроме практического назначения, штаб-квартира также является одной из самых популярных достопримечательностей города.

Мастерская Технологического института Канагавы — уникальное строение, состоящее по сути из единственной комнаты размером 2000 кв.м. Расположено в Токио на территории института. Для его строительства использовались лишь стальные перемычки и стеклянные панели, что сделало мастерскую невероятно прозрачной.

Дом Фарнсуорт был спроектирован знаменитым немецким архитектором Людвигом Мис ван дер Роэ в середине XX века по частному заказу от женщины-врача Эдит Фарнсуорт. Это небольшое прозрачное здание с единственной комнатой, практически сливающееся с окружающей природой, стоящее на берегу реки неподалёку от городка Плано в США. В наши дни в доме расположен музей.

Ботанический сад Куритибы. Куритиба — крупнейший город южного региона Бразилии. Её ботанический сад был открыт в 1991 году, сходу став главной достопримечательностью города. В центре сада площадью 240 тысяч кв. м., окружённая фонтанами и водопадами, расположена оранжерея из металла и стекла, вдохновлённая Хрустальным дворцом Лондона.

Отель W, расположенный в Барселоне — олицетворение современной архитектуры. Спроектированный Рикардо Бофилем в форме паруса, этот пятизвёздочный отель с 2009 года украшает побережье Средиземного моря.

Нидерландский институт образа и звука — одно из наиболее необычных зданий во всём мире, особенно эффектно выглядящее ночью. Оно кубической формы и целиком покрыто цветными стеклянными панелями. В здании расположен музей и архив аудио и видеоматериалов.

Пирамида Лувра в Париже считается одним из известнейших стеклянных строений современности. Построенная в 1989 году в качестве входа в Лувр, она первоначально вызвала резкую критику, но быстро набрала популярность и славу. Проектом руководил архитектор Бэй Юймин.

Небоскрёб Мэри-Экс, также известный как «Огурец» — 40-этажный символ современной архитектуры в финансовом центре Лондона. В нём нет углов, и он целиком покрыт стеклом, вершину венчает прозрачный купол. В 2004 году проект получил престижную премию Джеймса Стирлинга за лучший небоскрёб в мире.