Эволюция конструктивных решений светопрозрачных фасадов

ЭВОЛЮЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СВЕТОПРО-

ЗРАЧНЫХ ФАСАДОВ

EVOLUTION OF TRANSLUCENT FASADES DESIGN SOLUTIONS

С.Н.Дербина, И.В.Борискина, А.А.Плотников S.N.Derbina, I.V.Boriskina, A.A.Plotnikov

МГСУ

В статье рассмотрены характеристики, развитие и изменение конструктивных схем светопрозрачных ограждающих оболочек зданий в историческом контексте.

This article covers features, development and evolution of buildings' translucent external skins structural schemes within the historical context.

В настоящее время во многих крупных городах мира возведено и эксплуатируется достаточно большое количество зданий со светопрозрачными фасадами. Популярность «стеклянной архитектуры», её внедрение в массовую строительную практику стали возможными за счёт поступательного развития производственных технологий, позволивших реализовать специфические свойства стекла как ни с чем несравнимого по своей эстетической выразительности конструкционного материала. Разнообразию решений светопрозрачных конструкций, реализуемых на современном этапе, вплоть до применения навесных остеклённых стен в высотном строительстве, предшествовал длительный этап инженерного поиска и эволюции, кратко анализируемый в настоящей статье.

Под эволюцией конструктивных решений светопрозрачных фасадов будем понимать развитие и изменение конструктивных схем с постепенным улучшением свойств ограждающей оболочки здания, которое в историческом контексте можно условно разделить на 4 основных этапа:

• здания с фасадами «в одно стекло» (середина XIXb.);

• здания с двухслойным остеклением (середина XXb.);

• здания с остеклением стеклопакетами (70-е года XXb. - на современном этапе);

• здания с использованием системы «двойного фасада» (стеклопакет + 1 стекло) (= с 2000г. - на современном этапе).

Для объективного понимания причин появления каждого из перечисленных этапов, необходим анализ развития светопрозрачной оболочки как конструктивного элемента здания, который наиболее правильно начинать с предпосылок появления зданий с полностью остекленными наружными стенами.

Общепринятой отправной точкой применения крупноформатных светопрозрачных конструкций в архитектуре считается возведение в 1851 году по проекту Джозефа

Рис.1. «Хрустальный дворец» в Лондоне, арх. Джозеф Пэкстон, 1851г.

Пэкстона так называемого «Хрустального дворца», для международной выставки в лондонском Гайд-парке в качестве выставочного павильона (рис.1).

Появлению многоэтажного, и позднее - высотного здания с полностью остеклённым фасадом способствовало _ _ .

изобретение металлического и позднее железобетонного каркаса, позволившее полностью снять с наружных стен несущую функцию. Появилась принципиально новая конструктивная схема - несущий каркас и навесная наружная стена, которая, в качестве оболочки здания, могла быть изготовлена из любого лёгкого конструкционного материала, в том числе и из, стекла. Идея «стеклянного небоскрёба» принадлежащая выдающемуся немецкому архитектору Мису Ван дер Роэ, была впервые реализована им в Соединенных Штатах, в Чикаго, где после окончания Второй мировой войны

были возведены первые здания с полностью остеклёнными навесными стенами.

В начале XX века светопрозрачные фасады зданий проектировались «в одно стекло» (рис.2). Такие здания представляли собой некоторый новый конструктивный тип сооружений, с очень высокими показателями по естественной освещенности и инсоляции помещений, внутри которых создавался специфический эффект. «Стекло, как строительный материал создавало своеобразное взаимоотношение между внутренним и внешним пространством, между зданием и окружающей его сре-дой»[3]. Таким образом, стало возможным возведение относительно недорогих и престижно выглядящих зданий с большими площадями наружного остекления. Одновременно это привело к зарождению идеи индустриализации, связанной со значительным сокращением объемов и трудоемкости работ на строительной площадке за счет заводского изготовления элементов [2].

По истечении некоторого периода эксплуатации зданий с фасадами «в одно стекло», оцениваемого в разных литера-

Рис.2. Принципиальное конструктивное решение фасада «в одно стекло» и особенности формирования внутреннего микроклимата помещения

турных источниках в среднем в течение 10-20 лет, стали очевидными их принципиальные конструктивные недостатки. При низком уровне защиты от внешнего шума, навесная стена «в одно стекло» очевидно не удовлетворяла требованиям по теплозащите. Это можно легко увидеть, записав общеизвестные выражения для определения её теплозащитных характеристик. Так сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0 для одинарного остекления, равно:

R

где

Rb и Rh - соответственно сопротивления теплообмену у внутренней и наружной поверхностей остекления;

ан=23 Вт/м2-0С - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции;

ав=8,7 Вт/м2-0С - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции;

8=0,004м - толщина стекла;

^=0,76 Вт/0С -коэффициент теплопроводности стекла.

Величина термического сопротивления стекла Rct показывает долю теплопотерь, теряемую через стекло за счет теплопроводности. Поскольку коэффициент теплопроводности стекла имеет высокое значение (Х=0,76 Вт/м °С), то соответственно независимо от толщины стекла, сопротивление теплопередаче навесной стены «в одно стекло» недостаточно.

Очевидно, что в этих условиях, при низкой температуре наружного воздуха, температура на внутренней поверхности одинарного остекления будет значительно ниже температуры воздуха внутри помещения, что может привести к выпадению «лишнего» водяного пара на холодной внутренней поверхности остекления в виде конденсата или изморози.

По данным исследования, проведенным в США в начале XX века, было определено среднее значение общего термического сопротивления отдельного рамного элемента навесной фасадной стены высотой в 1 этаж с вставками из различных теплоизоляционных материалов в пределах подоконного участка. «Опыты показали, что при соотношении площади остекленной поверхности к площади утепленного подоконного участка, равном 3:1, даже повышение термического сопротивления подоконного участка в три раза (по сравнению с термическим сопротивлением остекленной поверхности) лишь в незначительной степени увеличило термическое сопротивление рамы в целом»[2]. Это послужило основой для принятия решения архитектором Мисом ван дер Роэ при строительстве знаменитого здания Сигрем-Билдинг. Он отказался от устройства теплоизоляции в пределах высоты этажа, приняв сплошное панорамное остекление на всю высоту от пола до перекрытия. Со ссылкой на эти исследования, немецкий архитектор Рольфа Шааль в своей книге «Конструкции навесных стен», изданной в 1961 году в Германии, и в 1965 году опубликованной в СССР на русском языке делает вывод о том, что «общая величина термического сопротивления может обеспечить экономичность только тогда, когда будет повышено термическое сопротивление остекленной поверхности стен...»[2]. В противном случае для обеспечения комфортных условий пребывания человека в помещении необходимо дополнительное

отопление в зимнее время и кондиционирование в летнее время вследствие перегрева от солнечного излучения.

В этом контексте нужно отметить, что в России, большинство территорий которой характеризуется долгой и продолжительной зимой, отапливаемые здания с фасадами «в одно стекло» не строились никогда. Вместе с тем, это решение до сих пор продолжает применяться в странах с жарким климатом - на юге США, в Индии, Австралии и др.

Постепенное переосмысление конструктивных недостатков светопрозрачной оболочки «в одно стекло» привело к появлению двухслойного остекления. Так как одной из главных проблем одинарного остекления было недостаточное сопротивление теплопередаче, то для его увеличения установили второе стекло с образованием между стеклами воздушной прослойки. К величине термического сопротивления теплопередаче Яо в уравнении (1) добавилось термическое сопротивление воздушной прослойки Рвп=0,2 (м2- °С)/Вт. Таким образом, общее сопротивление теплопередаче остекления повысилось до

Ro=0,16+ R„n + Rem =0,16+0,2+0,005=0,36

Традиционное решение двухслойного остекления листовым стеклом могло быть выполнено в двух вариантах: со спаренными или с раздельными переплетами. Причем для обычного оконного остекления применялось спаренное, а для фасадов раздельное остекление. Именно такой принцип проектирования светопрозрачных конструкций был использован во всех зданиях, возведённых в нашей стране до начала 90-х годов XX столетия.

В зарубежной практике для остекления относительно больших площадей фасада в основном использовали двухслойное остекление с раздельными переплетами. Так, например, в системе швейцарской фирмы «Гирш», Биле створные переплеты навешивались прямо на обвязки рам, а пластическая обработка фасада достигалась путем установки дополнительного лицевого слоя на относе

Рис.3. Принципиальное конструктивное решение системы швейцарской фирмы «Гирш», Биле, 1950-60 гг.

С увеличением теплоизоляции наружной стены увеличились и ее показатели звукоизоляции от воздушного шума за счет упругой работы воздуха в межстекольной прослойке. Для защиты от солнечного излучения в двойном остеклении появилась теоретическая возможность устанавливать солнцезащитные устройства в межстекольное пространство, защищенное от атмосферных воздействий и ветра. Однако, в конструкции традиционного массового двухслойного остекления, эта идея в то время не была реализована.

Двухслойное остекление с раздельными переплетами можно увидеть в фасадном остеклении зданий, возведённых в Москве в начале XX века. В качестве примера могут быть приведены дом Центросоюза (ныне - Госкомстата) на Мясницкой, возведённый по проекту Ле Корбюзье (рис.4) и универмаг «Москва» на Ленинском проспекте, спроектированный архитекторами Ю.Пересветовым, Б.Соболевским, Л.Ляховым (рис.5).

На первый взгляд, были решены основные проблемы предыдущего этапа развития светопро-зрачных ограждающих конструкций. Однако массовое возведение зданий с большими площадями наружного остекления, прежде всего - высотных, определило необходимость следующего технологического шага. Рис.4. Дом Центросоюза (Госкомстата).

Москва, ул.Мясницкая д.39.

Прежде всего, сказалась низ- _Арх. Ле Корбюзье, 1929-1936гг.

кая технологичность двухслойного остекления с раздельными переплетами. С установкой второго стекла увеличилась масса конструкции и трудоемкость монтажа за счет невозможности изготовления элементов фасада на заводе. Дополнительно возникла проблема запыления межстекольного пространства, возникавшая за счёт инфильтрации воздуха, в местах сопряжения -профильных (рамных) элементов и стекол (рис.6).

В середине XX столетия развитие производственных технологий привело к созданию эффективного и технологичного решения для остекления большой площади, в котором использовались стеклопакеты с замкнутой воздушной прослойкой, используемое в подавляющем большинстве зданий, возводимых в настоящее время как в Европе, так и в России.

Рис.5. Универмаг «Москва». Москва, Ленинский проспект. д.54. Арх. Ю.Пересветова, Б. Соболевский, Л.Ляхов, 1963гг.

2/2011

ВЕСТНИК

Рис.6. Принципиальное конструктивное решение и эксплуатационные особенности светопрозрачно-го фасада с раздельным остеклением листовым стеклом

Рис.7. Искривленные стеклопакеты на фасаде выставочного павильона «Экспоцентра», г.Москва.

Однако, наряду со множеством преимуществ, применение стеклопакетов вызвало к жизни ряд специфических проблем, в значительной степени отразившихся как на архитектурном облике сооружений, так и на проблемах формирования напряжённого состояния наружного стекла.

Причиной возникновения изгибных деформаций стеклянных пластин, образующих герметичный стеклопакет, стали специфические по своей природе нагрузки от перепадов атмосферного давления и температур, зрительно выражающиеся в искажениях фасадной плоскости, видимых невооружённым глазом (рис.7). В европейских нормативных документах эти нагрузки получили название «климатических» или «внутренних» [4].

Кроме этого, на протяжении всего периода эксплуатации наружное стекло традиционного пакетного остекления подвергается циклическому воздействию труднопрогнозируемого сочетания ветровой и климатической нагрузок, дополнительно осложняемого тепловым воздействием солнечной радиации (рис.8). При наличии широкого ассортимента солнцезащитных стёкол, применение устройств наружной солнцезащи-ты в таких конструкциях затруднено в силу их высокой подверженности воздействию атмосферных осадков и ветра.

Одним из путей решения указанных проблем, является тенденция к созданию систем «двойных фасадов» с дополнительным наружным экраном «в одно стекло», находящих всё более широкое применение в европейской практике (рис.9).

Рис.8. Принципиальное конструктивное решение светопрозрачного фасада с традиционным пакетным остеклением и особенности формирования внутреннего микроклимата помещения

Рис.9. Здание с двойным стеклянным фасадом. Общий вид. Торговый центр в

г.Кельне, Германия.

Под термином «двойной светопрозрачный фасад» в общем смысле понимается конструкция, состоящая их наружного экрана в одно стекло, воздушной прослойки толщиной 300 - 600 мм и внутренней ленты остекления, заполняемой стеклопакетами. Внутренний фасад может быть полностью остеклён пли иметь непрозрачные вставки. [5]

Наружный экран «в одно стекло» не подвержен воздействию «климатических» нагрузок и, следовательно, не имеет зрительно выражающихся искажений фасадной плоскости.

Воздушная вентилируемая прослойка между наружным и внутренним остеклениями является буферной зоной, работающей по принципу вентилируемого фасада, что позволяет несколько улучшить температурный режим внутреннего остекления. Также обеспечивается дополнительная защита здания от внешнего шума. Наиболее перспективным свойством «двойных фасадов» является возможность установки сис-

2/2011

ВЕСТНИК

тем солнцезащиты, защищенных от воздействия атмосферных осадков и ветра наружным экраном (рис.10).

Наряду с изменениями условий микроклимата, в системах «двойных фасадов» происходит и перераспределение нагрузок, действующих на светопрозрачную оболочку. Поскольку ветровая нагрузка воспринимается не наружным стеклом пакета, а защитным экраном «в одно стекло», значительно разгружается стеклопакет внутреннего контура остекления. Дополнительный эффект в этом отношении летом создаёт расположение в буферной зоне солнцезащитных устройств.

Необходимо отметить, что конструктивная концепция «двойного фасада», применяемая в настоящее время в Европе, не является до конца сформированной. Результаты многочисленных исследований, проводимых в европейских странах, показывают такие принципиально значимые негативные факторы, как: неравномерное распределение температуры воздуха в буферной зоне по высоте здания, снижение уровня естественной освещённости помещений из-за дополнительного внешнего слоя остекления, возможность выпадения конденсата на внешнем экране, более высокая стоимость строительства, по сравнению с обычным фасадом, дополнительное техническое обслуживание и эксплуатационные расходы, до конца не изучено влияние «двойного фасада» на уровень противопожарной безопасности здания.

Эффективность использования «двойного светопрозрачного фасада» в климатических условиях России на сегодняшний день изучена крайне мало. В отдельных зданиях, возведённых в Москве, «двойной фасад» применен в основном в декоративных целях. В частности, в офисном здании «Эрмитаж-Плаза» в центре Москвы, за счет отражения в наклонном стекле, наложенном на основной каменный фасад, была решена проблема соседства с памятником архитектуры (рис.11).

В большинстве европейских зданий «двойной фасад» применен для обеспечения энергоэффективности, являющейся актуальной проблемой в настоящее время. Благодаря улучшенному температурному режиму воздушной прослойки в конструкции «двойного фасада» при вентиляции помещений, происходит снижение теплопотерь в зимнее время, вследствие чего экономится энергия на отопление. Следуя данной концепции, в Москве в здание бизнес-центра Four Winds Plaza решили повысить энергоэффективность (рис.12).

Рис.10. Принципиальное конструктив ное решение и восприятие нагрузок двойным светопрозрачным фасадом

солнцезащиты

прослойка

Рис.11. Здание «Эрмитаж-Плаза», г.Москва, Россия. Арх. бюро «Сергей Киселев и партнеры»; 2006 год

Рис.12. Здание Four Winds Plaza. г.Москва, Россия. Арх. «Моспроект-2», 2009 год

Краткий обзор конструктивных решений светопрозрачных фасадов, применявшихся на различных этапах развития строительной техники, и приведенный в настоящей статье, говорит о продолжающемся поиске некоторой новой конструктивной идеи «стеклянного» здания, адекватного по комфортности, энергопотреблению и безопасности традиционным зданиям с непрозрачными стенами. В этом контексте идея двойного светопрозрачного фасада выглядит своего рода обновлённым ренессансом раздельного остекления. Её появление, по сути, определяет несколько перспективных направлений как для технологического развития светопрозрачных конструкций, так и для новых объемно-планировочных решений архитектурных концепций.

Литература:

1. Борискина И.В., Плотников A.A., Захаров A.B. «Проектирование современных оконных систем гражданских зданий» Санкт-Петербург: Изд-во «ВЫБОР», 2008. -360 с.

2. Рольф Шааль «Конструкции навесных стен» пер. с нем., изд-во лит-ры по строительству, Москва, 1965г.

3. Юрген Едике «История современной архитектуры» пер.с нем., изд-во «Искусство» Москва 1972г.

2/2П11 ВЕСТНИК

2/20L]_мгсу

4. БЫ 13474 «Стекло в строительстве. Расчёты стеклянных пластин - часть 1: Основы проектирования».

5. Порэйзис X. «Двойные фасады для общественных зданий». Отделение энергоэффективности и проектирования зданий. Кафедра строительства и архитектуры. Лундоновский институт технологии. Лундоновский университет. Лунд. Швеция.2004.С.14-15.

Literature

1. Boriskina I.V., Plotnikov A.A., Zaharov A.V. «Designing modern windows systems of civil buildings» Tutorial. 3rd edition. St.-P., Publishing of Choice, 2008.

2. Rolf Schaal «Construction of curtain walls» translation from German, publishing of construction literature, Moscow, 1965.

3. Jurgen Joedicke «History of modern architecture» translation from German, published by «Art», Moscow, 1972.

4. EN 13474 "Glass in building - Design of glass panes - Part 1: General basis of design".

5. Poirazis H. Double Skin Façades for Office Buildings. Division of Energy and Building Design Department of Construction and Architecture Lund Institute of Technology Lund University.Lund. Sweden.2004.P.14-15.

Ключевые слова: светопрозрачные конструкции, светопрозрачные фасады, конструктивная схема, стеклопакет, навесная стена, теплоизоляция, звукоизоляция, климатические нагрузки, воздушная прослойка, двойной фасад.

Key words: translucent structures, translucent façade, structural scheme, insulating glass unit, curtain wall, thermal covering, acoustic isolation, climatic loads, air cavity, double skin façade.

e-mail: sderbina@gmail.com Тел.8(916) 313-70-22

Рецензент: Лауреат государственной премии СССР, к.ф-м.н., доц. МГТУим. Баумана

Щуров А. Н.