тел.: +38 (044) 50-292-50
Статьи
 
 
ТЕКТОНИКА СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ФАСАДОВ Сергей Буравченко, Александр Чижевский 01.06 17:21
«В архитектуре понятие тектоники означает пластическое построение формы сооружения в соответствии с ее коструктивной сущностью» — отмечает известный теоретик архитектурной композиции А.М.Соколов. Классицическая теория композиции декларирует, что здание тектонично если оно устойчиво с позиций представлений о «работе» камня в архитектуре. В прошедшем веке появилась новая эстетика невесомых светопрозрачных систем. Возможно возникновение другого тектонического языка объясняется тем, что наряду с ощущением надежности капитальных каменных зданий, человек нуждается и в эстетическом удовольствии от иллюзорной невесомости конструкции. Когда стекла в архитектуре здания становится много, возникает обманчивое впечатление, что архитектура исчезает совсем — архитектурный объем или пространство становится фантомом. Но это только первое впечатление. Действительно, когда многократно уменьшается процент глухих ограждений и капитальных стен в таком сооружении, как объект зрительного восприятия начинают работать в полной мере несущие ажурные структуры, которые задумываются архитекторами и конструкторами по законам строительной механики и сопротивления материалов. И в то же время это чистая эстетика инженерии. Стоит обратить внимание,что такая инженерия реализует законы природы, архитектор с развитой ассоциативной памятью или целенаправленно изучающий природные явления может использовать бионические принципы — то есть те законы, по которым существуют биологические организмы — растения, животные — или возникают продукты их жизнедеятельности — соты, паутина, гнезда… Эстетическая потребность в невесомости стен и инженерная работа над реализацией задач их прочности и стала базой для комплексного направления в архитектуре и конструкторском искусстве, которое получило наименование «структурное остекление» (Structural glazing). Этому способствовало развитие науки об инженерных расчетах металлических конструкций, которые позволили выполнять несущие основы стен все более ажурными, использующими силы растяжения тонких профилей и тросов, образующих несущую систему светопрозрачного здания. Главный тектонический элемент здания из стекла — несущая основа здания в целом, которая одновременно поддерживает стекла или стеклопакеты светопрозрачного ограждения — так называемая субструктура (в английской терминологии substructure — буквально «подконструкция») (1). Вторая группа важных элементов — узлы соединения субструктуры со стеклом, которые становятся нередко самостоятельными произведения дизайнерского искусства, по своему значению сопоставимыми с такими элементами «ордера» как кронштейны, капители, базы, карнизы и т.п. (2). В одних случаях, эти узлы воспринимаются только изнутри, но от типа соединения зависит и сама композиционная структура фасада — абсолютно гладкого, или с элементами креплений — горизонтальных, вертикальных либо точечных. Третья часть тектонической системы — вынесенные на фасад солцезащитные элементы (3) в виде ажурных козырьков, жалюзийных навесов и решеток, в том числе динамических — изменением углов поворота реагирующих на состояние погоды и освещенности. В конкретном сооружении или в конкретной фасадной системе в эстетическом плане субструтура, узлы соединения и солцезащитные устройства образуют единый эстетикостилевой алфавит ее архитектурного языка. Рассмотрим указанные части архитектуры стеклянного сооружения в их различных разновидностях. 1. Субструктуры. 1.1. С увеличением остекленной поверхности, к которой не подходят несущие элементы здания, простая решетка из алюминия уже не справляется с ветровыми нагрузками. Поэтому по вертикали или горизонтали возникают столбы или тяги усиления в виде прямоугольных или круглых труб или двутавров (ил. а1, б1). Индивидуально изготавливаемые крупноразмерные двутавры могут иметь ажурную среднюю полку. 1.2. Для увеличения жесткости субструктуры из столбов или горизонтальных балок в плоскости фасада используются растяжки — диагональные и крестообразные, узлы соединений которых с несущими элементами эстетически обыгрываются (цилиндрическая резьба устройств натяжения, лекальной формы петли-косынки, узлы сферической формы) (в1, а2, в2). 1.3. При большем пролете целессобразно заменить сплошные элементы — фермами, которые могут быть стержневыми и тросо-стержневыми. Внешний контур фермы может работать исключительно по принципу растяжения и интерпретироваться в конструкции вантом (б2, б3, б5). 1.4. Если формируется конструкция купола ферма может быть пространственной, то есть состоящей из спаренных плоских ферм и иметь криволинейный контур. Эффектно, когда ритм поперечных стержней совпадает с модулировкой разрезки стеклопакетов (а4, а6, б6). 1.5. Фермы, соединяющиеся в двух или нескольких перекрестрых направлениях, образуют пространственную решетку и позволяют перекрывая создавать большие поверхности остекления (б3, в4, а5, в5). 1.6. Стабилизация образующего контура оболочки может происходить длинными стержнями в виде труб, исходящими из одной центрально расположенной точки. В одних случаях возникают крупномаштабные подпорки, разгружающие пролет посредине (г1). В других случаях, эти опорные элементы принимают вид расположенных внутри пространства арок (г2). Иногда архитектор реализует весьма эффектный прием похожий на лучи солнца, поддерживающие тонкостенную стеклянную цилиндрической формы оболочку с куртинным обрамлением (д1, г3). 1.7. Для полукруглых стеклянных оболочек — радиальные пространственные системы, использующие принцип велосипедного колеса (е1, е2). 1.8. Иногда применяются сплошные сетчатые пространственные структуры на 3-угольном или 6-угольном модуле, по типу знаментитых куполов Фуллера. Необычайная жесткость таких систем, объяснение которой нужно искать в конструктивных расчетах и испытаниях натурных моделей подобных конструкций, позволяет минимизировать диаметр стержней и сделать их визуально невесомыми. Иногда сетка пространственных элементов благодаря найденной кривизне купола сохраняется в пределах поверхности оболочки (е3, е4). Но при больших пролетах применяется как правило укрупненный стабилизирующий контур стержней (г4). При этом иногда система модульных элементов сетчатого купола становится трехмерной, входит в интерьерное пространство (д4). 1.9. Древовидные вертикальные субструктуры — столбы с горизонтальными консолями, поддерживающими точечные крепления больших стекол. Иногда подобные системы поддерживают целые группы «пауков» точечного крепления и внешне начинают походить не только на деревья, но и на мачты парусных кораблей. 1.10. Целая серия бионических форм, выполняемых в стали, армоцементе, а иногда и на основе нового материала армостекла, которое, например, широко применяет в своих работах архитектор Сантьяго Калатрава, ассоциативно напоминают скелеты диковинных животных. Подобные образные ассоциации происходят в силу конструктивной пластичности элементов несущих конструкций и такой же, как в скелетах животных и рыб, иерархичности ее построения. Светопрозрачные заполнения в таких сооружениях почти не видны и позволяют бионическому скелету доминировать в образном восприятии сооружения (г6, г7). Разновидностей таких и других несущих систем может быть очень много. Они могут базироваться на интерпретациях конструктивной схемы здания, поисках образных аналогов из живой природы и беспрецедентных фантазиях архитекторов, проверенных конструктивными расчетами. При этом принципиальным в расчете и конструировании несущих субструктур является только один принцип. Перемещение в узле прикрепления стеклопакета или стекла не должно превышать критерий деформации при любом сочетании нагрузок. Это сочетание нагрузок и воздействий для различных сезонов и погодных условий, с моделированием сейсмики и возможных геологических деформаций, происходит с помощью стандартных и специализированных компьютерных программ. В зависимости от величины, отвественности и класса сооружения, а также с учетом способа крепления светопрозрачных элементов величина допустимого перемещения в узлах выдерживается в интервале 1:3001:500. 2.Узлы сочленения. Существует 2 основных способа соединения светопрозрачных элементов (стекол или стклопакетов) с несущей субструктурой — куртинное и точечное. Для куртинного характерна тонкая решетка из алюминия или стали, размещаемая под стеклопакетами. Для малых пролетов (до 6 м) решетка куртины одновременно выполняет роль субструктуры. Существует 2 способа соединения решетки и стеклопакетов — клеевой, механический, и комбинированный. Для клеевого — используются специальные «структурные» клеи, обладающие глубокой адгезией в стекло и сталь, прочностью и долговечностью. Каждая партия такого клея, перед применением в определенном объекте, проходит аттестацию с учетом конкретных условий применения и необходимые испытания на соблюдение стандартов. Тем не менее в ряде стран, например в Германии, для многоэтажных зданий является обязательным дублирование клеевого крепления механическим в виде особых болтовых или Г-образных фиксаторов, или профилей, прикрывающих стеклопакет с наружной стороны. Следует отметить, что выбор того или иного приема выполнения узла крепления к куртине зависит и от архитектурного замысла архитектора. Оформление наружного шва стеклянной стены является существенной образной характеристикой как формирования композиционной структуры всего фасада, так и нюансной интонации здания, при его восприятии с ближайших дистанций. Рассмотрим некоторые решения узла соединения при куртинном креплении и их влияние на облик здания. 2.1. Клеевое крепление стеклопакета с заливкой наружного шва силиконовым герметиком позволяет получить в максимальной степени гладкую, изотропную, поверхность идеальную для эффекта зрительного исчезновения здания, растворения его в городской среде (ж1, з1, и1). Возможно клеевое соединение с открытым швом, за счет чего могут быть акцентирована разрезка здания на стеклопакеты (ж4). 2.2. Механическое крепление (ж2, и2) позволяет выполнить линию разрезки стены на стеклопакеты более акцентированно, четко, что происходит за счет возможности западания шва и яркой окраски скобы соединения. Иногда узел примыкания стеклопакетов заполняется не силиконом, а пластиковым профилем-жгутом, который может иметь также желаемое цветовое решение (з3). 2.3. Весьма распространеными являются так называемые «полуструктуры» — решения с механической накладкой спереди шва. Хотя некоторые из архитекторов считают «полуструктуры» более тривиальными, такие решения во многих случаях могут нести на себе особую роль в архитектурной выразитекльности фасада. Накладки применяются с «утопленной» серединой (з4), в виде спаренных уголков (и1) и акцентные (ж4), выступающие над стенами. Акцентные накладки в зависимости от замысла архитектора могут выявлять вертикали в композиции здания (з2) или горизонтальные образующие линии фасада (и3). Из накладок акцентного типа может быть в современных материалах воспроизведена композиция по типу английской неоготики (ж3). Однако и обычная решетка при грамотном использовании масштаба композиции и цвета может быть весьма выразительной (ж5, и6). 2.4. Более активно выступающие над фасадом накладки полуциркульной (ж6) или стрельчатой (з6) формы позволяют содзавать существенные для композиции фасада горизонтальные или вертикальные тяги. 2.5. Кроме швов, определенную роль в формировании крупномасштабного рисунка фасадов играют так называемые «спандрелы» — непрозрачные утепленные изнутри участки фасада накрытые декоративным стеклом (ж5). Хотя существуют методы подбора тональности стекла над «спандрелом» приближающиеся к прозрачному, при определенном освещении, допустим напросвет, все равно будут возникать более светлые или темные полосы. Далее рассмотрим палитру и влияние на тектонику точечных соединений. 2.6. Наиболее распространенным типом точечного крепления в настоящее время является спайдер или паук, выполняемый из нержавеющей стали или алюминия (к1). Существует несолько типов соединения паука и стеклопакета (к2, м2, м3). В распространенной т.н. «планарной» системе крепление происходит путем просверливания отверстий насквозь стеклопакета или через его первое стекло, с выносом наружу декоративной шляпки болта или с ее скрытием. Этот класс решений является неприемлемым для стеклопакетов с внутренней мембраной, а также с инертным газом и требует, как и большая часть точечных систем, применения особопрочного стекла. 2.7. Относительно новым является прием с приклеиванием спайдера к внутреннему стеклу (л1, к2). Это решение является безусловно элегантным, хотя при этом качество клеевого соединения будет в системе критическим. 2.8. Иногда для крепления в углу стеклопакетов применяется единый на 4 изделия «пятак» с накладкой (м1, л2). 2.9. В некоторых соединениях такого рода используются стеклянные ребра жесткости (к3, л4). 2.10. Старая схема с угловыми пластинками, применяется и в наше время (к4, л4). Иногда она дополняется встречными ребрами жесткости из стекла, которые усиливают сопротивляемость «подвешенных» структур ветровым нагрузкам. 2.11. Внутрь одного из стекол может быть запечатана специальная шайба с отверстием, в которую всталяется сферический шарнир точечного клепления (к5, л5). Подобный узел позволяет на основе одного шарнира в составе конструкции консоли или спайдера создавать как плоские, так и криволинейные фасады. 2.12. Прогрессивное решение, позволяющее использовать менее дорогостоящие марки стекла, а также стеклопакеты с мембранами — спайдерное крепление в рамках системы 5S (м4, м5, к6, л6, м6). Обрамление в этой системе стеклопакетов тонкими стальными рамками позволяет создать надежное и технологичное крепление к профилям усиления стеклопакета.В зависимости от размеров стеклопакетов могут быть по законам сопротивления материалов созданы самые разнообразные типы спайдеров (например к6). Используя аналогию, спайдер как тектонический элемент можно сравнить с капителью или кронштейном в ордерной системе. По сути это ордерный атрибут современной стеклянной архитектуры. 3. Устройства затенения и климатконтроля. Современные виды стеклопакетов, которые являются селективными фильтрами лучистого потока, позволяют оптимизировать в рамках ориентации здания, географической широты и микроклимата тип светопрозрачного ограждения. Тем не менее условия резко меняются в течение года и даже дня, и во многих случаях применение устройств фасадного регулирования является весьма эффективным. 3.1. Мелкоразмерные (м1, о3) и крупноразмерные (о1, п2) наружные жалюзи — весьма действенный способ блокировки перегрева от высокостоящего южного солнца. Однако архитектор должен решить для себя дилему — витраж создается для максимального раскрытия вида на пейзаж, а жалюзи могут разорвать целостность «картинки». 3.2. Жалюзи могут быть трансформируемыми из светопрозрачного материала и приобретать качества затеняющего устройства при определенных углах поворота ( п1). 3.3. Близкий к восточной культуре, но современный по технологии прием, когда художественная затеняющая решетка помещается внутрь стеклопакета (н2, о2). 3.4. Когда является принципиальным сохранить нерасчлененность вида через витраж высотой в несколько этажей, кроме стекол-фильтров, в качестве устройства, спасающего от солнечного перегрева, может помочь большой консольный навес над крышей (п3). 3.5. В стеклянных зданиях с поэтажным размещением помещений прием раскрытия помещений и блокировки инсоляции решается на основе консольных поэтажных затеняющих экранов. Иногда вынос таких экранов достигает 2-3 метров и они могут становиться шире кверху (н4). При этом, в зависимости от солнечного режима, они могут быть решетчатыми (о4) или выполняться из специального затеняющего стекла, например, молочного (н5). 3.6. По замыслу архитектора затеняющая система может нависнуть над фасадом в виде полусферической оболочки с деревянными жалюзийными лопастями (п4). 3.7. В целом развивается тенденция создания пассивных систем сохранения поступающего солнечного тепла. С целью регулирования распространения тепла в светопрозрачных воздушных прослойках создаются так называемые «дабл-фасады», именемые иначе «дабл скин» (двойная кожа). Современный тип двойного фасада предусматривает в зимних условиях аккумуляцию тепла на солнечном фасаде за стеклянным экраном и его перекачку на затененный, а в летнем режиме — поворот экранов для реализации режима затенения и проветривания (о5, п1, п5, н6). 3.8. «Интеллектуальные» фасады, имеющие динамические затеняющие устройства в виде решеток и тентов, могут, при регулировании компьютерными программами, «самостоятельно выбирать» оптимальный режим своего функционирования (о6, п6). Некоторые из таких опытов динамической архитектуры можно обнаружить в реализации атриумных пространств на Потсдамской площади в Берлине. Безусловно, приведенные выше примеры — это только первая попытка систематизации тектонического языка архитектуры стеклянных зданий.