Главная Наши публикации Высотное домостроение Магай А. А., Дубынин Н. В. Современное стекло в архитектуре многофункциональных высотных зданий
Магай А. А., Дубынин Н. В. Современное стекло в архитектуре многофункциональных высотных зданий

Статья опубликована в журнале "Строительные материалы" — 2010 г. - № 4 - С. 108-111, ил.

 

Магай А. А., кандидат архитектуры, профессор;

Дубынин Н. В., кандидат архитектуры, доцент.

 

Современное строительство многофункциональных высотных зданий редко обходится без остекленных фасадов, или как их называют специалисты -  светопрозрачных. Использование стекла для отделки фасадов зданий позволило придать им облик, представляющий как продукт синтеза высоких технологий и инноваций, что полностью соответствует действительности. Созданию такого эффекта способствуют качество стеклянной поверхности, неограниченные возможности ее дизайна и высокая точность монтажа конструкций. Этим светопрозрачные фасады обязаны как постоянно развивающимся решениям своих конструкций, так и материалу, который стал «лицом» фасада – стеклу.

Стекло, используемое в рассматриваемых фасадных системах, имеет принципиальное отличие от стекла в обычных окнах. Это обусловлено тем, что при устройстве больших остекленных поверхностей возникает необходимость решения большего круга архитектурных и конструктивных задач. Кроме основных функций, выполняемых обычными окнами, среди которых теплоизоляция в холодный период, естественное освещение помещений и иногда шумоизоляция, появляются новые, такие как повышение прочности, защита от перегрева летом, снижение теплопотерь зимой, повышение звукоизоляции, особые требования к эстетическим свойствам и многие другие.

Появление стекла, обладающего новыми функциональными и декоративными свойствами, значительно расширило возможности фасадных систем для архитекторов и конструкторов. Однако большое разнообразие стекол требует подхода к их выбору, позволяющего специалисту найти именно то решение, которое целесообразно для конкретного проекта. С учетом основных свойств современных стекол предлагается их классификация, при которой определяются следующие виды стекол: ламинированные, закаленные, армированные, энергосберегающие, солнцезащитные, окрашенные в массе, окрашенные.

Ламинированные стекла (триплекс) состоят из двух и более стекол, ламинированных (склеенных) вместе с помощью пленки или специальной жидкости. Основная задача при создании данного стекла заключалась в повышении его прочности. Ламинирование увеличивает ударопрочность стекла, кроме того, при разрушении оно не рассыпается благодаря ламинированной пленке, на которой остаются прикрепленными его осколки (рис. 1). Использование триплекса, благодаря его прочности, помогает решить следующие задачи:

  • обеспечение безопасности за счет затруднения несанкционированного доступа в помещения (так как данное стекло труднее разбить);
  • снижение опасности от разлетающихся осколков или падающего стекла (стекло разбивается, но сохраняет форму и остается в раме);
  • повышение степени защиты помещения от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (за счёт снижения коэффициента их прохождения через стекла и ламинирующий слой);
  • улучшение звукоизоляции от нежелательных шумов (многослойное стекло способно эффективно снижать коэффициент звукопередачи за счет неоднородной плотности);
  • придание стеклу односторонней видимости (за счёт эффекта поляризации).



Рис. 1. Пример разрушения ламинированного стекла.

Кроме того, можно обеспечить практически любое тонирование стекла разными видами ламинирующих пленок (рис. 2).



Рис. 2. Пример использования в архитектуре возможности тонирования стекла.

Закаленные стекла выполняются путем химической или термической обработки, в результате которой повышается их прочность к ударам и перепадам температуры, по сравнению с обычным стеклом. При разрушении закаленное стекло распадается на мелкие безопасные осколки (рис. 3). Следует обратить внимание на тот факт, что закаленное стекло не подлежит механической обработке, поэтому и выполняться она должна до процесса закаливания.



Рис. 3. Пример разрушения закаленного стекла.

Закаленные стекла могут применяться при производстве стеклопакетов или ламинированных стекол.

Армированные стекла выполняются с армирующей металлической сеткой, являются безопасными и пожаростойкими. При пожаре они служат эффективной преградой дыму и горячим газам. При повышении температуры могут треснуть, однако осколки не выпадают даже при образовании нескольких разломов. Арматура удерживает крупные осколки на месте, предотвращая полное разрушение остекления. Несмотря на использование арматуры, которая видна сквозь стекло, их внешний вид может иметь оригинальный дизайн, и не уступать по эстетике другим стеклам (рис. 4).



Рис. 4. Пример дизайна армированного стекла.

Энергосберегающие (низкоэмиссионные) стекла имеют большое значение для повышения теплоизоляции в зимний период. Проблема энергосбережения стоит чрезвычайно остро во всем мире, в том числе и для большинства регионов России. Как известно, потери тепла через стекло складываются из теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Для уменьшения потерь тепла от теплопроводности и конвекции применяют двойное и тройное остекление (стеклопакеты), но это не дает достаточного эффекта, т.к. большая доля теплопотерь происходит за счет теплового излучения сквозь стекла. Чтобы избежать этого, используется специальное низкоэмиссионное оптическое покрытие, которое пропускает в помещение коротковолновое солнечное излучение, но препятствует выходу наружу длинноволнового теплового излучения.

Характеристикой энергосбережения служит излучательная способность стекла, так называемый эмисситент поверхности (Е) (от слова эмиссия). Под этим понимают способность стеклянной поверхности отражать длинноволновое, тепловое излучение обратно в помещение, длина волны которого меньше 16000 Нм. У обычного стекла Е составляет 0,83, а у специальных, энергоэффективных меньше 0,04. При этом стекло с оптическим покрытием, имеющим значение эмисситента Е = 0,004, отражает обратно в помещение свыше 90% тепловой энергии, уходящей через окно. Чем ниже эмисситент, тем меньше потери тепла.

В настоящее время существуют два вида подобных стекол: «К-стекло» (Low-E) – с «твердым» покрытием и «i-стекло» – с «мягким» покрытием.

«К-стекло» стало первым шагом в выпуске и применении энергосберегающего остекления. При его изготовлении, непосредственно на поверхности, методом химической реакции при высокой температуре (метод пиролиза) создается тонкий слой из окислов металлов InSnO2, который является прозрачным, и, в то же время, обладает электропроводностью. Известно, что электропроводность напрямую связана с излучательной способностью Е поверхности. Величина излучательной способности К-стекла обычно составляет около 0,2.

Следующим значительным шагом в производстве теплосберегающих стекол стал выпуск «i-стекла» (Double Low-E), которое по своим теплосберегающим свойствам в 1,5 раза превосходит К-стекло. Различие между «К-стеклом» и «i-стеклом» заключается в коэффициенте излучательной способности, а также технологии его получения. «i-стекло» производится вакуумным напылением и представляет из себя трехслойную (или более) структуру из чередующихся слоев серебра диэлектрика (BiO, AlN, TiO2, и т.п.). Технология нанесения требует использования высоковакуумного оборудования с системой магнетронного распыления.

Улучшенные характеристики «I-стекла», позволяют ему быстро завоевывать рынок, и сегодня оно применяется для большинства строящихся объектов в Европе. В целом можно отметить, что в настоящее время все крупнейшие производители освоили выпуск энергосберегающих стекол.

Основным недостатком «i-стекол» является их сравнительно пониженная абразивная стойкость по сравнению с «К-стеклом», что представляет некоторое неудобство при транспортировке, но если такое покрытие находится внутри стеклопакета, данный недостаток не сказывается на эксплуатационных свойствах.

Следует также обратить внимание, что при работе с «К-стеклом» и «i-стеклом» необходима специальная квалификация рабочих. Например, существует необходимость зачистки (т.е. снятия) покрытия в месте его контакта со специальным электродом для предотвращения коррозии покрытия вдоль поверхности в процессе эксплуатации, а также для увеличения адгезии бутила к стеклу.

Солнцезащитные стекла, также как и энергосберегающие, обладают способностью снижать пропускание тепловой энергии, но уже внешней – солнечной, которая приводит к перегреву помещений. Солнцезащитными являются, например, окрашенные в массе стекла, а также стекла с специальными покрытиями.

При использовании окрашенных в массе стекол значения пропускания теплового солнечного излучения и естественного света через стекло во внутреннее помещение были почти прямо пропорциональны друг другу. Величина пропускания естественного света снижалась при уменьшении величины проникания излучения в целом. Эффективная защита от солнечного излучения требовала темного цвета солнцезащитных стекол. Однако полученный при эксплуатации опыт показал, что снижение естественного освещения следует расценивать как отрицательный фактор.

В результате стали активно разрабатываться стекла, сочетающие в себе качества отражения солнечного теплового излучения и хорошо пропускающие свет, которые теперь преимущественно и используются. Их получают путем последовательного нанесения нескольких специальных покрытий на поверхность стекла. Как правило, количество покрывающих слоев равняется пяти, из которых четыре содержат окислы металлов, а пятый серебро. Именно серебро создает способность пропускать видимый свет. В случае, когда длина волны больше 0,76 мкм, серебро почти полностью отражает все излучение. Кроме солнцезащитных свойств такие стекла обладают и хорошей теплоизолирующей способностью.

По механизму действия солнцезащитные стекла с покрытием можно разделить на 2 группы: преимущественно поглощающие излучение и преимущественно отражающие излучение.

Стекла 1-й группы изготавливаются путем нанесения кристаллов либо окислов металлов, которые обладают способностью поглощать солнечное излучение, на расплавленную стекольную массу. При поглощении энергии стекла нагреваются и отдают большую часть полученного ими тепла в наружное пространство. Часть тепла, однако, передается внутрь помещений, что является нежелательным явлением, увеличивая потребность энергии на охлаждение здания.

Стекла 2-й группы выполняются за счет нанесения на поверхность готового стекла тонкого металлического слоя, который препятствует проникновению излучения через стекло. Однако отражающие слои все же поглощают какую-то часть излучения, хотя и меньше, чем стекла 1-й группы.

Окрашенные в массе стекла - это абсорбирующее (поглощающее световую и тепловую энергию, солнцезащитное) стекло, при изготовлении которого используются различные красящие вещества. За счет окраски оно поглощает больше солнечной тепловой энергии и света, чем обычное прозрачное стекло. Наиболее распространенными являются серый и зеленый цвета, а также промежуточные между бронзовым и коричневым.

Окрашенные по всей массе стекла, могут выполнять роль солнцезащитных. Однако использование такого стекла с коэффициентом пропускания меньше 50% не рекомендуется, поскольку в жаркий день панели из него могут нагреваться до 80-90"С и выше, что создает большие температурные напряжения, которые приводят к разрушению. В этом случае применяют специальные закаленные, армированные и ламинированные стекла.

Вместе с тем, увлечение тонированным остеклением, дающим значительно отличающийся от природного спектральный состав света, чревато ухудшением самочувствия людей в помещениях (теряется чувство времени, портится зрение и т.п.). Поэтому в Европе от его массового применения отказались.

Окрашенные стекла представляют собой вариант фасадного стекла, которое окрашивается не в массе, а с одной из сторон. На нее наносится особая непрозрачная краска. Такое изделие служит в качестве непрозрачной закрывающей панели, причем его можно вставить в стеклопакет или использовать самостоятельно для вентилируемых фасадов.

Например, одним из видов окрашенного стекла для фасадов часто служит закаленное стекло, на которое наносится особая краска типа керамической фриты. Обработанный таким образом лист используется в качестве непрозрачной закрывающей панели для фасадных парапетов, причем его можно вставить в стеклопакет или использовать самостоятельно. При необходимости, возможно также наносить на стекло различные узоры по методу шелкографии.

В случае сплошного остекления фасада солнцеотражающим стеклом иногда необходимо обеспечить единый зеркальный эффект без «полосатости», возникающей за счет того, что сквозь стекло просвечивают контуры межэтажных перекрытий или другие несущие конструкции здания. Его решение осуществляется за счет этого же стекла с дополнительно нанесенным на обратную сторону непрозрачным эмалевым цветным покрытием.

Рассмотренные виды стекол показывают большое разнообразие их архитектурных и конструктивных качеств, требующих систематизации. Предложенная выше классификация может служить одним из этапов такой работы. Необходимо учитывать, что в конечном изделии могут сочетаться несколько качеств перечисленных видов стекол. Например, ламинированные и закаленные стекла могут производиться с напылением, обеспечивающим их повышенную энергоэффективность, или с нанесением краски в декоративных целях.

В конечном итоге выбор стекла определяется рядом требований, среди которых эстетические соображения, функциональные характеристики, конструктивные качества.

Стеклопакет представляет собой конструкцию из стекол, выполняемую на заводе, за счет чего повышается степень готовности изделий, облегчается и ускоряется монтаж остекления, появляется возможность создания дополнительных качеств светопрозрачных конструкций. Он состоит из двух или нескольких стекол, установленных в так называемую дистанционную рамку с осушителем. Стекла разделены между собой промежутком (воздушным зазором), образующим так называемые камеры. Швы между дистанционной рамкой и стеклами заделываются герметиками. Основная задача герметиков обеспечить надежную герметизацию, не допустив проникновения водяных паров в межстекольное пространство. От качества герметика во многом зависит срок службы стеклопакета.

Стеклопакеты позволят повысить такие характеристики остекления, как теплоизоляция, звукоизоляция, безопасность, обеспечивая при этом высокое качество поверхности.

Теплоизоляция стеклопакетов значительно выше одинарного стекла, что достигается снижением теплопроводности и конвекции за счет устройства камер между стеклами, заполненными сухим воздухом или инертным газом.

Звукоизоляционные качества стеклопакетов зависят от следующих факторов:

  • количества, размера и толщины стекол в стеклопакете;
  • толщины воздушного промежутка между стеклами;
  • проницаемости стыков.

Увеличение количества стекол в стеклопакете не всегда приводит к положительному результату. Если просто установить дополнительные стекла за счет уменьшения воздушного промежутка, то звукоизоляция снижается вследствие повышения резонансной частоты конструкции. При тройном остеклении с акустической точки зрения более целесообразно применять увеличение толщины стекол и воздушного промежутка между ними, при этом камеры стеклопакета не должны быть симметричны. Дальнейшее улучшение показателей достигается путем закачки газа в межстекольное пространство. Более кардинальное решение проблемы – использование в составе стеклопакета ламинированных стекол с шумопонижающими пленками.

Безопасность стеклопакетов - важное качество, необходимое в ряде случаев. Ее уровень различается по классу защиты:

  • класс «А» – остекление, выдерживающее случайный удар;
  • класс «Б» – остекление, устойчивое к взлому, вандализму;
  • класс «В» – пулестойкое защитное стекло.

Для обеспечения безопасности в стеклопакетах используются закаленные, армированные и ламинированные стекла, описанные выше.

Качество поверхности остекленной с помощью стеклопакетов требует особого внимания. Это обусловлено тем, что на большой плоскости, образованной большим количеством стекол, становится заметным малейшее искривление. К такому дефекту фасада, как «волнистость» (когда стеклянная поверхность похожа на «кривое зеркало») могут привести ошибки в монтаже или изготовлении стеклопакетов. Изгиб стекол в стеклопакете, как правило, обусловлен спецификой климата (когда возникает большая разница температур в течение года). Снижение температуры воздуха приводит к сжатию воздуха и уменьшению его давления внутри стеклопакета. Следовательно, давление в межстекольном пространстве стеклопакета, изготовленного летом, будет сильно отличаться от давления зимой. Из-за этого стекла могут прогибаться внутрь стеклопакета (рис. 5).



Рис. 5. Пример эффекта волнистости остекления фасада.

Чтобы избежать «волнистости» стеклянного фасада, необходимо использовать наружное стекло толщиной не менее 6—8 мм в зависимости от размера стеклянных панелей. В конструкцию стеклопакета могут быть включены устройства, компенсирующие перепады давления. Кроме того, необходимо обеспечить качество изготовления за счет использования отработанных технологий и контроля за выполнением технологических требований на производстве.

Применение стеклопакетов, благодаря обеспечению рассмотренных качеств, позволяет повысить эффективность светопрозрачных фасадных систем как при строительстве, за счет ускорения работ, так и при эксплуатации, за счет повышения энергоэффективности зданий. Немаловажным аргументом является и повышение комфорта. Учитывая разные требования к нему в разных помещениях, можно проектировать стеклопакеты с различными стеклами и свойствами. Эта возможность особенно важна для многофункциональных высотных зданий, включающих разнообразные по своему назначению помещения и, соответственно, имеющие различные требования к освещению и микроклимату в целом. Кроме того, изменение свойств остекления может потребоваться в зависимости от высоты размещения помещений, и их ориентации по странам света, что также влияет на освещенность и теплопотери. Немаловажным фактором, определяющим требования к внешнему виду стекла, является дизайн фасадов. Использование стеклопакетов разных конструкций, с разными стеклами позволяет решить все эти архитектурные вопросы.

Таким образом, использование современных стеклопакетов и стекол является результатом использования достижений инновационных технологий. Это обеспечивает новые возможности повышения архитектурно-художественной выразительности светопрозрачных фасадных систем и улучшения их эксплуатационных качеств и служит успешному применению данных решений в архитектуре многофункциональных высотных зданий.