УДК 69.032.22
А.А. МАГАЙ, канд. архитектуры (magay_1@mail.ru),
Н.В. ДУБЫНИН, канд. архитектуры ЦНИИЭП жилища (Москва)
Современное стекло в архитектуре многофункциональных высотных зданий
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 их как продукт синтеза высоких технологий и инноваций. Созданию такого эффекта способствуют качество стеклянной поверхности, неограниченные возможности ее дизайна и высокая точность монтажа конструкций.
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 тепло-, шумоизоляция, естественное освещение помещений, 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 для архитекторов и конструкторов при создании фасадных систем. С уче-
Рис. 1. Пример разрушения ламинированного стекла
том 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 заключается 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 помогает решить следующие задачи:
• обеспечение безопасности за счет затруднения несанкционированного доступа в помещения;
• снижение опасности от разлетающихся осколков или падающего стекла;
• повышение степени защиты помещения от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (за счет 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 счет эффекта поляризации).
Кроме того, можно обеспечить практически любое тонирование стекла разными видами ламинирующих пленок (рис. 2).
Закаленные стекла изготовляют путем химической или термической обработки, в результате которой повышается их прочность к ударам и перепадам температуры. 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.
Закаленные стекла могут применяться при производстве стеклопа-кетов или ламинированных стекол.
Армированные стекла выполняются с армирующей металлической сеткой, являются безопасными и пожар о стойкими. 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 наличие арматуры, которая видна сквозь стекло, их внешний вид может иметь оригинальный дизайн и не уступать по эстетике другим видам стекол (рис. 4).
Энергосберегающие (низкоэмиссионные) стекла имеют большое значение для повышения теплоизоляции в зимний период. Для уменьшения потерь тепла применяют двойное и тройное остекление (стеклопакеты), но это не дает достаточного эффекта, так как 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). Под этим понимают способность стеклянной поверхности отражать длинноволновое (длина волны меньше 16000 Нм), тепловое излучение обратно в помещение. У обычного стекла Е = 0,83, а у энергоэффективных Е < 0,04. При этом стекло с оптическим покрытием, имеющим значение эмисситента Е = 0,004, отражает обратно в помещение свыше 90% тепловой энергии. Чем ниже эмисситент, тем меньше потери тепла.
108
научно-технический и производственный журнал
апрель 2010
feWlSilitfibilS Ы ®
Рис. 2. Вариант использования тонированного стекла
В настоящее время существуют два вида подобных стекол: «k-стек-ло» (Low-E) — с «твердым» покрытием и «i-стекло» — с «мягким» покрытием.
В выпуске и применении энергосберегающего остекления «k-стек-ло» стало первым шагом. 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 излу-чательной способностью Е поверхности. Величина излучательной способности «k-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 «k-стекло». Различие между «k-стеклом» и «i-стек-лом» заключается в коэффициенте излучательной способности, а также в технологии его изготовления; «i-стекло» производится вакуумным напылением и представляет собой трехслойную (или более) структуру из чередующихся слоев серебра диэлектрика (BiO, AlN, TiO2 и т. п.). Технология нанесения требует использования высоковакуумного оборудования с системой магнетронно-го распыления.
Улучшенные характеристики «i-стеклом» позволяют ему быстро завоевывать рынок, и оно все чаще 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-сте-кол» является их сравнительно пониженная абразивная стойкость по сравнению с «k-стеклом», что представляет некоторое неудобство при транспортировке, но если такое покрытие находится внутри стеклопа-кета, этот недостаток не сказывается на эксплуатационных свойствах.
Следует также обратить внимание, что при работе с «k-стеклом» и «i-стеклом» необходима специальная квалификация рабочих. Например, существует необходимость зачистки 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, так же 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 со 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. Полученный при эксплуатации подобных стекол опыт показал, что снижение естественного освещения следует расценивать как отрицательный фактор.
В результате стали активно разрабатывать 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, покрытие состоит из пяти слоев, из которых четыре содержат окислы металлов, а пятый — серебро. Именно серебро создает способность пропускать ви-
димый 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 две группы: преимущественно поглощающие излучение и преимущественно отражающие излучение.
Стекла первой 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 наружу. Однако часть тепла передается внутрь помещений, что является нежелательным явлением, увеличивая потребность энергии для охлаждения помещений.
Стекла второй группы получают 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 первой группы.
Окрашенные в массе стекла — это абсорбирующие (поглощающие све-
j'vJ ®
научно-технический и производственный журнал
апрель 2010
109
Рис. 3. Пример разрушения закаленного стекла
товую и тепловую энергию, солнцезащитные) стекла, при изготовлении которых 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 менее 50% не рекомендуется, поскольку в жаркий день панели из него могут нагреваться до 80—90оС 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 отказались от его массового применения.
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 стеклопа-кет 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, который можно вставить в стеклопакет или использовать самостоятельно. При необходимости возможно также нанесение на стекло различных узоров по методу шел-кографии.
В случае сплошного остекления фасада солнцеотражающим стеклом иногда необходимо обеспечить единый зеркальный эффект без «поло-сатости», 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
Рис. 4. Пример дизайна армированного стекла
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. Стеклопакеты повышают 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.
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 тол-
Рис. 5. Эффект «волнистости» остекления фасада
110
научно-технический и производственный журнал
апрель 2010
ы ®
щины 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.
Для обеспечения безопасности в стеклопакетах используются закаленные, армированные и ламинированные стекла, описанные выше.
Поверхность, остекленная 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 (рис. 5). Изгиб стекол в стеклопаке-те, 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, дав-
ление в межстекольном пространстве стеклопакета, изготовленного летом, будет сильно отличаться от давления зимой. Из-за этого стекла могут прогибаться внутрь стекло-пакета.
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 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. Это особенно важно для многофункциональных высотных зданий, включающих разно-
образные 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.
Ключевые слова: архитектура, стекло, светопрозрачные фасады, многофункциональные высотные здания.
Двенадцатая специализированная выставка
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
I
26-29 ЯНВАРЯ
МОСКВА, ЦВК «ЭКСПОЦЕНТР»
0рг,ниит0ры: >'£ лгкйЁй^ (§) евроэкспо ГГГГ 'Тт--^
тпшшисттпшгкпвь! ИЦЦДЬКЛПА, , ^
явскы
ПРИ СОДЕЙСТВИИ:
екгг— йг^г™*" жсяеэт юм йЗЗ ■ ■ пю*лии( Ш_я щшщ
WWW.DSMEXPO.RU
Е-таМ: osm@osmexpo.ru
Тел.: [435] ЭЭ5 65 В 1 /БЭ Факс: [433] 24В ОУ 34
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал
: : ® апрель 2010 ТТТ