Антон Гороломов,
Иванка Маринова,
ВСУ „Любен Каравелов” –
София
Исторически погледнато, възникването на структурните фасади, макар че е относително ново явление в строителството, е следствие на дългогодишни традиции, опит, иновации и усъвършенстване на строителните техники за ограждане със стъкло.
Като материал стъклото се появява още през 4 хилядолетие пр.н.е., когато се използва за глазури и не е имало архитектурно приложение. Доста по-късно то започва да се използва и за остъкляване на сградни отвори. Важно е да се отбележи, че в епохи на бурен икономически подем стъклените украси (витражи) са съпътствали всички представителни постройки. През Средновековието единствената позната строителна система е носещи стени, които не са позволявали големи подпорни разстояния, големи височини или големи осветителни отвори.
През готиката се случва следният исторически важен момент – преоткрива се скелетната система (скелетноарковата и скелетносводовата), което позволява концентриране на носещите елементи в снопове стълбове и освобождаване на стените от носеща функция и следователно възможност за по-големи осветителни отвори.
Технологията на производството обаче все още не позволява създаване на големи парчета без значителни дефекти, оттам и витражите – площи, запълнени с надребнени стъкла.
С настъпването на индустриалната епоха скелетногредовата система претърпява развитие с появата на материали (бетон и стомана) и нови конструктивни: за по-бързо изграждане – сглобяеми, и за по-големи подпорни разстояния – шедови, черупки и др. Стените се освобождават съвсем от носеща функция, а същевременно, за да се удължи работният ден, но и да се пести от изкуствено осветление, се появява и необходимостта от богато остъкляване. В този период обаче вече е налична и технологията за манифактурно производство на големи количества и с големи квадратури стъклени парчета.
Историческият преглед разкрива, че тенденцията към остъкляване на големи повърхности е вълнувала хората от най-древни времена. Стъклото винаги е внасяло представителност и е символизирало богатство, охолство и разкрепостен дух. И до ден днешен една основна задача на архитекти и дизайнери е да намалят „плътта” на сградата за сметка на все по-мащабни и грандиозни остъклявания. Съвременна тенденция е почти пълната дематериализация на сградата, превръщайки я в ефирно стъклено творение на модерния дизайн.
Структурните фасади са относително нов клас строителни технологии. Те са част от обвивката и интегрират конструкцията й в една система. Целта е постигане на по-голяма прозрачност на ограждащата конструкция, проникване на повече светлина. Така сградата престава да бъде плътна обвивка, изолираща хората вътре от обграждащата ги среда. Тя се превръща в заслон за обитателите от неблагоприятните явления на природата, без да откъсва от нея, без да ограничава връзката с нея.
Настоящото изложение разглежда редица проблеми, свързани с конструкцията и материалите за напасване на структурни фасади. Направена е класификация според конструктивното решение и според поведението при премостване. Предложени са български термини, съответстващи на английските open system и closed system, тъй като авторите не са попаднали на коректни такива. Проучени са и материалите за изграждане на структурните фасади и техните предимства и недостатъци.
Конструктивни решения
и поведение
при премостване
Конструктивни решения
В зависимост от начина на поемане на усилията от теглото на стъклените плоскости, както и от вятъра върху тях и предаване им чрез носещите профили на конструкцията на сградата, структурните фасади се разделят на затворени и отворени.
Термините са буквален превод на тези от английски – open system и closed system. По-подходящи дефиниции на български биха били „вътрешно геометрически изменяема” и „вътрешно геометрически неизменяема” конструкция, като под понятието „геометрическа неизменяемост” се включва и мигновена неизменяемост (двата главни полюса и релативният полюс на два диска да не лежат на една права). Въпреки това за краткост по-нататък в доклада ще се използват термините „отворена” и „затворена” като общоприети.
Затворена е онази конструктивна система, която представлява вътрешно геометрически неизменяема конструкция, която е един окрупнен диск, т.е. би запазила формата си, дори и да не е монтирана към носещата. Прости примери за затворена система са обикновените прътови форми, конструкциите, образувани от конзоли, укрепените с достатъчен брой външни връзки кинематични вериги и т.н.
Отворена е онази система, чиято неизменяемист се осъществява чрез окачването за носещата конструкция на сградата, т.е. без да е окачена и предварително напрегната, и представлява механизъм с една, няколко (прътова конструкция с допълнителни стави) или безкрайно много степени на свобода (въжена конструкция). Представители на отворената система са въжените ферми, висящите конструкции, укрепените с недостатъчен брой външни връзки кинематични вериги и т.н.
Поведение при премостване
Според поведението си при премостване на отвори структурните фасади се делят на равнинни и пространствени. Пространствените са по-корави, особено на огъване от хоризонтални сили, позволяват по-равномерно предаване на товарите, но пък изискват повече място.
Типовете структурни фасади еволюират с времето от по-прости към по-усложнени. Първоначално се използват като гредови тип, после – като проста равнинна, пространствена, въжена ферма, конструкция от стъклени пластове (Glass fin), черупкови конструкции, мрежа от въжета (кабели). Всеки следващ тип дава все по-богати архитектурно-декоративни възможности, способен е да премоства по-големи разстояния. Забелязва се и още една тенденция – към все по-силно дематериализиране на конструкцията, към все по-изявена стъклена повърхност за сметка на неизявяването й. Има и обратни решения, при които тя нарочно се изявява, но и при тях стремежът на архитектурно-конструктивното решение е тя да създава чувство за лекота, да не доминира над гладката и модернистично звучаща повърхност на стъклото. Все пак, ако се набляга върху тектониката на конструкцията, то изявената част от носещите елементи трябва да вдъхват чувство за сигурност, да не бъдат прекалено тънки като декоративни.
Пространственото разположение на носещите елементи участва активно и в архитектурната композиция. Чрез тях може да се създават метрични и ритмични редове. Наличието на прави ъгли внася усещането за статичност, за спокойствие, а острите внасят динамика. Наклонените конструкции привличат вниманието към себе си – те са оригинални, различни от традиционните сгради. Разбира се, ако се прекали с наклона и конструкцията стане визуално неустойчива, това би се счело по-скоро за негативен ефект от посетителите. Трябва винаги да се търси оптимално решение между архитектурната идея и инженерната мисъл, особено при инженерни съоръжения като структурните фасади.
Материали
за структурни фасади
Стомана
Тя се използва за носещата конструкция на структурната фасада и за профилите за захващане на стъклата. Класът й се избира съобразно усилията, възникващи в прътите (границата й на провлачване), дуктилността (способността да образува пластични стави за дисипация на напреженията при краткотрайни изчислителни ситуации). Изделията, които се използват, са валцувани и съставни профили, студено огънати, въжета, закрепващи устройства за стъклото. Размерите им се определят съобразно конструктивните изчисления.
Алуминий
Конструкциите от алуминий не се различават от стоманените спрямо изискванията към тях. Те са значително по-леки, материалът е по-корозионно устойчив, но е и значително по-скъп.
Стъкло
Това е строителен материал с голяма прозрачност (над 90% от видимия спектър), с възможност за непропускане на определен вид лъчи – инфрачервени, ултравиолетова светлина. Основни свойства са прозрачност, висока якост на натиск (700 – 1000 MPa) и твърдост (5 – 7 по Моос), висока химична устойчивост, водонепропускливост, висока мразоустойчивост, ниска топлопроводимист (0,5 – 1,35 W/m.K), добри звукоизолационни показатели, износоустойчивост, възможност за механизация и автоматизация на производствения процес, голяма крехкост, ниска якост на опън, неустойчивост на резки температурни промени, слабоустойчивост на действието на основи и на флуороводородна киселина (HF, чистене на повърхности).
Богатата гама на видовете стъкла допринася за различното им приложение и различен декоративен ефект. От всички видове при изграждане на структурни фасади поради своите качества намират приложение следните:
Флоатно (1959, Pilkington – метод Float) – има дебелина от 0,5 до 20 mm. Изключително гладко е, при структурните фасади намира приложение при малък размер на клетките (полетата на остъкляване), т.е. в случаите когато се набляга на мрежата, а не на дематериализацията на конструкцията като ефект в архитектурната композиция. Причината е относително по-малката якост, по-голямата крехкост. По принцип не е добре да се използват тези стъкла, защото се разтрошават при счупване и са по-опасни.
Изтеглено – има по-лошо качество, не се използва за структурни фасади.
Прозоречно – използва се разновидността му витринно с дебелина 5 – 15 mm.
Армирано – достатъчно здраво е, но в повечето случаи пропуска по-малко светлина, неестетично е. Не го препоръчваме за структурни фасади, но може да се използва.
Полирано – много добри естетически качества поради гладката повърхност. Подходящо е да се използва при стремеж фасадата да изглежда монументално и да въздейства с гладките си повърхности без детайли по тях.
Орнаментно – използва се обратно на полираното – при желание за постигане на ефект чрез детайлна орнаментика по фасадите.
Закалено – при удар се разрушава на малки сферични зърна до 6 mm. Именно това поведение го прави особено подходящо.
Ламинирано (безопасно, многопластово) – при удар само се напуква. Известен пример е трислойният triplex. Подобно на предишното е подходящо за фасадно остъкляване.
Защитно – многослойно, съчетания между силикатното и негови полимерни заместители (оргстъкло, поликарбонат и др.), свързани с полимерни слоеве. Устойчиво е на удар и от тази гледна точка е подходящо за структурни фасади.
Слънцезащитно – намалено пропускане на светлинната и/или слънчевата топлинна енергия, най-често пропускат 65 – 75% от нея и 30 – 35% от инфрачервените лъчи. Част от топлината, попадаща върху стъклото, се поглъща (зависи от дебелината). Подходящо е при фасади на сгради, разположени на слънчево и топло през цялата година място. Ако сградата е в област със сезони (както е България) или особено в студени страни с малко на брой слънчеви дни в годината, това стъкло е неподходящо.
Нискоемисийно – К-стъкло, Low-E, селективно. Този тип остъклявания са особено подходящи в контекста на световната тенденция за енергийна ефективност.
Стъклопакет – два или няколко листа стъкло, които са херметически съединени по периферията, като въздухът между тях е заменен с газ – хексафлуорид (SF6), аргон или смес от газове. Подходящи са, защото имат значително по-добри топлотехнически качества от единичните стъкла.
Една от най-съвременните тенденции е съчетанието на структурните фасади с възможностите, които предоставя развитието на нанотехнологиите. Пример за това е самопочистващото се – няколко различни по химичен състав слоя, нанесени по външната страна (TiO2 – нанокристали до 50 nm). Има два механизма на действие: фотокаталитичен – абсорбиране на УВ слънчево лъчение, което реагира химично с мърсотията и органичните наслоявания, протичат процеси на окисляване и отслабване на адхезията към повърхността, и хидрофилен – привличане на дъждовната вода, която се стича по стъклото без образуване на капки. Проблемът за почистването на големите повърхности е един от най-съществените при избора на типа сградна обвивка.
Използването на други покрития в комбинация със закалени стъкла и прочее може да доведе до отлични резултати.
Специални видове, като ултравиолетово, термоустойчиво, огледално, устойчиво на радиоактивни излъчвания и др., практически нямат смисъл да се използват за структурни фасади, освен огледалното. В заключение ще изтъкнем отново, че правилният избор се основава както на естетическите му качества, така и на експлоатационните. Основен критерий при избора трябва да бъде якостта и устойчивостта на удар, т.е. дали може да се разположи на желания отвор между носещите профили.
Начини на закрепване
на стъклото за носещите профили
Панелни системи – стъклото се окачва по цялата си периферия за стоманени или алуминиеви профили. Фиксирани в точка стъклени плоскости – често се използват, особено при желание за дематериализация на обвивката и усещане за лекота и простор. Фиксирани са в точка и окачени стъклени плоскости.
Структурно остъкляване – стъклата са залепени за метални рамки, които се захващат директно за носещата конструкция на сградата. Може първо да се захванат рамките за сградата посредством закладни части и после за тях да се захванат стъклените плоскости със здрав силикон или стъклата да се монтират първо за рамките (за предпочитане в завод) и после за конструкцията като цели панели.
Ограничения при използване на определени конструктивни решения от функционална и конструктивна гледна точка
Структурната фасада е неделима част от сградата и тя е в определена взаимовръзка с другите елементи. Първо, ако е изпълнена с пространствени ферми, изисква място, отнема от застроения обем.
Второ, тя товари допълнително конструкцията, което трябва да се отчита особено при проекти за стари сгради. Тогава препоръчваме затворен тип, за да товари носещата конструкция предимно вертикално, да не се налага силите от предварително напрягане да се поемат от колоните, които не са били изчислени за това въздействие. Използването на равнинни прътови или въжени носещи ферми не е желателно при големи ветрови натоварвания (т.е. високи сгради, открити крайморски местности и пр.) поради малката огъвна коравина по това направление и възможността за получаване на недопустими деформации или разрушение.
Заключение
Ролята на правилния подбор на конструкция на структурната фасада е от голямо значение за експлоатационната надеждност, за функционалната издържаност, за естетическия образ на сградата и архитектурния й облик като цяло. Архитектите и инженерите конструктори и технолози трябва добре да познават възможностите на материалите и конструктивните системи, които изложихме накратко в настоящата публикация.
ЛИТЕРАТУРА
1. Patterson, M. Structural facades – a unique building technology.
2. Стоянов, В. Записки по строителни материали и изолации. ВСУ, 2014.
3. Симеонов, Й., Б. Даракчиев, Б. Строителни материали.
4. Тулешков, Н. История на архитектурата на средновековния християнски и ислямски свят.
5. Попов, А. Архитектурни конструкции.
6. archiproductscom/en/products/25057/vetra-glass-fin-structural-glassfacade- vetra-glass-fin-nuova-oxidalhtml
7. construction-manager.co.uk/on-site/its-got-x-factor
8. kinzi.com/index.php?p=content&cat_id=3&id=
