Алюминиевые фасадные системы

Современные здания все больше покрываются стеклом. Стеклянными становятся целые фасады зданий, полностью убирая в прошлое традиционные материалы строительных конструкций.

Это не только веяние модного в настоящее время постмодерна и хай-тека. Процессом здесь руководит экономика вопроса. Конструкции из стекла оказываются одновременно:

• удельно намного легче того же бетона или кирпича;
• обеспечивает более высокую теплоизоляцию без дополнительной отделки;
• 1 м2 площади стены из стеклянных конструкций стоит в разы дешевле, чем тот же квадрат, выполненный из традиционных материалов.

Представляется крайне интересным подробно описать преимущества стеклянных фасадных систем. В частности, чтобы иметь возможность спрогнозировать будущий архитектурный облик нашей панеты.

Фото 1. Алюминиевые фасадные системы из черного профиля.

Стеклянные фасадные системы

Что представляет собой современный небоскреб? Это железобетонный или (что более предпочтительно с точки зрения потенциальной утилизации) стальной каркас с железобетонными перекрытиями, который, кроме непосредственно несущих колонн, практически не имеет вертикальных железобетонных конструкций. Исключение составляют только шахты для лифта и ограждающие конструкции лестничных клеток, которые одновременно также являются стабилизирующими элементами всей конструкции здания.

При строительстве уникального круглого небоскреба в Абу-Даби две такие вертикальные железобетонные (но при этом разборные) шахты заполнены… модулями роскошных санузлов.

Все остальные вертикальные конструкции являются пассивными (то есть, не несут собственной нагрузки, перекладывая ее на каркас), но при этом имеют очень маленький по сравнению с любыми традиционными материалами вес.

1 м2 стекла, толщиной в 12 мм, весит 22 кг. Таким образом, тройное остекление, состоящее из двух листов толстого стекла и одного промежуточного: тонкого, плюс еще вес каркасной конструкции (которая выполняется из алюминиевого профиля) – весит не более 70 кг. Тот же самый 1 м2 кирпичной кладки, толщиной в 1 кирпич весит не менее 400 кг. Итого имеем 6-кратную экономию массы.

Каковы же конструкционные особенности стеклянных фасадов, рассмотрим далее.

Фото 2. Фасадные системы из алюминия и стекла для многоэтажного здания.

Стоечно-ригельные системы

Функциональная задача любой ограждающей конструкции состоит в том, чтобы:

• обеспечивать максимальную герметичность внутреннего пространства здания, предотвращая неконтролируемый газообмен;
• создавать достаточную степень соляризации внутренних помещений;
• обеспечивать теплосбережение и экономичное поддержание комфортного внутреннего климата.

И стекло на пару с воздухом отлично справляются со всеми этими задачами. Однако для этого требуется грамотное составление данного композитного «бутерброда». Вот его структуры, если рассматривать ее по направлению снаружи внутрь:

• Первый (внешний) слой стекла.

Именно на него приходятся все силовые нагрузки, связанные с порывами ветров. Также именно эти листы чаще всего страдают от температурных климатических перепадов, в результате которых образуются трещины (а некоторые листы стекла и вовсе рассыпаются на мелкие осколки – такую ситуацию можно наблюдать в небоскребах «Москва-Сити»). Поэтому даже с течением времени и совершенствованием технологий производства стекла (удешевления процессов закалки и изготовления триплексов) внешние стеклянные листы на небоскребах все равно делают потолще – как минимум, 8 мм.

Альтернативным вариантом является использование вместо толстого листа стеклопакетов. Это дает определенные преимущества в плане усиления тепло- и шумоизоляции. Однако, не смотря на малую толщину используемых листов стеклопакеты, в целом, имеют большую удельную массу из-за наличия у них внутри жесткого стального каркаса, скрепляющего эти стеклянные листы. Кроме того, 2 тонких (особенно, каленых) листа стекла снижает светопропускную способность фасада в данном месте существенно сильнее, чем 1 толстый.

• Второй (промежуточный) слой.

Раньше вместо него обычно вставлялся такой же толстый лист, как и внешний. Однако практический опыт доказал, что это совершенно неоправданно со всех сторон, поэтому во многих башнях при проведении текущих работ по обслуживанию фасадов промежуточные стеклянные листы заменяются более тонкими.

Функционалом промежуточного слоя является разделение внутреннего пространства между внутренним и внешним стеклянными ограждениями на 2 камеры. Это необходимо для усиления теплосберегающих характеристик фасада, главным утеплителем которого является именно воздух. Уменьшение расстояния между слоями стекла сокращает конвекцию и делает перенос тепла менее эффективным (что и требуется). Кроме того, наличие дополнительной промежуточной перегородки существенно усиливает звукоизоляцию, так как шумовые колебания переходят на стекло и «заземляются» в изолирующие прокладки.

Для обеих упомянутых функциональных характеристик вполне достаточно толщины листа в диапазоне 3-5 мм. А использование более толстого стекла придает конструкции ничем не обоснованную, то есть, лишнюю массу.

• Внутреннее стеклянное ограждение.

Это внутренние стены здания, поэтому вполне логично, что с точки зрения бытовой безопасности они выполняются из толстого стекла. Отчасти именно благодаря стеклу, небоскребы смогли набрать свою высоту, а кроме того, существенно подешеветь в исполнении. Однако такие фасады чаще всего называются не стеклянными, а стоечно-ригельными системами. О каких же стойках идет речь и что такое ригеля применительно к рассматриваемой теме?

И ригеля, и стойки – это элементы локальных несущих конструкций. Почему локальных? Потому что в их задачу входит:

• удержание перечисленных выше слоев стекла;
• обеспечение их герметичного закрепления;
• перенос их (и собственного) веса на капитальные межэтажные перекрытия или же непосредственно на несущие вертикальные колонны.

Стойки – это, разумеется, вертикальные металлические элементы такой системы, а ригеля – горизонтальные. И те, и другие могут быть изготовлены из металла трех типов:

• из анодированной углеродистой стали (преимущество – дешевизна; недостатки: относительно высокий удельный вес, со временем анодирование отслаивается и обнаженные участки покрываются слоем коррозии);
• из нержавеющих сортов стали (преимущество – вечный материал; недостатки: относительно высокий удельный вес, дороговизна);
• из алюминия (преимущества: невозможность развития коррозии, минимальный удельный вес; недостаток – алюминиевые фасадные системы имеют относительно высокую цену, но при этом не такую значительную, как в случае с нержавеющей сталью).

И те, и другие элементы изготавливаются методом профилирования, что позволяет усилить их прочностные характеристики и минимизировать количество расходуемого металла. Кроме того, в целях экономии материала и стойки, и ригеля сейчас имеют одинаковый профиль, что позволяет сократить количество обрезков.

Фото 3. Стеклянные фасадные системы для загородных домов.

Алюминиевые фасадные системы и уплотнители

Итак подведем промежуточный итог: самыми популярными фасадными системами являются стоечно-ригельные, трехслойные (2-камерные), в которых и ригеля, и стойки выполнены из профилированного алюминия. Однако следует уделить внимание еще одному элементу в их структуре, который, по большому счету, вообще сделал возможным существование стеклянных фасадов.

Действительно, и металлический профиль (даже алюминиевый), и стекло массово производятся уже почти 100 лет, однако современные небоскребы, сияющие стеклянными фасадами, насчитывают не более полувека своей истории. Почему так?

Все дело в уплотнителях. А точнее, в материалах, из которых они сделаны. Как только последние появились на свет, сразу же стало возможным создавать из стекла целые стены, которые не пропускают сквозняков и обеспечивают близкую к 100%-ной изоляцию внутренней климатической среды здания от внешней атмосферной. Речь идет о таких материалах, как:

• твердый ударопрочный поливинилхлорид с высокими тепло- и звукоизолирующими свойствами (PVC-U-HI);
• экструзионный уплотнитель на основе этиленпропиленовых каучуков (EPDM).

Физические характеристики прокладок и уплотнителей на их основе представлены в таб.1:

Таблица 1.

№ п/п	Наименование модели уплотняющего материала	К-т теплопередачи (Uf) W/(m2К)	Приведенное сопротивление теплопередачи (Rпр.) м2°С/Вт
1.	Рассекательный уплотнитель	1,8	0,55
2.	Стандартный прижимной уплотнитель	2,4	0,42

От данного материала требуется не только обеспечение герметичности прилегания как к поверхности стекла, так и металлическому профилю, но также и длительность работы на износ при таких воздействующих факторах, как:

• температурные перепады;
• длительное воздействие прямых ультрафиолетовых лучей (солнечных);
• регулярные звуковые, в том числе, высокочастотные вибрации.

Качество современных уплотняющих материалов постоянно совершенствуется, а их стоимость регулярно сокращается. Так что вполне естественно, что постепенно стеклянные фасады вытесняют стены из классических строительных материалов из архитектуры. Ведь со стеклом проще, удобнее и, что важнее всего – дешевле.

Фото 4. Каркасные стоечно ригельные системы для бизнес-офисов и торговых центров.

Архитектурные преимущества стоечно-ригельных фасадов

Такой формат формирования внешних стен дает возможность создавать крайне неординарные дизайнерские модели зданий без потери каких-либо функциональных качеств фасадов и их инженерных свойств. В частности, доступно:

• создание плавных переходов вертикальных стен к наклонным формам;
• стойки можно закручивать непосредственно в плоскости витража (этот эффект наглядно продемонстрирован на примере спиралевидной башни «Эволюция» в «Москва-Сити»);
• формирование наклонных плоскостей;
• осуществление примыкания наклонных плоскостей к основанию здания;
• формирование пирамидального фасада.

С развитием идеологии стеклянных фасадов появилось несколько разновидностей систем их практического воплощения. Их основные особенности сведены в таб.2:

Таблица 2.

1.	Наименование системы	классическая стоечно-ригельная система	структурное остекление	полуструктурное остекление
2.	Внутренняя/внешняя видимая ширина	50/50 мм	50/20 мм	50/38 мм
3.	Толщина, заполняемая уплотнителем	4-50 мм	6-40 мм	28-50 мм
4.	Формат крепления стекла	с помощью прижимной планки и декоративной крышки	с помощью скрытого прижимного элемента	с помощью прижимного профиля

Резюме

Стеклянные стоечно-ригельные фасадные системы сейчас являются наиболее эффективными, экономичными и красивыми форматами ограждающих конструкций. Современные их модели уже включают в себя элементы, создаваемые из композитных материалов (таких, как стеклопластик, например), а это значит, что несущий профиль будет становиться еще более легким и прочным. В итоге небоскребы в будущем будут становиться выше и дешевле в своем возведении. Именно это и определяет перспективность стеклянных фасадов.