Введение
Внешние неструктурные стены здания – оборонительные стены вокруг замков и городов.
the defensive walls around castles and towns
Занавесная стена – это внешнее покрытие здания, в котором внешние стены не являются несущими, а служат для защиты внутреннего пространства от атмосферных воздействий. Поскольку фасад занавесной стены не воспринимает никакой конструктивной нагрузки, кроме собственного веса, он может быть изготовлен из легких материалов. Стены передают ветровые нагрузки на основную конструкцию здания через соединения с перекрытиями или колоннами. Занавесные стены могут быть спроектированы как "системы", объединяющие каркас, стеновые панели и материалы для гидроизоляции. Стальные каркасы в значительной степени уступили место алюминиевым профилям. Стекло обычно используется в качестве заполнения, поскольку оно позволяет снизить строительные затраты, придать зданию эстетически привлекательный вид и обеспечить проникновение естественного света вглубь помещений. Однако стекло также усложняет контроль воздействия света на визуальный комфорт и солнечный тепловой прирост в здании. Другими распространенными материалами для заполнения являются облицовочный камень, металлические панели, жалюзи, а также открывающиеся окна или вентиляционные отверстия. В отличие от систем витрин, системы занавесных стен рассчитаны на перекрытие нескольких этажей, учитывая колебания и перемещения здания, а также конструктивные требования, такие как тепловое расширение и сжатие, сейсмические требования, отвод воды и тепловую эффективность для экономичного отопления, охлаждения и внутреннего освещения.
История
Исторически здания строились из дерева, каменной кладки или их комбинации. Их наружные стены были несущими, поддерживая большую часть или всю нагрузку всей конструкции. Природа используемых материалов накладывала естественные ограничения на высоту здания и максимальный размер оконных проемов. Развитие и широкое применение конструкционной стали, а затем железобетона, позволили относительно небольшим колоннам выдерживать значительные нагрузки. Это дало возможность сделать наружные стены не несущими, а значит, более легкими и открытыми, чем несущие стены прошлого. Это привело к увеличению использования стекла в качестве внешнего фасада и появлению современной занавесной стены. Каркасные деревянные конструкции с балками и стропилами, а также конструкции с шаровыми рамами, фактически представляли собой раннюю версию занавесных стен, поскольку их каркасы воспринимали нагрузки, позволяя стенам выполнять другие функции, такие как защита от непогоды и обеспечение освещения. Когда железо стало широко использоваться в зданиях в конце XVIII века в Великобритании, например, на льняной мельнице Дитерингтон, а позже, когда были построены здания из кованого железа и стекла, такие как Хрустальный дворец, были заложены основы для понимания конструкции и развития занавесных стен. Здания Ориэль-Чемберс (1864) и 16 Кук-стрит (1866), оба построенные в Ливерпуле, Англия, местным архитектором и инженером-строителем Питером Эллисом, характеризуются широким использованием стекла в их фасадах. Со стороны дворов они имели стеклянные занавесные стены с металлическим каркасом, что делает их одними из первых зданий в мире, включающих эту архитектурную особенность. Ориэль-Чемберс занесена в Книгу рекордов Гиннеса как самое раннее здание такого типа. Обширные стеклянные стены позволяли свету проникать глубже в здание, увеличивая полезную площадь и снижая затраты на освещение. Ориэль-Чемберс состоит из пяти этажей без лифта, который был изобретен совсем недавно и еще не получил широкого распространения. Статуя Свободы (1886) имеет тонкую, не несущую нагрузку медную обшивку. Широкое использование стекла стало необходимым для больших заводских зданий, чтобы обеспечить освещение для производства, иногда создавая впечатление полностью стеклянных фасадов. Некоторые из первых занавесных стен были изготовлены со стальными шпренгелями, а полированное стекло крепилось к ним с помощью асбестового или стекловолоконного герметика. Впоследствии герметик был заменен силиконовыми герметиками или лентой для остекления. Некоторые конструкции включали внешнюю накладку для фиксации стекла и защиты целостности уплотнений. Вехами в дизайне занавесных стен, когда они стали доминировать в строительстве, стали принципиально разные системы, использованные в штаб-квартире Организации Объединенных Наций и здании Lever House, завершенном в 1952 году. Занавесная стена Людвига Миса ван дер Роэ является одним из важнейших аспектов его архитектурного дизайна. Мис впервые начал создавать прототип занавесной стены в своих проектах высотных жилых зданий вдоль берега озера в Чикаго, достигнув эффекта занавесной стены в домах по адресу 860-880 Lake Shore Drive Apartments. Он окончательно усовершенствовал занавесную стену в домах по адресу 900–910 Lake Shore Drive, где стена представляет собой автономную алюминиевую и стеклянную оболочку. После 900–910 занавесная стена Миса использовалась во всех его последующих проектах высотных зданий, включая здание Сиграм в Нью-Йорке. Широкое использование алюминиевых профилей для шпренгелей началось в 1970-х годах. Алюминиевые сплавы обладают уникальным преимуществом – их можно легко экструдировать в практически любую форму, необходимую для дизайна и эстетических целей. Сегодня сложность конструкций и доступные формы практически безграничны. Индивидуальные формы могут быть спроектированы и изготовлены относительно легко. Отель Omni San Diego в Калифорнии, спроектированный архитектурной фирмой Hornberger and Worstel и разработанный JMI Realty, является примером унифицированной системы занавесных стен с интегрированными солнцезащитными козырьками.
Системы с палкой
Подавляющее большинство занавесных стен первого этажа монтируются длинными секциями (именуемыми стойками) вертикально между этажами и горизонтально между вертикальными элементами каркаса. Элементы каркаса могут изготавливаться на заводе, однако установка и остекление обычно производятся непосредственно на строительной площадке.
Лестничные системы
Очень похожая на систему "палка", система "лестница" имеет стойки, которые можно разделить, а затем соединить защелками или винтами, состоящие из полукоробки и пластины. Это позволяет изготавливать секции занавесной стены в заводских условиях, что эффективно сокращает время, затрачиваемое на монтаж системы непосредственно на объекте. К недостаткам использования такой системы относятся сниженная несущая способность и видимые линии стыков по всей длине каждой стойки.
Унифицированные системы
Унифицированные фасадные системы включают в себя изготовление и сборку панелей на заводе, а также могут предусматривать заводское остекление. Эти готовые элементы устанавливаются на несущий каркас здания, формируя его ограждающую оболочку. К преимуществам унифицированных фасадных систем относятся: высокая скорость монтажа, снижение затрат на монтажные работы на объекте и обеспечение контроля качества в контролируемой заводской среде. Экономическая выгода от их применения обычно наиболее заметна при реализации крупных проектов или в регионах с высокой стоимостью рабочей силы.
Принцип экрана от дождя
Общая особенность технологии навесных фасадов, принцип дождевой защиты (или "дождевого экрана") заключается в том, что выравнивание давления воздуха между внешней и внутренней сторонами "дождевого экрана" предотвращает проникновение воды в здание. Например, стекло фиксируется между внутренней и внешней прокладкой в пространстве, называемом фальцем остекления. Фальц остекления вентилируется наружу, чтобы давление на внутренней и внешней сторонах внешней прокладки было одинаковым. Когда давление выровнено по обе стороны прокладки, вода не может быть затянута через соединения или дефекты в прокладке.
Проблемы с дизайном
Система навесной стены должна быть спроектирована для восприятия всех действующих на нее нагрузок, а также для предотвращения проникновения воздуха и воды в ограждающую конструкцию здания.
Инфильтрация воздуха
Инфильтрация воздуха – это воздух, проникающий через занавесную стену извне вовнутрь здания. Воздух проникает через уплотнители, через некачественное соединение между горизонтальными и вертикальными стойками, через вентиляционные отверстия и через некачественную герметизацию. Американская ассоциация производителей архитектурных изделий (AAMA) – это отраслевая торговая группа в США, разработавшая добровольные стандарты, определяющие допустимые уровни инфильтрации воздуха через занавесную стену.
Проникновение воды
Проникновение воды определяется как прохождение воды из внешней среды здания во внутреннюю часть системы навесного фасада. В некоторых случаях, в зависимости от проектной документации, допустимо небольшое контролируемое количество воды внутри помещения. Контролируемое проникновение воды определяется как вода, проникающая за пределы самой внутренней вертикальной плоскости испытуемого образца, но имеющая предусмотренную систему отвода обратно наружу. Добровольные спецификации AAMA допускают контролируемое проникновение воды, в то время как базовый метод испытаний ASTM E1105 рассматривает такое проникновение как отказ. Для проверки способности навесного фасада противостоять проникновению воды в реальных условиях эксплуатации, на внешней стороне образца устанавливается система водяной завесы ASTM E1105, и к системе создается положительная разница воздушного давления. Такая настройка имитирует воздействие дождевых осадков при ветре на навесной фасад для оценки его эксплуатационных характеристик и качества монтажа. Контроль качества и гарантийные проверки на проникновение воды стали стандартной практикой, поскольку строители и монтажники внедряют подобные программы качества для снижения количества судебных исков, связанных с повреждениями, вызванными водой.
Отклонение
Одним из недостатков использования алюминия для мульйонов является то, что его модуль упругости составляет примерно одну треть от модуля упругости стали. Это означает в три раза большее прогибание алюминиевого мульйона по сравнению с аналогичной стальной секцией при заданной нагрузке. В строительных спецификациях устанавливаются пределы прогибания для перпендикулярных (вызываемых ветром) и в плоскости (вызываемых постоянной нагрузкой) деформаций. Эти пределы прогибания устанавливаются не из-за несущей способности мульйонов, а для ограничения деформации стекла (которое может разбиться при чрезмерном прогибании) и предотвращения выхода стекла из посадочного места в мульоне. Пределы прогибания также необходимы для контроля перемещений внутри занавесной стены. Конструкция здания может предусматривать наличие стены рядом с мульйоном, и чрезмерное прогибание может привести к контакту мульйона со стеной и ее повреждению. Кроме того, если прогибание стены заметно, общественное мнение может выразить необоснованное беспокойство о ее недостаточной прочности. Пределы прогибания обычно выражаются как расстояние между точками крепления, деленное на постоянную величину. В спецификациях на занавесные стены часто используется предел прогибания L/175, основанный на опыте с пределами, которые маловероятно приведут к повреждению стекла, удерживаемого мульйоном. Например, если занавесная стена крепится на высоте этажа 12 футов (144 дюйма), допустимое прогибание составит 144/175 = 0,823 дюйма, что означает, что стена может прогибаться внутрь или наружу максимум на 0,823 дюйма при максимальном ветровом давлении. Однако для некоторых панелей требуются более строгие ограничения перемещений, особенно для тех, которые исключают вращательные движения. Прогибание мульйонов контролируется различными формами и глубинами элементов занавесной стены. Глубина системы занавесной стены обычно определяется моментом инерции, необходимым для соблюдения пределов прогибания, указанных в спецификации. Другой способ ограничения прогибания в данной секции – добавление стальной арматуры во внутреннюю трубу мульйона. Поскольку сталь прогибается в три раза меньше, чем алюминий, она будет воспринимать большую часть нагрузки с меньшими затратами или меньшей глубиной. Прогибание мульйонов занавесной стены также отличается от прогибания конструкции здания, будь то бетон, сталь или дерево. Крепления занавесной стены должны быть спроектированы таким образом, чтобы допускать дифференциальные перемещения между конструкцией здания и занавесной стеной.
Сила
Прочность (или максимально допустимое напряжение), которой обладает конкретный материал, не связана с его жесткостью (характеристикой материала, определяющей деформацию); это отдельный критерий при проектировании и расчете навесных фасадов. Это часто влияет на выбор материалов и размеров элементов системы. Предельная прочность на изгиб для определенных алюминиевых сплавов, часто используемых в каркасах навесных фасадов, приближается к предельной прочности на изгиб стальных сплавов, применяемых в строительстве зданий.
Термические критерии
По сравнению с другими строительными компонентами, алюминий обладает высоким коэффициентом теплопередачи, то есть является отличным проводником тепла. Это приводит к значительным теплопотерям через алюминиевые (или стальные) стойки занавесной стены. Существует несколько способов компенсации этих теплопотерь, наиболее распространенным из которых является применение тепловых разрывов. Это барьеры между внешней и внутренней металлической частью конструкции, обычно изготавливаемые из поливинилхлорида (ПВХ). Эти разрывы значительно снижают теплопроводность занавесной стены. Однако, поскольку тепловой разрыв прерывает алюминиевую стойку, общий момент инерции стойки уменьшается, и это необходимо учитывать при проведении структурного и деформационного анализа системы. Теплопроводность системы занавесной стены важна из-за теплопотерь, влияющих на затраты на отопление и кондиционирование здания. На неэффективной занавесной стене может образовываться конденсат на внутренней поверхности стоек, что может повредить прилегающую внутреннюю отделку и стены. В зонах перекрытия (спандрелях) используется жесткая теплоизоляция для повышения значения R-фактора в этих местах. Термически разрывные стойки с двух- или трехкамерными стеклопакетами часто называют "высокоэффективными" занавесными стенами. Хотя эти системы занавесной стены более энергоэффективны, чем старые одностеклянные конструкции, они все же значительно уступают по эффективности непрозрачным (сплошным) стенам. Например, почти все системы занавесных стен, с тепловыми разрывами или без, имеют значение U-фактора 0,2 или выше, что соответствует значению R-фактора 5 или ниже.
Заполняющие
Наполнитель относится к большим панелям, которые устанавливаются в стену-занавеску между стойками. Наполнители обычно изготавливаются из стекла, но могут быть выполнены практически из любого наружного элемента здания. К распространенным наполнителям относятся металлические панели, жалюзи и фотоэлектрические панели. Наполнители также называют опасами или панелями опасения.
Стекло
Плавающее стекло – наиболее распространенный тип остекления для занавесных стен. Его можно изготавливать в практически бесконечном сочетании цветов, толщин и степени прозрачности. Для коммерческого строительства наиболее часто используются монолитное и изолирующее стекло. Стекло толщиной 1/4 дюйма обычно применяется только в зонах невидимых панелей, в то время как изолирующее стекло используется для остальной части здания (иногда для невидимых панелей также указывается изолирующее стекло). Изолирующее стекло толщиной 1 дюйм обычно состоит из двух стеклянных листов толщиной 1/4 дюйма с воздушным зазором между ними. Воздух внутри обычно атмосферный, но для улучшения показателей теплопередачи могут использоваться некоторые инертные газы, такие как аргон или криптон. В Европе сейчас широко распространено использование тройного изолирующего стеклопакета. В Скандинавии построены первые занавесные стены с четырехкамерными стеклопакетами. Стекло большей толщины обычно используется в зданиях или помещениях с повышенными требованиями к теплоизоляции, относительной влажности или звукоизоляции, например, в лабораториях или звукозаписывающих студиях. В жилом строительстве обычно используются монолитное и изолирующее стекло. Стекло может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, в различной степени. Прозрачное стекло обычно относится к обзорному остеклению в занавесной стене. В зонах невидимых панелей или обзорном остеклении также может использоваться полупрозрачное стекло, которое может применяться в целях безопасности или эстетики. Непрозрачное стекло используется в местах, где необходимо скрыть колонну, балку перекрытия или несущую стену за занавесной стеной. Другой способ маскировки зон невидимых панелей – это конструкция «теневой коробки» (создание темного замкнутого пространства за прозрачным или полупрозрачным стеклом). Конструкция «теневой коробки» создает ощущение глубины за стеклом, которое иногда является желаемым эффектом.
Каменный фурнир
Тонкие каменные блоки могут быть встроены в систему навесного фасада. Тип используемого камня ограничивается только его прочностью и возможностью изготовления в нужной форме и размере. К распространенным типам камня относятся: силикатный кальций, гранит, мрамор, травертин, известняк и искусственный камень. Для снижения веса и повышения прочности натуральный камень может быть прикреплен к алюминиевому сотовому заполнению.
Панели
Металлические панели могут иметь различные формы, включая нержавеющую сталь и алюминиевые листы; алюминиевые композитные панели, состоящие из двух тонких алюминиевых листов с пластиковым межслоем; медную облицовку стен, а также панели, состоящие из металлических листов, соединенных с жестким утеплителем, с или без внутреннего металлического листа для создания сэндвич-панели. К другим непрозрачным материалам для панелей относятся стеклопластик (FRP) и терракота. Терракотовые панели для навесных фасадов впервые стали использоваться в Европе, однако высококачественные современные терракотовые панели для навесных фасадов производят лишь несколько компаний.
Лувры
В местах, где механическое оборудование, расположенное внутри здания, нуждается в вентиляции или притоке свежего воздуха для работы, предусматривается решетка. Они также могут использоваться для подачи наружного воздуха в здание с целью использования благоприятных климатических условий и снижения энергопотребления системами ОВКВ. Системы навесных фасадов могут быть адаптированы для установки большинства типов решеток, сохраняя при этом единый архитектурный облик и стиль, обеспечивая при этом необходимую функциональность.
Окна и вентиляционные отверстия
Большинство остекления занавесных стен является неразъемным, то есть доступ к внешней стороне здания возможен только через двери. Однако окна или вентиляционные проемы также могут быть установлены в систему занавесной стены для обеспечения необходимой вентиляции или открывающихся окон. Практически любой тип окон может быть адаптирован для установки в систему занавесной стены.
Пожарная безопасность
Огнезащитные устройства по краю периметральной плиты, представляющей собой зазор между полом и занавесной стеной, необходимы для замедления распространения огня и продуктов горения между этажами. В области спандрела необходимо использовать негорючую изоляцию на внутренней поверхности занавесной стены. Некоторые строительные нормы требуют обмотки стоек (мюллонов) теплоизоляционным материалом вблизи потолка, чтобы предотвратить их плавление и распространение огня на этаж выше. Огнезащитный элемент по краю периметральной плиты рассматривается как продолжение предела огнестойкости перекрытия. Однако, как правило, не требуется присваивать предел огнестойкости самой занавесной стене. Это создает проблему, поскольку секционирование (пожарная защита) обычно основано на создании замкнутых противопожарных отсеков для предотвращения распространения огня и дыма за пределы каждого отсека. Занавесная стена по своей природе препятствует формированию полноценного отсека (или контура). Использование спринклерной системы пожаротушения, как показано на практике, может смягчить эту проблему. Таким образом, если здание не оборудовано спринклерной системой, огонь все еще может распространяться вверх по занавесной стене, если стекло на незащищенном этаже разрушится от нагрева, что приведет к вырыву пламени наружу. Падающее стекло может представлять опасность для пешеходов, пожарных и пожарных рукавов, находящихся внизу. Примером этого является пожар 1988 года в башне First Interstate Tower в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Огонь распространился вверх по башне, разрушая стекло и затем уничтожая алюминиевый каркас, удерживающий стекло. Температура плавления алюминия составляет 660 °C, в то время как температура при пожаре в здании может достигать 1100 °C. Температура плавления алюминия обычно достигается в течение нескольких минут после начала пожара. Для вентиляции и аварийного доступа снаружи часто требуются выбиваемые остекленные панели. Выбиваемые панели обычно изготавливаются из закаленного стекла, чтобы обеспечить полное разрушение панели на мелкие безопасные осколки и ее относительно безопасное удаление из проема.
Техническое обслуживание и ремонт
Занавесные стены и периметровые герметики требуют обслуживания для максимального увеличения срока службы. Правильно спроектированные и установленные периметровые герметики обычно служат от 10 до 15 лет. Удаление и замена периметровых герметиков требуют тщательной подготовки поверхности и точной проработки деталей. Алюминиевые рамы обычно окрашиваются или анодируются. При очистке участков вокруг анодированных материалов следует соблюдать осторожность, так как некоторые моющие средства могут повредить покрытие. Заводские фторполимерные термореактивные покрытия обладают хорошей устойчивостью к воздействию окружающей среды и требуют только периодической очистки. Повторное нанесение фторполимерного покрытия, высыхающего на воздухе, возможно, но требует специальной подготовки поверхности и не такое долговечное, как оригинальное покрытие, нанесенное в заводских условиях. Анодированные алюминиевые рамы нельзя повторно анодировать непосредственно на объекте, но их можно очистить и защитить специальными прозрачными покрытиями для улучшения внешнего вида и долговечности. Для стен из нержавеющей стали не требуется нанесение покрытий, а рельефные, в отличие от абразивно обработанных, поверхности сохраняют свой первоначальный вид неограниченно долго без очистки или другого обслуживания. Некоторые специальные матовые поверхности из нержавеющей стали имеют текстуру, делающую их гидрофобными и устойчивыми к загрязнениям, переносимым воздухом и дождем. Это оказалось особенно полезным на юго-западе США и на Ближнем Востоке для предотвращения скопления пыли, а также для защиты от копоти и дыма в загрязненных городских районах.