Фасадные конструкции из системных профилей и стекла Когда мы говорим "современные стены и фасады", то первая ассоциация, которая возникает при этом - это большие стеклянные поверхности, отражающие голубое небо, проплывающие мимо величавые облака, кроны деревьев или урбанистический пейзаж. Стеклянные поверхности по прихоти архитектора могут принимать самые причудливые формы: пирамиды, конусы, многогранники с острыми углами или, наоборот, с мягкими и плавными переходами от одной грани к другой. Криволинейные поверхности решаются несколькими прямолинейными сегментами или с использованием изогнутого стекла.

Подобные здания прекрасно вписываются не только в новые кварталы с полностью современной застройкой, но и в исторические центры городов с фоновой застройкой зданиями прошлых веков. Благодаря современным технологиям, в стеклянных фасадах все конструктивные элементы могут быть спрятаны, и только поверхности из специального стекла будут отражать окружающие архитектурные шедевры, полностью сливаясь с ними.

Прежде чем начать наше повествование о подобных фасадах, необходимо попытаться их классифицировать по различным критериям. 
По применяемым материалам. Данную главу мы не случайно назвали "Фасадные конструкции из системных профилей и стекла", т.к. для устройства подобных фасадов используются различные виды стекол или стеклопакетов, которые удерживаются профилями, специально разработанными для фасадных систем. Для фасадных профилей применяются следующие материалы: алюминий, сталь и ПВХ. Все эти материалы имеют свои плюсы и минусы, о чем пойдет речь ниже. 
По теплоизолирующей способности фасадные системы можно разделить на теплые, холодные и тепло-холодные. Холодные системы для фасадов отапливаемых зданий не применяются. 
По способу крепления стеклопакетов. Стеклянные фасады могут быть с видимыми элементами крепления стекол, как горизонтальными, так и вертикальными (такую конструкцию часто называют стоечно-ригельной) и со структурным остеклением (со скрытыми элементами крепления). Существует также промежуточный вариант, когда на фасаде присутствуют только горизонтальные или вертикальные членения из алюминиевых профилей.
По способу крепления к основным конструктивным элементам здания фасадные профильные системы делятся на навесные и самонесущие.
Несколько особняком стоит еще один тип фасадной конструкции - вентилируемые стеклянные фасады. 
Во все профильные фасады могут быть встроены окна и двери, а многие системы позволяют даже устанавливать солнечные модули с фотоэлементами для аккумулирования солнечной энергии.

Необходимо также отметить, что в конструкции из системных профилей кроме стеклопакетов или стекол могут быть установлены и глухие панели. Их можно комбинировать со стеклопакетами, обеспечивая требуемую освещенность внутренних помещений и архитектурную выразительность фасада. Применение профильных конструкций фасадов требует от проектировщиков решения не только проблем, связанных с естественным освещением помещений и созданием выразительного облика здания, но и ряда чисто технических задач.

К ним относятся:
разработка конструкций в соответствии с действующими нормами и правилами;
обеспечение вентиляции помещений (с возможностью дымоудаления в случае пожара) и проведение необходимых для этого специальных мероприятий;
решение вопросов применения автоматических систем пожаротушения;
обеспечение при необходимости системы солнцезащиты;
разработка комплекса мер для эксплуатации светопропускающей конструкции (замена светопропускающих заполнений, их мытье, и т.п.);
решение вопросов статики всей конструкции в целом и, особенно, в местах крепления к каркасу здания;
разработка конструктивных решений узлов примыканий светопропускающей конструкции к корпусу здания;
выбор стекол, в т. ч. в стеклопакетах, а также самой конструкции стеклопакетов.

Пренебрежение любой из вышеперечисленных проблем на стадии проектирования приведет к повышенным расходам при эксплуатации. При грамотном решении данных проблем на во время проектирования и при качественном претворении в жизнь этих разработок "теплая" светопропускающая конструкция должна обеспечивать: статическую прочность конструкции, гидроизоляцию, пароизоляцию, теплоизоляцию (летом и зимой), звукоизоляцию, вентиляцию стыков конструкции и дренаж конденсата, противопожарную защиту, молниезащиту.

Системные профили

Системные профили представляют собой бруски (профилированные трубы), имеющие внутри пустоты или, как их еще называют, камеры. Термин "системные" связан с тем, что огромная номенклатура различных видов профилей и дополнительных элементов к ним представляет собой своеобразный конструктор, дающий возможность изготавливать окна, двери, крыши и фасадные конструкции.

Практически любые архитектурные решения могут быть выполнены благодаря многообразию элементов профильных систем, которые включают в себя накладные и самонесущие профили с различной конструктивной толщиной для обеспечения необходимой статической нагрузки.

Конструкции фасадных систем, как уже говорилось выше, позволяют интегрировать в фасад профильные окна и двери, а также решать узлы перехода к светопропускающим крышам. В системах ведущих производителей разработаны специальные элементы: продухи для скатных крыш, элементы нижнего и бокового крепления створок (поворотных и откидных), и т.д. Причем, все эти элементы могут иметь одинаковую внешнюю ширину профилей и восприниматься на фасаде как единое целое. Важным является продуманность не только двухмерных, но и трехмерных узлов, их надежная герметизация, способность сочетаться со всей системой, в т.ч. с окнами и дверями.

При проектировании сложных фасадов крупных объектов и представительских зданий часто бывает недостаточно номенклатуры системных профилей, и ведущие фирмы разрабатывают специально под объект особые, индивидуальные профили.

Важно понимать, что для фасадов применяются специально разработанные для этих целей профильные системы. Оконные же профили могут использоваться в исключительных случаях, т. к. они обладают одним преимуществом. Оконные блоки могут быть изготовлены в качестве законченной конструкции на заводе, а при монтаже на фасаде они быстро устанавливаются один к другому, образуя целую оконную ленту. Получается так называемое ленточное остекление. В данном случае необходимо помнить только о том, что различные материалы нельзя бездумно комбинировать друг с другом. Если основные конструкции фасада выполнены из алюминия, то применять пластиковые окна нельзя, т.к. коэффициент температурного расширения у алюминия в два раза ниже, чем у пластика. Следовательно, при температурных колебаниях на улице должны быть обеспечены температурные зазоры в конструкции. В пластике же таких элементов, как правило, нет.

Существуют также оконные системы с возможностью остекления их снаружи. Необходимость применения таких систем возникает в том случае, когда необходимо застеклить, например, узкую вертикальную лестничную клетку. Для этого оконные блоки монтируются один на другой, но в зоне плиты перекрытия установить стеклопакет изнутри невозможно. В этом случае необходимо применить окно, у которого стеклопакет ставится с улицы.

 

Стекло, защитные пленки, стеклопакеты

 

Не менее важную роль при создании фасадной конструкции помимо несущих конструктивных элементов - профилей - играет и прозрачный материал - стекло.

Стекло представляет собой находящуюся в застывшем состоянии жидкость. Это - аморфное вещество, которое в твердом состоянии не обладает кристаллическими свойствами. Основными компонентами, образующими стекло, являются: кварцевый песок (69-74 %); сода (12-16 %); известняк и доломит (5-12 %) и в небольших процентных соотношениях некоторые другие компоненты. Кроме основных сырьевых компонентов можно вводить различные добавки, например, для окрашивания стекла в желаемый цвет или для изменения каких-либо других свойств материала.

Технология получения листового стекла в основном базируется на двух способах: Фурко и Флоат.

В 1902 году Эмиль Фурко разработал метод машинной вытяжки стекла. При этом способе стекло вытягивается из стекловаренной печи в виде непрерывной ленты, через прокатные валки поступает в шахту охлаждения, где режется на отдельные листы. На сегодняшний день в Европе метод Фурко практически не применяется, его вытеснил более совершенный Флоат-метод.

В последнее время в массе выпускаемого материала значительно возрастает доля функционального (с особыми свойствами) и декоративного стекла. Связано это с тем, что обычное стекло не отвечает современным требованием по теплосбережению, механической прочности, спектральному диапазону пропускаемого излучения, и т.д.

Ассортимент производимого сегодня стекла настолько широк, что может привести в замешательство неподготовленного потребителя. Некоторые сорта стекла выпускаются под собственными именами. Для того чтобы сориентироваться в этом многообразии и сделать правильный выбор, необходимо четко представлять, в каких условиях будет эксплуатироваться то или иное стекло. Так, например, не рекомендуется использование тонированного стекла, с коэффициентом пропускания меньше 50 %, в качестве облицовочного фасадного остекления. Поскольку в жаркий солнечный день панели из него могут нагреваться до температуры 80-90оС и выше, что создает большие температурные напряжения, которые могут привести к разрушению панели со всеми вытекающими отсюда последствиями. В этом случае необходимо применение специальных закаленных, армированных и ламинированных стекол.

Стоечно-ригельная конструкция

Стоечно-ригельные конструкции чаще всего применяются для возведения профильных фасадов. Свое название они получили благодаря тому, что основные конструктивные элементы в этой системе - это вертикальные несущие стойки, к которым механическим путем крепятся горизонтальные ригели. Несущая структура такой конструкции располагается с внутренней теплой стороны навесной стены.

Соединение стоек и ригелей в различных конструкциях может осуществляться по-разному. В вертикально расположенной навесной стене соединение может осуществляться "внахлест", когда профили частично перекрывают друг друга. Ригель прикрепляется к стойке с использованием экструдированного алюминиевого соединителя, закрепленного в ригеле с помощью прижимных винтов. Соединитель затем крепится к вертикальному несущему профилю винтами. Такой метод соединения обеспечивает высокий уровень регулирования ригеля даже на строительной площадке. Место соединения ригеля и несущего профиля герметизируется прокладкой из морозостойкой резины (ЕPDM).

Соединение несущих профилей и ригеля наклонно расположенной навесной стены может осуществляться при небольшом наклоне ригеля к несущему профилю. Такой способ позволяет осуществлять дренаж из ригеля в несущий профиль, исключая нарушение вертикальной дренажной камеры в несущем профиле. В канале резиновой прокладки вертикального профиля располагают уплотнитель из EPDM, который герметизирует стык вертикального профиля и ригеля без необходимости применения силикона. Вставленные ригели крепятся к несущему профилю винтами из нержавеющей стали. Возникающая при обеспечении наклона ригеля разница в уровнях прокладочных каналов компенсируется применением различных по своим размерам уплотнительных резинок в несущем профиле и в перекладине.

Соединение между вертикальным и горизонтальным профилями может осуществляться также путем частичного углубления ригеля в вырезы в вертикальном профиле.

Узлы сопряжения конструкции со стеной, с основаниями, а также узлы крепления фасадов и кровель выполняются посредством специально разработанных элементов, являющихся составной частью систем. Данные узлы позволяют надежно тепло- и гидроизолировать узлы примыканий к постройке, компенсировать температурные изменения размеров сопрягающихся конструкций.

Углы (сопряжения двух плоскостей) в фасадах выполняются с помощью специальных профилей. Переломы могут быть как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Стеклопакеты устанавливаются снаружи на алюминиевые опорные пластины, которые предварительно закрепляются к ригелю. В процессе монтажа стеклопакеты фиксируются по месту с помощью синтетических скоб, привинченных к несущим профилям. Уплотнители из морозостойкой резины обеспечивают герметизацию стыков между стеклом и алюминиевыми несущими профилями. Прижимные планки стеклопакетов крепятся болтами из нержавеющей стали. Затем на прижимные планки защелкиваются декоративные алюминиевые крышки.

Стеклопакеты, или непрозрачные декоративные панели крепятся специальными алюминиевыми прижимными планками, которые могут сверху закрываться декоративными накладками. Накладки могут быть разных форм, цветов и ширины, в зависимости от эстетических требований.

В этих типах фасадов интегрированные оконные конструкции ничем не отличаются от простого глухого остекления. Иначе говоря, смотря снаружи на фасад здания, вы не сможете определить, где используется простое остекление. Требование невидимости оконного переплета в рамках плоского фасада является на сегодняшний день одним из основных требований архитекторов. При этом оконные конструкции могут открываться вовнутрь и иметь не только поворотную функцию, но и функцию для проветривания - откидную.

Обязательным требованием ко всем профильным системам является вывод конденсата. Это самый сложный и самый серьезный вопрос, на который необходимо обращать особое внимание при остеклении фасада, т.к. стеклопакет одной своей поверхностью выходит на улицу, а другой - в теплое помещение. Это значит, что у него обязательно есть зона, температура которой близка к температуре выпадения конденсата, т.е. точке росы. В этой зоне образуются капельки воды, которые нужно вывести из системы. При этом фасадная система должна оставаться герметичной и со стороны улицы (защита от внешних воздействий), и со стороны помещения (чтобы не допустить теплопотерь). Существует несколько способов вывода конденсата. Один их них, это когда около каждого стеклопакета в нижней части делаются два или больше дренажных отверстий, через которые конденсат выводится из-под стеклопакета наружу. Конденсат стекает по горизонтальным элементам к узлу крепления со стойкой, попадает в нее, уходит вниз и в самой нижней части выводится наружу.

Вывод конденсата вода в ригелях может отводиться наружу с помощью дренажной уплотнительной резинки, которая лежит на опорных алюминиевых пластинах. Эта резинка представляет собой внутренний уплотнитель стеклопакета и дренажную полку, обращенную наружу для отвода влаги. Эта экструдированная прокладка-уплотнитель может быть различных размеров по глубине, в зависимости от толщины стеклопакета или панели.

В местах соединения несущих профилей (в случаях вертикального и наклонного расположения витражей) в дренажные каналы вертикальных профилей могут вклеиваться специальные пластиковые детали, отводящие влагу наружу или в пространство под декоративную крышку. Это обеспечивает дополнительную герметизацию стыка.

В оконных системах вывод конденсата происходит через отверстия, которые есть в каждом окне, - в алюминиевом и пластиковом. На них ставят прикрывающие колпачки.

Другим важным моментом правильного функционирования стеклопакета является вентиляция пространства вокруг него. Удаление влаги через дренажные каналы недостаточного размера, а так же плохая вентиляция стеклопакетов могут привести к образованию плесени и росту грибков.

В Германии, где накоплен уже большой опыт эксплуатации подобных конструкций, специалисты обращали внимание на то, что плесень разъедает торец стеклопакета, покрытый герметиком, и, разъедая, нарушает герметичность, что приводит к образованию конденсата внутри стеклопакета и отпотеванию его средней части. Поэтому важно помнить не только об удалении влаги в зоне стеклопакета, но и о вентиляции. Поэтому часто в продуманных фасадных системах, у достаточно серьезных фирм-поставщиков профилей, имеются отверстия в зоне углов стеклопакета, как правило, в каждом углу, для того чтобы пространство вокруг стеклопакета могло нормальным образом вентилироваться.

В фасадных системах из алюминиевых профилей должно быть предусмотрено решение проблем компенсации теплового расширения конструкций (особенно при их значительных размерах). Горизонтальное расширение элементов навесной стены может компенсироваться путем привинчивания ригеля к несущему вертикальному профилю через продолговатые горизонтальные отверстия и применением резиновых прокладок в стыках. Вертикальное расширение в местах соединения вертикальных профилей может компенсироваться с помощью расширительного профиля (выполняющего и функцию усиления конструкции). Такой профиль помещается во внутренние полости двух вертикально соединяемых несущих элементов.

Существует несколько принципов крепления конструкции фасада здания. Один из них - это навесная самонесущая система. Вся фасадная конструкция навешивается перед стеной или каркасом здания снаружи и крепится вертикальными стойками только на плитах перекрытия. А горизонтальные ригели являются элементами, которые только передают вес стеклопакета. Эта система достаточно проста в работе, но требует наружного монтажа. А так как установка стеклопакетов ведется снаружи, то необходимо либо наличие лесов, либо навесных монтажных приспособлений в виде люлек.

Существуют системы, когда фасад встраивается в здание. Конструкция устанавливается от пола одного этажа до плиты перекрытия следующего. Но при этом торцы перекрытий остаются незащищенными, необходимо их декорировать и теплоизолировать, т.к. они являются проводниками холода вовнутрь здания.

Когда необходимо перекрывать большие пролеты, то часто экономически нецелесообразно увеличивать жесткость конструкции путем усиления жесткости алюминиевых конструкций, а проще сзади поставить дешевый стальной каркас, на который закрепить алюминиевые конструкции. Размеры пролетов, для которых могут быть применены алюминиевые системы, определяются расчетом (сопроматом). При выборе конструкции необходимо помнить также о пожаробезопасности.

При стоечно-ригельной конструкции на фасаде имеются вертикальные и горизонтальные членения. При структурном остеклении фасад представляет собой гладкую стеклянную поверхность. Разработан также и промежуточный вариант, когда вертикальные или горизонтальные накладки пересекают фасад. Они могут иметь различные цвета и формы, которые позволяют акцентировать на них внимание. Стеклопакеты при этом варианте крепятся в одном направлении традиционным способом (для стоечно-ригельной конструкции), а в перпендикулярном направлении швы между соседними стеклопакетами герметизируются специальными резиновыми прокладками. Это накладывает ограничение на размеры применяемых стеклопакетов. При такой конструкции фасада возможна также установка открывающихся элементов со стыками не видимыми с фасада.

 

Фасадные системы со структурным остеклением

 

Фасадные системы со структурным остеклением, как правило, являются теплыми. В этих системах плоскость фасада представляет собой единую поверхность стекла без видимых наружных накладных планок.

Конструкция фасада со структурным остеклением требует, чтобы скелет здания был должным образом подготовлен под монтаж фасада, т.к. зазоры между стеклами делаются минимальными. Зазоры предназначены только для того, чтобы компенсировать температурные колебания соседних стеклопакетов или других фасадных элементов, а пространства для восприятия прогиба плит перекрытия, на которые крепится вся система, не остается. И поэтому каркас самого здания должен быть абсолютно жестким, а плиты перекрытия должны иметь минимальный прогиб практически равный нулю.

В ряде систем предусматривается приклеивание стеклопакета к алюминиевой опорной рамке, которая затем закрепляется на вертикальные алюминиевые стойки и горизонтальные ригели.

Для структурного остекления часто применяют особый стеклопакет - наружное стекло делается длиннее, чем внутреннее. Это позволяет приклеивать к опорной рамке одновременно два стекла - наружное и внутреннее, что, несомненно, делает всю конструкцию более надежной.

Для увеличения безопасности и надежности системы многие немецкие фирмы, кроме простого приклеивания стеклопакетов, предлагают еще и их механическую фиксацию путем продления опорной рамки и загибания ее за край стекла наружу. Алюминиевая рамка становится видна на фасаде, но зато существенным образом повышается безопасность всей системы. По мнению немецких специалистов, это особенно важно в случае пожара, т.к. термостойкость клея менее 2000С, и только механическое крепление позволяет удерживаться стеклопакету.

Ряд фирм применяет и совершенно особые стеклопакеты, у которых фрезеруется край стекла под 450 таким образом, чтобы алюминиевый уголок (механическая поддержка) оставался в плоскости стекла.

В систему структурного остекления могут быть встроены верхнеподвесные окна, открывающиеся наружу, причем таким образом, что при закрытых створках различия на фасаде между открываемыми блоками и неподвижными заметить невозможно.

 

Тепло-холодные фасадные системы (облицовочные фасады)

 

Тепло-холодный фасад используется тогда, когда необходимо реконструировать существующее здание, которое имеет в вертикальных стенах оконные проемы. При этом стеклянная стена навешивается поверх существующей ограждающей конструкции, и крепление фасада происходит не к перекрытиям, а к парапетным частям здания.

В этом случае применение теплой конструкции всего навесного фасада является избыточным. В области оконных проемов навесной фасад должен быть теплым (здесь он выполняет все функции стандартного окна), а в области глухих простенков - холодным (декоративная функция). Именно из-за этого четкого разделения областей фасад и назвали "тепло-холодным".

В теплых областях должна быть предусмотрена гидро- и пароизоляция оконных проемов. В холодных же областях остекление ведется не стеклопакетами, а стеклами. И за ними может образовываться конденсат, который должен испаряться. Поэтому холодные области необходимо обязательно проветривать. Между стеклом и стеной здания оставляется некоторый зазор, и в этом промежутке образуется каминный эффект - вытяжка. И вся влага, которая образовалась в результате сезонных или дневных температурных колебаний, вытягивается вверх. Это является особенностью системы, можно сказать, ее краеугольным камнем.

 

Вентилируемые стеклянные фасады

 

Вентилируемые стеклянные фасады, или, как еще называют их фирмы, занимающиеся продвижением подобных конструктивных решений, "интеллигентные" фасады практически пока не известны в России. В западных же странах, в частности в Германии, уже достаточно много подобных построек.

Отметим сразу, что данное конструктивное решение в первую очередь предназначено для общественных представительских зданий: административных, банковских, аэропортов, и т.п.

Вентилируемые стеклянные фасады -это не только оригинальное конструктивное решение, не только богатые возможности в архитектурном плане, но и целая философия, концепция создания внутри помещения благоприятного микроклимата, то есть естественной среды обитания человека - с нужной освещенностью, температурным и влажностным режимами, движением воздуха, и т.п. Но и одновременно с защитой от негативных атмосферных воздействий - ветров, осадков, и т.п. Всеми параметрами человек может управлять самостоятельно, практически не прибегая к помощи кондиционеров, обогревателей, и т.д.

Что же такое вентилируемые стеклянные фасады, на каких принципах основана работа этих конструкций? Попытаемся дать ответы на эти вопросы.

Данная конструкция представляет собой "рубашку", оболочку, которая как бы надевается на фасад здания. На некотором расстоянии от стены здания, высотой до 0,6 м, навешивается конструкция из системных профилей и стекла, являющейся, практически, вторым фасадом. Наружный фасад воспринимает ветровые нагрузки, защищает здание от осадков, частично поглощает солнечную энергию. Для него используют "холодный" профиль и одинарное глухое остекление.

Такая оболочка может быть навешана как на стену реконструируемого здания (из кирпича, бетона), так и на светопропускающую конструкцию нового сооружения ("теплый> профиль + стеклопакеты). При устройстве стеклянного вентилируемого фасада при реконструкции в районе расположения окон ставится прозрачное стекло, а в районе глухой стены, в зависимости от замысла архитектора, может быть применено либо зеркальное остекление, либо глухие панели.

При возведении двух стен (внутренней и наружной) из системных профилей со светопропускающим заполнением, внутренние помещения, которые должны быть закрыты, могут быть сконцентрированы в цокольном, первом этажах. Также существует и другое решение - с частичным применением зеркального остекления и глухих панелей.

Крепление стекла в наружной стене может быть выполнено как видимыми элементами крепления, так и по принципу структурного остекления.

Физика "работы" подобного фасада состоит в том, что между двумя фасадами оставляется воздушный промежуток, в котором циркулирует воздух за счет перепада температур, давлений. Вентиляция устраивается либо поэтажная, либо через этаж (на внешнем фасаде устанавливаются специальные решетки). Устройство вентиляции на всю высоту здания не целесообразно, так как это требует применения дорогостоящих насосов, которые будут качать воздух. Оптимальным является обеспечение не только вертикальной, но и горизонтальной циркуляции воздуха в воздушном промежутке между двумя фасадами. Это возможно при точечной застройке, в здании круглой, квадратной или многогранной формы. В этом случае солнце нагревает воздух с одной стороны здания, в одном сегменте, откуда он перетекает в более холодную часть дома. Благодаря вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха строение будет охлаждаться естественным путем, поэтому использование кондиционеров может быть сведено к минимуму.

Для регулирования светового потока применяются жалюзи, управляя которыми, человек сам может создавать требуемый уровень освещенности.

Для ухода за подобными фасадами предусматривается либо достаточный промежуток между двумя стенами для прохода человека (0,6 м), либо во внутреннем фасаде открывание окон устраиваются с учетом возможности уборки и внешнего стеклянного фасада.