Стеклянные кровли. Часть 1: специальные виды стекла

Светопрозрачные кровельные конструкции можно отнести к одному из популярных явлений современной архитектуры общественных зданий, тем более, что производители предлагают самые разнообразные виды стекла, которые позволяют создавать самые фантастические формы крыш и атриумов, добиваясь удивительного эффекта. Журнал «Кровли» начинает серию публикаций, посвященных возведению стеклянных кровель.

В последнее десятилетие в архитектуре наблюдается устойчивая тенденция к использованию для освещения помещений естественного света, что приводит к росту популярности стеклянных крыш. В ногу с требованиями архитектуры идут и технологии производства. Мировыми и отечественными производителями накоплен огромный опыт производства уникальных видов стекла, которые, помимо своей традиционной функции – обеспечения естественного освещения, помогают решать еще и задачи энергосбережения, а также проблемы акустики.

Из истории стеклянных крыш

История стеклянных кровель насчитывает почти два столетия. В 1851 г. в Гайд-Парке для Лондонской выставки был сооружен выставочный павильон, получивший название «Хрустальный дворец». Впервые в мировой практике появилось внушительных размеров сооружение только лишь из металла и стекла. Во второй половине XIX в. первые здания со стеклянными кровлями появляются повсеместно: торговые пассажи (московский ГУМ), вокзалы (парижский вокзал Д’Орсэ, преобразованный в ХХ в. в музей искусств), выставочные павильоны (миланская галерея Виктора Эммануила II). Ажурные геометричные своды, арки и купола стали характерным элементом архитектуры из стекла и металла. Первоначально рамная сетка для крыш предусматривала применение стекол малых габаритов, так как в основном листовое стекло было тонким. С появлением более прочных и безопасных видов стекла архитекторы и проектировщики получили дополнительные возможности для использования этого материала в кровельных системах.

Торговый комплекс, Милан, Италия

В Европе и США пик популярности атриумов приходится на период нефтяного кризиса, когда, в целях энергосбережения, архитекторы стали все чаще закладывать в проекты светопрозрачные конструкции. Именно в это время законодателем моды на возведение атриумов стал американский архитектор Дж. Портмен, который в 1970–1980-х гг. возвел целый ряд небоскребов с большими атриумами.

В России в настоящее время стеклянные кровли востребованы не только в общественном, но и в частном домостроении (преимущественно для строительства зимних садов).

Apple Store, Нью-Йорк, США	Библиотека, Минск, Беларусь

Быстрому росту объемов строительства таких крыш мешают несколько факторов:
• Отсутствие нормативной документации.
• Высокая стоимость.
• Особенности эксплуатации.

Устройство стеклянных кровель предусматривает повышенные требования к вентиляции помещений, пожарной безопасности, системам удаления снега и водоотвода с поверхности. Эксплуатация стеклянной кровли обходится дороже, чем традиционной, – ее необходимо очищать как минимум два раза в год.

Однако появление на рынке новых технологических новинок стимулирует развитие направления стеклянных кровель. Например, если раньше основным недостатком стекла считалась его теплопроводность, приводящая к значительным теплопотерям и перерасходу электроэнергии, то теперь применение современных стеклопакетов или специальных энергосберегающих стекол позволило решить эту проблему. Более того, возможность использовать для освещения внутренних помещений естественный свет позволяет даже снизить расходы на электроэнергию.

Стекло для кровель: предъявляемые требования

К стеклам, применяемым в кровельных конструкциях, предъявляются повышенные требования с точки зрения безопасности, энергоэффективности и эстетики.

Типография с офисом, Германия	Публичная библиотека в Сиэтле, США

Основная особенность стеклянной кровли – ее светопрозрачность, возможность использовать для освещения внутренних помещений естественный свет и, соответственно, значительно экономить электроэнергию. Однако кроме отличных оптических свойств, стекло должно удовлетворять целому ряду дополнительных требований в области теплоизоляции: в частности, оно должно «уметь» ограничивать перегрев помещений при солнечной погоде и уменьшать теплопотери в холодное время года.

Еще одно немаловажное требование к материалу стеклянной кровли – это прочность, которой должно хватать на то, чтобы, помимо собственного веса стекла, выдерживать ветровую и снеговую нагрузки (с «запасом» на случай обильных снегопадов!), а также производимые ремонтные и эксплуатационные работы на крыше.

Травмобезопасность обеспечивается использованием закаленного стекла, триплекса или стекла с нанесенной пленкой. Прочность закаленного стекла в 4–5 раз выше, чем обычного, при разрушении оно распадается на мелкие фрагменты, не имеющие острых углов. А триплекс (его еще называют ламинированным стеклом) – это своеобразный «сэндвич», состоящий из двух или более листов обычного полированного стекла, скрепленных между собой посредством специальной пленки. Такое стекло обладает повышенной ударопрочностью, а скрепляющая пленка не дает ему распадаться на осколки при разрушении. На сегодняшний день существует большое количество разнообразных защитных покрытий, которые, не уменьшая прозрачности стекла, обеспечивают его травмобезопасность. Помимо ударопрочности, такие стекла обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, стойкостью к перепадам температур. Например, многослойное ударопрочное стекло Stratobel, производства AGC Flat Glass, с поливинилбутиральной пленкой (PVB) представляет собой конструкцию, состоящую из двух или более листов стекла, соединенных одним или несколькими слоями пленки PVB, которая может быть как прозрачной, так и цветной либо декоративной.

Индивидуальный жилой дом, Австрия	Музей современного искусства, Нью-Йорк, США

Другим популярным способом повышения прочности светопрозрачных частей кровельных систем является применение армированного стекла. При разрушении стекло сохраняет целостность благодаря внедренной в его структуру металлической сетке. Дополнительное преимущество таких стекол – это пожаростойкость. Защитить от открытого пламени или продуктов горения могут специальные пожаростойки стекла. Например в состав стекол Pyrobel и Pyrobelite (производства AGC Flat Glass) включены специальные слои, которые под воздействием высоких температур расширяются и превращают стекло в непрозрачный барьер, сдерживающий распространение пламени, дыма и высокой температуры. Кровля из такого стекла способна защитить дом от распространения огня с соседних горящих объектов.

Находясь на кровле, отдельные участки стекла могут прогреваться на солнце неравномерно, разница температур между основной поверхностью и ее участком на стыке с рамой может составлять 30–35 °С. Такой перепад температур вызывает «термошок» и разрушение стекла, поэтому специалисты рекомендуют использовать стеклопакеты, состоящие из двух частей, например, триплекса и закаленного стекла. Избежать разрушения конструкции по причине термошока можно, используя закаленные стекла, прошедшие испытания термовыдержкой.

Железнодорожная станция, Киль, Германия

Инновационные технологии в производстве стекла

Энергоэффективность. Этим термином в среде специалистов принято характеризовать остекление, которое помогает грамотно и эффективно регулировать энергетические потоки внутри зданий. Энергоэффективные свойства стеклу придают специальные незаметные покрытия на основе  оксидов редкоземельных металлов.

Энергоэффективное остекление можно разделить на три вида:
• теплосберегающее;
• солнцезащитное;
• комбинированное (солнцезащита + теплосбережение).

Сэкономить электроэнергию, уходящую на охлаждение помещений летом, позволяют солнцезащитные стекла – отражающие и тонированные в массе, с нанесенным специальным рисунком для регулирования световых потоков.

Основным показателем, характеризующим способность стекла отражать тепловое излучение, является его излучающая способность, или «коэффициент эмиссии». Чем он меньше, тем эффективнее материал отражает тепло. Благодаря своим свойствам такие стекла позволяют солнечному свету беспрепятственно проникать в помещение, а аккумулированное внутри помещений тепло они отражают обратно. Обычное стекло с одинаковой интенсивностью отражает накопленную энергию как внутрь, так и наружу, в случае же низкоэмиссионного стекла интенсивность излучения наружу падает в несколько раз.

Образец «переключаемого» стекла: а) режим «матовое», б) режим «прозрачное»

Для достижения требуемых свойств остекления применяются различные типы напылений. Самыми передовыми по своим характеристикам являются так называемые мягкие покрытия, наносимые на стекла в ходе электрохимических процессов в условиях глубокого вакуума в специальных установках – коатерах.

Новейшая разработка компании Saint-Gobain Deutsche Glas — «переключаемое стекло» — работает в двух режимах – прозрачном и матовом. Стекло подключается к источнику питания, и одним нажатием кнопки может менять свою светопрозрачность. Летом стекло, переключенное в матовое состояние, сокращает тепловую нагрузку, а зимой, прозрачное, позволяет пропускать больше дневного света и естественного тепла.

Стекло со встроенным солнечным модулем

Самоочищение. В качестве примера можно привести самоочищающееся стекло Pilkington Active™. Двухэтапный процесс очищения начинается с разложения органических загрязнений на поверхности стекла под воздействием УФ-излучения. Затем, при попадании на стекло воды, влага, стекая, смывает грязь. Стоит учитывать, что применение самоочищающегося стекла на объектах, расположенных в особо загрязненных районах мегаполисов, не гарантирует их идеальной прозрачности, которой можно добиться при использовании моющих средств. Однако его использование для остекления кровель, особенно в труднодоступных местах, избавляет от необходимости очистки стекол вручную и связанных с этим затрат и рисков.

Антибактериальное покрытие некоторых видов стекла уничтожает более 99 % бактерий и препятствует распространению грибка, улучшая санитарно-гигиенические условия помещений, подверженных воздействию микробов.

Стекло с фотопечатью

Борьба со снежными заносами. Помимо нагрузки, которая представляет серьезную угрозу безопасности эксплуатации объекта, снег закрывает стекло, делая его полупрозрачным или вовсе непрозрачным, чем сводит «на нет» все преимущества архитектурного решения стеклянной кровли. Есть несколько традиционных способов решения этой проблемы – увеличение угла наклона кровли на стадии проектирования и установление кабеля электрообогрева. Удаление снега и наледи механическим путем, понятно, недопустимо, поскольку грозит серьезными повреждениями. Однако самый перспективный вариант – применение стекол с электроподогревом, что давно и с успехом освоено в автомобильной промышленности.

В настоящее время на рынке присутствуют две разные технологии производства стекла с обогревом:
• Многослойное стекло, в котором нагревательные провода (обычно из вольфрама) уложены в промежуточный слой из поливинилбутирата.
• Многослойное стекло или стеклопакеты с обогреваемым покрытием.

Образцы солнцезащитного стекла

Производство обогреваемого стекла по первой технологии является более трудоемким и затратным. Одним из лидеров в производстве такого типа обогреваемого стекла является компания Saint-Gobain (продукт Thermovit). По сравнению со стеклом, оснащенным обогреваемым покрытием, тончайшие вольфрамовые провода не влияют на коэффициент пропускания света (при использовании покрытий этот параметр может уменьшиться на 5-10 %) и другие оптические свойства материала.

Кровли из стеклоблоковОдин из мало распространенных вариантов устройства стеклянных крыш, – кровли из стеклоблоков. Как известно, стеклоблоки – это изделия с герметично закрытой полостью, образованной в результате соединения двух отпрессованных стеклянных пластин. Разреженный воздух, находящийся внутри стеклоблока, придает этому материалу прекрасные теплосберегающие и звукоизоляционные свойства. Применение данного материала предоставляет архитекторам широкий простор для фантазии — комбинируя цвета, фактуры и размеры, чередуя матовые и гладкие стеклоблоки можно создавать целые композиции.Из стеклоблоков возводят, как правило, крыши в частных домах, своды, навесы, зимние сады. Стеклоблоки можно смонтировать в любой плоскости — и горизонтальной, и вертикальной, и наклонной. Однако с инженерной точки зрения устройство кровли из стеклоблоков намного сложнее, чем любой другой светопрозрачной конструкции. Стоит иметь в виду, например, что конструкции из стеклоблоков плохо переносят растяжение конструкций. Необходимо учитывать также тяжесть стеклоблоков – каждый элемент весит 2,5-4,5 кг. Некоторые сложности создает и то, что обычный стеклоблок не может быть в конструкции крайним. Ему необходима опора — из кирпича, металла, дерева.

Альтернативная технология заключается в использовании электропроводных прозрачных покрытий, которые производятся на основе оксида олова с примесью фтора, оксида олова с индием или смеси оксидов и металлического серебра. Выходная мощность таких панелей выше, чем обогреваемого стекла с проводами.

К достоинству панелей с покрытием относится их стоимость (на 30 % ниже, чем стекло с смонтированными проводами), а к недостаткам — ограничения по размерам. При работе с большими панелями может возникнуть необходимость в подаче высокой входной мощности, а у стеклянных панелей сложной конфигурации может возникнуть неравномерное распределение тепла: углы останутся холодными, а в отдельных зонах возникнет перегрев.

В настоящее время стекла для кровель с электроподогревом в России предлагают немногие производители: USD, «Мосавтостекло», «Лаборатория света».

Образцы солнцезащитного стекла

Шумоизоляция. Применение стекла с эффектом шумоизоляции позволяет создавать светопрозрачные кровли на таких объектах, как бассейны и стадионы. В качестве примера здесь можно привести строящийся стадион в г. Гдыня (Польша). При строительстве этого объекта перед архитекторами встала задача обеспечить комфорт жителей близлежащих домов, чтобы шум, неизбежный при проведении массовых спортивных мероприятий, не мешал окружающим. Для возведения кровли стадиона было использовано гнутое закаленное стекло с нанесенной печатью для солнцезащиты и специальным шумоизолирующим слоем.

Другой пример — многослойное стекло Stratophone (AGC Flat Glass), содержащее слой специальной шумозащитной пленки. Помимо шумозащиты эта пленка обеспечивает также безопасность окружающих при механическом повреждении защищаемого ей стекла.

Стеклянные кровли, обладающие сбалансированными эксплуатационными характеристиками, имеют широкую перспективу при строительстве общественных, промышленных и уникальных зданий.

Статья подготовлена по материалам компаний:
NTD-engineering (официальный представитель компании USD

в России); Ассоциация «Апрок»; AGC Flat Glass; Star Glass.