Редакция журнала «Кровли» предлагает вниманию читателей перевод статьи из всемирно известного архитектурного журнала Detail, посвященной возведению оригинальной стеклянной кровли над двором галереи искусств в Вашингтоне (США).
Разработка проекта: Foster and Partners (США). Изготовление конструкции: Josef Gartner GmbH (Германия).
Когда здание бывшего учреждения по выдаче патентов, известный памятник архитектуры Вашингтона, было передано властями Национальной галерее портретного искусства, потребовалось обеспечить дополнительные площади, не нарушая исторического облика объекта. Здание имеет традиционную П-образную планировку в стиле классицизма с внутренним двориком. До реконструкции двор комплекса по климатическим причинам мог активно использоваться лишь весной и осенью. Теперь его перекрывает необычная светопрозрачная крыша.
Крыша над внутренним двором Национальной галереи портретного искусства была выполнена в виде трех стеклянных куполов, плавно переходящих друг в друга. Несущая решетчатая конструкция в солнечную погоду отбрасывает на стены и пол причудливую сетку теней, а ее отражение на поверхности воды небольших бассейнов зрительно расширяет и украшает внутреннее пространство двора. Особенно красиво купол смотрится ночью, когда включается иллюминация.
Оформленный архитектором Катрин Густафсон двор стал вскоре после постройки популярнейшим местом встреч, и не только для посетителей музея. С осени 2007 г., когда состоялось торжественное открытие, музейный двор под стеклянной крышей стал использоваться круглогодично для проведения торжественных мероприятий и концертов.
Задачи и решения
Поскольку проведение массовых мероприятий планировалось музейным руководством изначально, перед архитектором стояла важная задача обеспечить условия, соответствующие требованиям к акустике и кондиционированию воздуха. Так как пол и стены двора отделаны камнем, который не поглощает звук, то абсорбировать звук должна была крыша. Поэтому стальные профили несущей конструкции выполнены со звукоизоляцией.
Конструкция крыши массой 800 т и площадью около 84 м2 опирается на восемь стальных опор, расположенных вдоль стен двора. Благодаря такому техническому решению конструкция не соприкасается с историческим зданием. Высота крыши незначительна, и она остается невидна прохожим снизу, с улицы, вследствие чего не нарушен общий облик объекта.
В целях исключения перегрева воздуха во дворе было использовано специальное стекло с нанесенным на него рисунком, почти не заметным глазу, который отражает солнечные лучи, падающие на него под определенным углом. По периметру крыши дополнительно расположена зона вентиляции.
Конструкция решетчатой оболочки
На схеме: I – край крыши; II – фрагмент сочленения стеклопакетов;
III – крепление к опорам. Масштаб – 1:20
1 – Металлическое покрытие крыши здания
2 – Алюминиевый лист
3 – Тепло- и звукоизоляция из минеральной ваты (125 мм)
4 – Вентиляционный зазор
5 – Крайняя балка – пустотелый стальной сварной профиль (800/400/2 мм)
6 – Силиконовый шов
7 – Алюминиевая рама, в которую вставлен стеклопакет (в зависимости
от позиции высота профиля меняется)
8 – Низкоэмиссионный стеклопакет, белое стекло: однослойное
безосколочное стекло (10 мм) с растровой печатью (O 3 мм); воздушный
зазор (16 мм), многослойное безосколочное стекло (13 мм)
9 – Лоток из алюминиевого профиля (125/50 мм)
10 – Балка (555 мм): верхний пояс – стальной лист (180/25 мм), ребро –
листовая сталь (430/10 мм), нижний пояс – стальная труба
(О 101,6/12,5 мм)
11 – Звукоизоляционная панель (продукт из вторсырья джинсовой ткани)
12 – Звукоизоляционная облицовка (алюминиевые трубки О 15 мм)
13 – Водосточная труба (О 125 мм)
14 – Стальной стержень (О 139,7 мм)
15 – Оголовок опоры – стальная отливка
Решетчатая несущая конструкция выполнена из сварных стальных рам, высота которых в центре составляет 555 мм, а к опорным узлам достигает 1 м. Благодаря такому техническому решению образуется своеобразный кровельный ландшафт.
Специальная система из стеклянных стеклопакетов в алюминиевой раме сделала возможной реализацию структуры двоякой кривизны посредством прямоугольных плоских элементов, которые, в отличие от треугольных форматов, обеспечивают лучший визуальный просмотр.
Примерно 120 стальных рам, собранных в решетку, образуют основную несущую конструкцию оболочки. Элементы стальных рам (4,5х12 м) были заранее изготовлены производителем и пронумерованы, что помогло в дальнейшем облегчить точное позиционирование их в заданной конструктивной сетке крыши.
Невидимая со двора глазу стороннего наблюдателя балка прямоугольного сечения образует край решетчатой конструкции по периметру. Конструкция этой балки, формирующая вентиляционный паз, допускает определенные деформации, появляющиеся из-за температурных колебаний.
Вся решетчатая структура крыши состоит из 1700 стальных балок, выполненных индивидуально для каждой соответствующей позиции. Сечение балки состоит из одной стальной полосы (верхний пояс), двух стальных листов (поперечные ребра) и одной круглой трубы (нижний пояс). В зоне опор, где требование к балкам выше всего, высота рам достигает 1 м.
Вдоль поперечных ребер установлены акустические панели. Изоляционный материал изготовлен из вторсырья джинсовой ткани и облицован текстилем серого цвета.
По верхнему поясу несущей конструкции расположены алюминиевые лотки, которые служат опорой для алюминиевых рам, в которые вставлены 860 немного отличающихся по размерам прямоугольных стекол. Эти лотки также собирают и отводят конденсат, который может образовываться на нижней стороне стеклянных элементов. Кроме того, они служат вторым уровнем водоудаления: в случае повреждения первого, силиконового уплотнения, проникшая вода собирается в профили-лотки и выводится через расположенную в колоннах дренажную трубу.
Каждая рама со стеклопакетом, имеющая размер примерно 2х2 м и массу около 200 кг, была индивидуально изготовлена для строго определенного места в общей конструкции. Повышающаяся высота рам создает визуальный эффект изогнутой линии крыши.
Все стеклянное заполнение крыши – это теплоизолированные стеклопакеты, выполненные из бедного окисью железа белого стекла, что максимально сокращает цветовое искажение дневного света. На наружный слой стеклопакетов нанесена белая растровая печать, что несколько смягчает свет и сокращает поступление тепла. Опорные прокладки, отделяющие наружное однослойное безосколочное стекло от внутрилежащего многослойного триплекса, выполнены из высококачественной стали, для которой характерна меньшая теплопроводность, чем у алюминия, что способствует меньшему образованию водного конденсата.
Несущая конструкция из восьми тонких колонн
Крыша выполнена как самонесущая конструкция. На восемь стальных столбов опираются самые нижние точки решетчатой структуры. Они воспринимают все нагрузки от крыши и передают их на подземное свайное основание.
Диагонально ориентированные изгибы рам помогают передать нагрузки непосредственно к опорным узлам. Чтобы сократить действующие на колонны горизонтальные нагрузки, они объединены стяжками круглого сечения, проходящими по самым нижним точкам решетки.
Облицованные алюминием опоры изготовлены из стальных труб диаметром 850 мм и толщиной стенки 50 мм. Каждая труба имеет длину 20 м. С помощью специальных литых оголовков массой 4,5 т решетчатая конструкция крыши крепится к опорам. Вода с крыши отводится через водосточную трубу, размещенную внутри опор.
От трехмерного проектирования к изготовлению
Архитекторы фирмы Foster and Partners разработали геометрию крыши с помощью трехмерного программного проектирования и согласовали несущие характеристики конструкции с бюро Happold. Инженеры фирмы Gartner работали с миллиметровой точностью над решениями узлов и деталей в системе трехмерного моделирования, все отдельно разработанные элементы поставлялись для их дальнейшего изготовления на производство в Гундельфинген.
Изготовление и монтаж решетчатой структуры
Поскольку несущая рама представляет собой свободно смоделированную поверхность, для удобства монтажа каждая балка была установлена так, чтобы иметь возможность поворачиваться вокруг своей оси на угол до 8°. Поворот балок осуществлялся посредством специального устройства.
Сначала отдельные несущие элементы крепили точечной сваркой, далее балки поворачивали в собранном состоянии, создавая желаемый угол, и окончательно сваривали.
Чтобы достичь желаемой геометрии рамы, отдельные части балок собирались по шаблонам. При этом положение каждой балки определялось путем установки ее на два стабильных металлических шаблона. После установки всех отдельных балок рамы на соответствующие шаблоны стыки балок сваривались. Так как стальные элементы из-за нагрева при сварке деформируются, то эта работа требует высокого профессионального навыка и большого опыта. Как можно более равномерный нагрев со всех сторон и заключительное выравнивание обеспечивают точную геометрию каждой рамы. После сварки швы там, где было необходимо, полировались. Затем рама подвергалась пескоструйной обработке, и на нее наносилось покрытие.
Поскольку стандартный грузовой транспорт имеет длину примерно 12 м и ширину 4,5 м, в одну машину можно было погрузить только 1–2 рамы. Закрепленные страховочными поясами рамы были доставлены к гавани, где их погрузили на корабли. В Вашингтоне груз должен был в точно назначенное время доставлен на стройплощадку.
Для монтажа стальной структуры на всю площадь двора была построена платформа, которая служила как для монтажа, так и для хранения элементов рам.
Каждая рама имеет минимум три точки для регулирования высоты опирания. Отдельные элементы поднимались башенным краном и выравнивались по точно установленным трехмерным координатам, фиксировались в соответствующих опорных точках и затем сваривались с соседними рамными элементами.
После монтажа стальной несущей конструкции последовал монтаж остекления. Сначала были смонтированы алюминиевые лотки, в пунктах перекрещивания они были соединены с силиконовыми отливками. Потом стеклянные панели были установлены на U-профили и зафиксированы болтами. В заключение между отдельными стеклянными элементами были изолированы стыки.
Опускание стеклопакетов происходило в заранее установленной последовательности, чтобы обеспечить как можно более равномерное распределение деформаций. Один элемент рамы не был установлен на крышу до тех пор, пока не закончилось оформление внутреннего двора. Это открытое место использовалось как люк, через который кран мог доставлять материалы и удалять мусор.
Реализация такого проекта потребовала тщательно выверенного монтажа. Так, к примеру, только четыре месяца длился монтаж строительных подмостков, поскольку они должны были быть установлены очень точно для дальнейшей юстировки элементов крыши. В течение всего времени строительства должно было регулярно проверяться правильное положение элементов для подтверждения стабильности конструкции и отсутствия смещений.
ВНИМАНИЕ! В августе 2010 г. запланирован выход первого номера всемирно известного журнала DETAIL на русском языке. Его будет выпускать украинское издательство «Book People». Редакция журнала «Кровли» выступит организатором продвижения и распространения русскоязычного DETAIL на территории нашей страны. Актуальная информация о данном проекте будет публиковаться на нашем информационном портале.