Панорамное остекление высотных зданий: нормативные требования, конструктивная надёжность и эксплуатационная долговечность

Введение

Развитие современных городов сопровождается активным строительством высотных зданий, формирующих архитектурный облик и силуэт городской застройки. Одним из наиболее выразительных архитектурных решений является панорамное остекление, придающее зданиям современный, эстетически привлекательный и престижный внешний вид. Применение стеклянных фасадов позволяет подчеркнуть архитектурную индивидуальность высотных сооружений, создавая визуальный образ технологически развитой и инвестиционно-привлекательной городской среды.

При проектировании светопрозрачных фасадов высотных зданий необходимо учитывать механическое воздействие, перемещение элементов относительно проектного положения. Эти требования зависят не только от выбранного стекла, но и от конструкции несущей подсистемы и узлов её закрепления [7, с. 75-79; 8; 10]. Например, крупноразмерная панель уменьшает число межэлементных швов, однако увеличивает массу отдельного монтажного элемента. Поэтому сравнение фасадных систем целесообразно начинать с геометрии панелей и схем передачи нагрузки на каркас здания.

Цель работы – сравнить 6 конструктивных систем по количеству панелей, протяжённости вертикальных стыков и числу соединений на типовом этаже. Для оценки принята единая геометрия фасада; силовой расчёт, определение срока службы и испытания узлов в задачу исследования не входят.

Основная часть

В пункте 3.16 ГОСТ Р 56926-2016 панорамное балконное остекление - конструкция балконного остекления, устанавливаемая в световой проем, образованный снизу и сверху перекрытиями балкона [11]. В работе под панорамным остеклением понимается светопрозрачное ограждение высотой, обеспечивающее обзор из помещения и способное занимать участок наружной стены от уровня пола до перекрытия либо образовывать непрерывную фасадную поверхность. Область применения нормативных требований зависит от назначения и высоты здания. Так, СП 550.1311500.2026 устанавливает требования пожарной безопасности для жилых зданий класса Ф1.3 высотой более 75 м и общественных зданий высотой более 50 м [12].

По классификации ГОСТ 33079-2014 в зависимости от типа несущего каркаса выделяют: стоечно-ригельные, модульные, фахверковые, вантовые, бескаркасные и комбинированные светопрозрачные фасадные конструкции [3]. Их устройство, достоинства и потенциально уязвимые узлы сопоставлены в таблице 1, а их схемы показаны на рисунке.

Таблица 1

Классификация систем панорамного остекления по конструктивным признакам

Рис. Схемы несущего каркаса светопрозрачных ограждающих конструкций (на основе ГОСТ 33079-2014 [3])

Перечень контролируемых узлов различается по типу фасада: в стоечно-ригельном каркасе это соединения стоек, ригелей и прижимные элементы; в модульном – межмодульные швы и анкеры; в вантовом – натяжные и точечные крепления.

Положения ГОСТ Р 56926-2016 нельзя без дополнительного обоснования распространять на любые навесные фасады высотных зданий: стандарт предназначен для определённых оконных и балконных конструкций жилых зданий высотой не более 75 м [5]. При проектировании остекления высотных объектов следует отдельно проверять требования СП 267.1325800.2016 к безопасности ограждений и условиям их эксплуатации [10].

Эксплуатационная пригодность фасада связана с сохранением герметичности и возможностью обслуживания отдельных элементов. При обследовании важно отличать нарушение герметичности стеклопакета от дефекта наружного межэлементного шва: они имеют разное расположение и требуют разных способов ремонта. Технические требования к стеклопакетам установлены ГОСТ 24866-2014, к светопрозрачным ограждающим конструкциям – СП 426.1325800.2020 [2, 11].

Влияние конструктивного решения примыкания на эксплуатационные характеристики показано в исследовании К. С. Андрейцевой для рассмотренных московских климатических условий минимальная температура внутренней поверхности узла составляла 4,38°C при сплошной железобетонной консоли, 7,46°C при перфорации плиты и 17,05°C при применении несущего теплоизоляционного элемента [1, с. 36]. Эти значения получены для конкретных моделей и не характеризуют все фасадные системы.

Рассмотрен типовой этаж условного здания 42 × 42 м высотой h = 3,6 м. На каждом фасаде принят один ряд прямоугольных стеклянных элементов без учёта дверей и непрозрачных поясов. Ширина панели b составляет 1,5 либо 2,0 м; оба размера делят длину стороны без остатка. Для всех шести систем принята одинаковая сетка остекления.

Периметр P = 4 × 42 = 168 м;

Площадь фасада одного этажа A = P × h = 604,8 м².

Число панелей на стороне n = 42/b, на этаже N = 4n;

Количество вертикальных прямолинейных межпанельных стыков.

J = 4(n − 1), их длина L = J × h.

Сопоставление полученных геометрических показателей приведено в таблице 2.

Таблица 2

Геометрические показатели остекления одного этажа

Примечание: масса рассчитана условно для двух листов стекла толщиной 6 мм при плотности 2500 кг/м³; рамы и крепления не учитываются.

По таблице 2 при увеличении ширины панели с 1,5 до 2,0 м её расчётное количество на этаже сокращается со 112 до 84 (на 25%), а длина – со 108 до 80, а их протяжённость – с 388,8 до 288,0 м (на 25,9%). В рассматриваемой схеме это уменьшает объём работ по устройству именно вертикальных соединений; горизонтальные и угловые участки в расчёт не включены. При сопоставимых теплотехнических характеристиках швов уменьшение их длины может снижать линейные теплопотери [9]. Типовые размеры заводских модулей и особенности их уплотнения рассмотрены в публикации A. Tee [14].

Для сопоставления систем отдельно подсчитаны базовые узлы передачи усилий от фасадной подсистемы на каркас здания (БУ) и точечные соединения стекла с опорами (ТС). В системах с рамным остеклением заполнение закрепляется прижимами либо иными непрерывными соединениями.

Один БУ может включать несколько анкеров и болтов, а один узел-«паук» – несколько соединений с соседними стёклами. Поэтому БУ и ТС учитываются раздельно: их сумма не равна фактическому числу анкеров и болтов.

Для стоечно-ригельной системы приняты две опоры на каждую стойку, по (n + 1) стойке на стороне; угловые стойки в принятой расчётной схеме учитываются дважды – по одной на каждый примыкающий фасад. Для модульной – две опоры на панель. В фахверковой схеме принят независимый шаг силовых осей 6 м (по восемь осей на сторону) и две опоры на ось; остекление условно закреплено четырьмя точками на панель. Дополнительные соединения вспомогательной подсистемы не учитываются.

Для вантовой системы принята условная одноэтажная схема: вертикальные ванты проходят по границам панелей и имеют по два концевых крепления; на каждой стороне добавлены две горизонтальные ванты с креплениями на концах. Каждая стеклянная панель имеет четыре точечных соединения. Для бескаркасной системы приняты четыре непосредственные опоры на панель. Комбинированная схема включает две стороны со стоечно-ригельным каркасом и две стороны с фахверком. Все приведённые узлы являются условными расчётными единицами: их фактические количество и конструкция должны быть подтверждены расчётом фасада и подбором крепежа [3; 13, с. 123-126].

Для полученных n и N использованы зависимости:

Таблица 3

Число ТС в фахверковой и вантовой схемах принято равным 4N, в комбинированной – 8n. Для бескаркасной схемы опорные узлы одновременно удерживают стекло и повторно не учитываются.

Результаты расчёта представлены в таблице 4. Для фахверковой и вантовой систем приняты четыре расчётные точки соединения на панель, чтобы выявить влияние размеров панели; разработка расчётной силовой подсистемы в данную модель не входит.

Таблица 4

Расчётное число опорных узлов на этаж при принятых схемах

Из таблицы 4 следует, что при укрупнении панелей число базовых опор в стоечно-ригельной, модульной, вантовой и бескаркасной моделях уменьшается на 22,6–25,0%, а в комбинированной – на 18,9%. В фахверковой системе оно остаётся равным 64 вследствие независимого шага силового каркаса 6 м, хотя количество точечных соединений стекла сокращается на 25%. Предварительные области применения шести систем сопоставлены в таблице 5. Рекомендации основаны на конструктивных схемах ГОСТ 33079-2014 [3, 14].

Таблица 5

Условия рационального применения рассматриваемых конструкций

Для массового повторяющегося остекления высотной башни модульная схема позволяет перенести значительную часть сборки на завод, но увеличивает габариты заменяемого элемента. Стоечно-ригельная конструкция удобнее, когда фасад неоднороден по геометрии и требуется локальное изменение заполнения. Для атриумов и холлов с большой высотой фахверковая и вантовая схемы позволяют снизить количество визуально воспринимаемых стоек; при этом их силовые и точечные соединения требуют специального расчёта. Бескаркасная схема рациональна для локальных архитектурных фрагментов, а комбинированная – при сочетании обычных этажей с крупнопролётным подиумом [2; 13, с. 123-126; 14].

На практике число соединений – лишь один из критериев выбора. При проектировании также проверяют температурные деформации, герметичность, теплопередачу примыканий и доступ для ремонта. В расчёте К. С. Андрейцевой и соавторов различия в устройстве железобетонной консоли существенно изменяли температуру внутренней поверхности узла [1, с. 34-38]. Поэтому меньшая протяжённость стыков не может служить самостоятельным доказательством теплотехнической эффективности фасада.

Заключение

Для условного этажа размером 42 × 42 м увеличение ширины панелей с 1,5 до 2,0 м уменьшило их количество со 112 до 84, а длину учитываемых вертикальных стыков – с 388,8 до 288,0 м. Одновременно масса одной панели при принятой толщине стекла увеличилась со 162 до 216 кг, то есть на 33,3%. Следовательно, укрупнение элементов сокращает число монтажных операций, но требует проверки усилий в креплениях и организации безопасной замены панелей.

Число условных опорных узлов также зависит от типа каркаса: в фахверковой схеме оно не изменилось при увеличении ширины панелей из-за независимого шага несущих осей. Полученные показатели пригодны для предварительного сравнения конструктивных решений, но не определяют надёжность или срок службы фасада. Окончательный выбор возможен после расчёта ветровых нагрузок, деформаций, температурных воздействий и проверки эксплуатационной доступности узлов [8, 10, 11].