На зорі цивілізації основними матеріалами в архітектурі були глина, камінь і дерево. Пройшли тисячі років, міста почали стрімко рости в висоту, і настала епоха бетону і сталі. Їх незмінним супутником стало скло, оживляє нудні багатоповерхові коробки сонячним світлом. Сьогодні деякі сміливці з табору архітекторів вищої ліги пропонують замінити бетон і сталь несучими скляними конструкціями.
Володимир Санніков
З незапам’ятних часів у склодувів накопичилися сотні рецептів приготування скла (окреме спасибі середньовічним алхімікам, марно шукав філософський камінь). Сучасні хіміки додали до них ще тисячі. Незважаючи на це достаток, у будівництві досі використовується старе добре листове силікатне скло, зварене з вапняку, кварцу і кальцинованої соди, — те саме, яке так боїться маленьких шибеників з рогатками та футбольними м’ячами. Сам процес виробництва скла також мало змінився з часів англійської індустріальної революції.
Пекін. Великий національний театр Перший концерт під скляним куполом Великого Національного театру відбувся в грудні 2007 року. В основі споруди лежить просторовий каркас з титану. Театр складається з трьох залів загальною місткістю 5452 людини. Економісти підрахували, що кожне місце в Національному театрі обійшлося китайському уряду півмільйона юанів.
Скло — одне з найзагадковіших речовин у природі. «Люди дивуються, коли ми зізнаємося, що не можемо описати його природу», — говорить хімік Девід Райхманн з Колумбійського університету. З точки зору фізики скло — це не тільки матеріал, з якого роблять пивні кухлі, але будь-яка тверда речовина з неупорядкованою молекулярною структурою. Наприклад, кераміка – це теж скло, як і всім відомий полікарбонат, з якого роблять автомобільну оптику. Більш того, навіть деякі сплави металів, що не мають вираженої кристалічної решітки, відносяться до шибок.
Логічне пояснення метаморфоз скла дав британський фізик Чарльз Франк 50 років тому. Він припустив, що під час швидкого охолодження вихідного розплаву атоми в ньому як би впадають в паніку, прагнучи якомога швидше вишикуватися в жорстку просторову фігуру. Франк навіть обчислив тип фігури — двадцятигранні правильний ікосаедр. Атоми штовхаються, загороджують один одному найкоротшу траєкторію до заданої точки, збиваються в «дорожню пробку» і в знемозі завмирають. Час від часу декому з них вдається зрушити в потрібному напрямку, але в цілому структура скла залишається нестабільною.
Поява нового потужного інструментарію фізичної хімії відкрило нам ще одну загадку скла. Виявилося, що воно складається з безлічі зон з різним ступенем рухливості атомів. В одних ділянках матеріалу атоми рухаються туди-сюди, як у звичайної рідини, а в інших практично нерухомі. При цьому зовні ці зони виглядають однаково — вони в рівній мірі тверді, прозорі.
Левітація яблука
Одним з піонерів скляної архітектури став не хто інший, як засновник Apple Стівен Джобс. Десять років тому хлопці з компанії Bohlin Cywinski Jackson, які займаються дизайном фірмових магазинів Apple, познайомили його з Джеймсом О Каллагэном. Архітектор пообіцяв Джобсу, що той зможе, при бажанні, продавати квитки на відвідування своїх торгових точок, якщо прийме ризиковане пропозицію і перетворить їх у атракціони з скла і світла. Вже в 2002 році Джобс і О Каллагэн отримали патент на конструкцію і дизайн сходових маршів з ламінованих скляних панелей і особливі кріпильні елементи для них.
Ширяють у повітрі прозорі стіни, сходи та перекриття верхніх поверхів стали особливістю фірмових магазинів Apple по всьому світу — від Нью Йорка до Шанхаю. Первістком у цьому списку став нью-йоркський магазин SoHo. В ньому О Каллагэн встановив дві драбини з ламінованого скла довжиною понад 10 метрів кожна.
Поліровані і протруєне «у ялинку», двометрові ступені спокійно тримали навантаження 4.5 кН на кв. метр завдяки проміжним шарам надпрозорого ионопласта Dupont SentryGlas Plus, який в п’ять разів міцніше і в сто разів жорсткіше традиційної плівки з поливинилбутирата. Товщина кожної з 27 сходинок в SoHo становить 55 мм. Всі вони кріпляться титановими затискачами до бічної несучої стіни висотою товщиною 49 мм. до Речі, цільні бічні стіни вдалося занести всередину приміщення тільки за допомогою вертольота. Для цього довелося розбирати частина даху будівлі.
«Скління» SoHo стало для Джобса і О Каллагэна пробою пера. Слідом за ним з’явилася ціла серія куди більш складних проектів зі спіральними маршами, величезними гнутими несучими стінами і буквально висить у повітрі сходами в лос-анджелеському магазині The Grove. Японські магазини Shinsaibashi і Shibuya вже через два тижні після відкриття на п’ятірку склали іспит матінці-природі, без жодної тріщини переживши 6-бальний землетрус, а прозорий двоповерховий куб Apple на П’ятій Авеню і зовсім можна назвати маленьким чудом світу. Виблискує на сонці скляшка з надкусанным яблуком на фасаді стала однією з головних визначних пам’яток Даунтауна. Якісь цікаві диваки перевірили міцність її стін, пару раз засадивши в них з дробовика. Чи треба говорити, що кубик не розсипався.
«У будь-якої рідини при замерзанні є два варіанти поведінки — кристалізація в лід і освіта скла», — говорить професор Сіднейського університету Пітер Харроуэлл. Швидкість охолодження води та інших рідин не позначається на фінальній кристалічній решітці льоду, а механічні властивості скла безпосередньо залежать від цього фактору. Певної температури, при якій скло стає твердим, також не існує. Один із стовпів науки про скло, професор Волайнис з Берклі, вважає, що гіпотетичне ідеальне скло, в якому всі атоми абсолютно нерухомі, взагалі ставить під сумнів третій закон термодинаміки: нульова ентропія (зупинка руху атомів) в ньому досягається набагато вище точки абсолютного нуля.
Цікаве в мережі
Як гартувалося скло
Звичне силікатне скло найменше схоже на будівельний матеріал. Воно дуже крихке. Первинний лист, тільки покинув леєр (спеціальну піч з перемінним терморежимом, в якій скло поступово охолоджується) і раскройную машину, надзвичайно міцний. Його важко розбити навіть молотком. Але скло дуже швидко старіє. Для цього навіть не потрібно механічного впливу, достатньо контакту з атмосферними водяними парами і вуглекислим газом. На відкритому повітрі скло швидко набуває тисячі мікродефектів на кожний квадратний сантиметр поверхні. Неминучі механічні пошкодження при транспортуванні додають проблем.
Слабке місце будь скляної конструкції — точки дотику з металом. Теплове розширення металевих частин може призвести до розколу скла. Тому кріпильні конструкції сходів Apple захищені патентом.
Використання захисних полімерних покриттів знижує ризик утворення дефектів, але негативно впливає на прозорість скла. Існують також різні хімічні добавки, які значно зміцнюють готовий матеріал, але всі вони надзвичайно дороги. Набагато ефективніше в цьому відношенні модифікація процесу охолодження розплаву і застосування спеціальної оснастки. Наприклад, заготовки для рідкокристалічних дисплеїв отримують в особливому V-образному леере, в якому отвердевающее скло не стикається з металевими елементами, переміщаючись на повітряній подушці.
Для зміцнення відпаленого будівельного скла застосовують також давно відомий в металургії і силікатному виробництві метод загартування з наступним швидким відпусткою. Нерівномірне охолодження зовнішніх і внутрішнього шарів скла призводить до утворення тисяч ліній напруги, що пронизують виріб наскрізь, як невидима арматура. Утворення мікротріщин на загартованому склі при дії газів і пари відбувається набагато повільніше, а самі вироби зберігають прозорість на порядок довше звичайних. Міцність при цьому зростає вдвічі. За такою методикою виробляються знайомі нам автомобільні скла.
Грань між життям і смертю
Надійність конструкцій зі скла найбільш наочно демонструють прозорі оглядові майданчики на 103 поверсі чиказького хмарочоса Sears Tower, зависають над Саут Уокер Драйв на позначці 412 метрів. Відкриті в 2009 році, вони є частиною розважального комплексу Skydeck, розташованого на даху найвищої будівлі Північного півкулі. Карниз являє собою абсолютно прозору коробку з підлогою, стелею і стінами із загартованого ламінованого скла товщиною всього 3,81 мм. Настільки тонка грань між життям і смертю неймовірно міцна — скло витримує тиск майже у 6 кН кв. м. Комп’ютерна модель показала, що підлогу Карниза не трісне, навіть якщо вага його відвідувачів перевищить п’ять тонн. Коробка закріплена практично непомітними болтами на двох консольних балках з нержавіючої сталі. Вона виступає зі стіни хмарочоса на 1.37 метра. Механізм з противагами майстерно прихований в стіні, тому у туристів складається повне враження, що прозора конструкція ширяє над вулицею. На випадок запотівання Карниза, в шарі ламінату інженери встановили прозорий нагрівальний елемент, подібний тим, що ми бачимо в автомобільних стеклах. Зовнішній догляд за скляною коробкою здійснюється роботом-мийником.
«Карниз є ще одним підтвердженням того, що скло — повноцінний будівельний матеріал, а не простий декор», говорить розробник проекту Джон Коойманс з компанії Halcrow Yolles. «Він демонструє можливості скла, які архітектура тільки починає використовувати на практиці. Під час роботи нас надихав приклад приголомшливого Grand Canyon Skywalk, але незважаючи на значно менші масштаби Карниза, з точки зору інженерного мистецтва ми перевершили свого попередника».
А ось скління для авіаційної техніки роблять з хімічної технології гарту. Необхідного рівномірного напруги в цьому випадку досягають створенням на поверхні скла іонообмінного шару, в якому іони натрію замінюються іонами калію. Останні на 30% більше за розмірами, тому вони створюють всередині скла «тісноту», ущільнюючи його в буквальному сенсі слова. Арматурна сітка хімічно загартованих виробів набагато дрібніше, ніж у термічно загартованого аналогів, а міцність вище вдвічі. З цим пов’язана відома особливість виробів такого типу — при пошкодженні вони розлітаються в дрібну крихту і навіть в пил. З точки зору безпеки це непогано — травмоопасность маленьких уламків набагато нижче, ніж великих шматків скла з гострими, як бритва, краями.
Прозора бомба
І все ж традиційні технології зміцнення не здатні дати будівельникам матеріал, придатний для виготовлення силових елементів будівель. За словами Джеймса Карпентера, будівельне скло для інженерів-будівельників — бомба уповільненої дії. На відміну від дерева або металу, воно не деформується і не втрачає прозорості, попереджаючи про втому і можливе руйнування. Воно просто раптово уривається.
Берлін: Центральний вокзал. Прозорий купол вокзалу складається з скляних панелей, жодна з яких не повторює за формою іншу. Каркас зроблений з 85 км сталевого прута. Частина панелей на південній стороні даху являють собою прозорі сонячні батареї. Їх загальна потужність досягає 190 кВт.
Тому розробка несучих елементів зі скла — вищий пілотаж для архітекторів. За таку роботу беруться небагато. Навіть незважаючи на те, що в останнє десятиліття на ринку з’явилися зовсім нові продукти з високими механічними властивостями — ламіновані склопакети і полімерні плівки, намертво склеюючі окремі аркуші в надміцний, не рассыпающийся при критичної деформації моноліт.
Процес ламінування простий тільки на перший погляд. Якщо залишити в стороні виключно високі вимоги до прозорості і клеїть здатності плівок з поливинилбутирата, то і з самим склом у виробника виникає маса проблем. Загартоване скло не можна обробляти, і тому кожен лист з багатошарового пакету повинен бути відполіровані, раскроен і просверлена під кріплення ще до загартування. Точність виконання отворів в даному випадку потрібна ідеальна — допустиме відхилення вимірюється частками міліметра.
Кріплення — це окрема історія. Кріпильні системи для скляних конструкцій робляться зазвичай з нержавіючої сталі і титанового сплаву, мають відповідний коефіцієнт термічної деформації. Мікронні зазори в з’єднанні заповнюються силіконовим герметиком. Але тим не менше будь-який контакт скла і металу таїть у собі потенційну небезпеку появи тріщин.
Мельбурн: Rectangular stadium. Скелет Bioframe, сконструйована із сталі, використовує природну жорсткість і ефективність купольної структури. «Шкіра» стадіону зроблена зі скла, сталі і жалюзі. Скляні панелі при необхідності легко замінюються на сонячні батареї.
На сьогоднішній день стадіон не має офіційної назви. За право дати йому ім’я борються спонсори.
Визнаний гуру скляної архітектури Джеймс О Каллагэн стверджує, що головна проблема конструкцій зі скла — наявність металевих зв’язків між окремими елементами. Якщо їх мінімізувати або зовсім виключити, то проектування ефектних прозорих фасадів, стін і дахів стане рутинною роботою навіть для початківців дизайнерів.
І подібні рішення вже є. Наприклад, професор Роб Нийссе з Технологічного університету Дельфт і інженери компанії ABT Belgium при зведенні прозорих стін концертного залу в Порто і нового музею, побудованого в Антверпені, використовували гігантські листи рифленого ламінованого скла. Стіни при цьому вдалося зробити суцільнокроєними, а металеве кріплення обмежити опорною рамою.
Цікаве в мережі
Є й інший спосіб відмовитися від металу: якщо матеріал при нагріванні і охолодженні розширюється незначно, то його можна зварювати або паяти. В результаті конструкція буде являти собою один цільний шматок скла складної форми. На жаль, загартоване силікатне скло не годиться для зварювання, а наявні на сьогоднішній день кілька видів скла з мізерним коефіцієнтом теплового розширення надзвичайно дороги.
Люцио Бландини з штуттгартской компанії Werner Sobek Engineering and Design вважає, що замість зварювання і металевого кріплення цілком згодиться клей. Для підтвердження своєї концепції йому довелося склеїти багатогранний скляний купол діаметром 8,5 м, витримує величезні навантаження в сотні кілограмів на квадратний сантиметр. Як вважає Бландини, склеювання дозволяє повністю зберегти унікальні естетичні властивості матеріалу. Werner Sobek Engineering and Design вже використовувала технологію Бландини при будівництві елементів декількох будівель в Північній Америці і Арабських Еміратах.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№8, Серпень 2010).
Thanks!
Our editors are notified.