Стеклянный кирпич: архитектура
- Громадный национальный театр Первый концерт под стеклянным куполом Национального Громадного театра прошёл в декабре 2007 года. В базе сооружения лежит пространственный каркас из титаного сплава. Театр складывается из трех комнат неспециализированной вместимостью 5452 человека. Экономисты подсчитали, что каждое место в Национальном театре обошлось китайскому правительству в полмиллиона юаней
- Apple Store не сильный место любой стеклянной конструкции — точки соприкосновения с металлом. Тепловое расширение железных частей может привести к расколу стекла. Крепежные конструкции лестниц Apple защищены патентом
Центральный вокзал Прозрачный купол вокзала складывается из стеклянных панелей, ни одна из которых не повторяет по форме другую.
- Каркас сделан из 85 км металлического прута. Часть панелей на южной стороне крыши являются прозрачные солнечные батареи. Их неспециализированная мощность достигает 190 кВт
Rectangular stadium Скелет Bioframe, сконструированный из стали, применяет эффективность и естественную жёсткость купольной структуры. «Кожа» стадиона сделана из стекла, стали и жалюзи.
- Стеклянные панели при необходимости легко заменяются на солнечные батареи. На сегодня стадион не имеет официального заглавия. За право дать ему имя борются спонсоры
С незапамятных времен у стеклодувов накопились много рецептов изготовление стекла (отдельное благодарю средневековым алхимикам, тщетно искавшим философский камень). Современные химики добавили к ним еще тысячи. Не обращая внимания на это изобилие, в строительных работах до сих пор употребляется старое хорошее листовое силикатное стекло, сваренное из известняка, кальцинированной соды и кварца, — то самое, которое так опасается мелких сорванцов с футбольными мячами и рогатками.
Сам процесс производства стекла кроме этого мало изменился со времен британской индустриальной революции.
Стекло — одно из самых таинственных веществ в природе. «Люди удивляются, в то время, когда мы согласимся, что не можем обрисовать его природу», — говорит химик Дэвид Райхманн из Колумбийского университета. С позиций физики стекло — это не только материал, из которого делают пивные кружки, но любое жёсткое вещество с неупорядоченной молекулярной структурой. К примеру, керамика- это также стекло, как и общеизвестный поликарбонат, из которого делают автомобильную оптику.
Более того, кроме того кое-какие сплавы металлов, не имеющие выраженной кристаллической решетки, относятся к стеклам.
Самое логичное объяснение видоизменениям стекла дал английский физик Чарльз Франк 50 лет назад. Он высказал предположение, что на протяжении стремительного остывания исходного расплава атомы в нем как бы впадают в панику, стремясь как возможно стремительнее выстроиться в твёрдую пространственную фигуру. Франк кроме того вычислил тип данной фигуры — двадцатигранный верный икосаэдр.
Атомы толкаются, загораживают друг другу малейшую траекторию к заданной точке, сбиваются в «дорожную пробку» и в изнеможении замирают. Иногда кое-кому из них удается сдвинуться в нужном направлении, но в целом структура стекла остается нестабильной.
Появление нового замечательного инструментария в физической химии открыло нам еще одну тайную стекла. Оказалось, что оно складывается из множества территорий с разной степенью подвижности атомов. В одних участках материала атомы движутся туда-сюда, как в простой жидкости, а в других фактически неподвижны.
Наряду с этим снаружи эти территории выглядят одинаково — они в равной степени жёстки и прозрачны.
«У любой жидкости при замерзании имеется два варианта поведения — кристаллизация в образование и лёд стекла», — говорит доктор наук Сиднейского университета Питер Харроуэлл. Скорость охлаждения воды и других жидкостей не отражается на финальной кристаллической решетке льда, а механические особенности стекла напрямую зависят от этого фактора. Определенной температуры, при которой стекло делается жёстким, кроме этого не существует.
Один из столпов науки о стекле, доктор наук Волайнис из Беркли, считает, что гипотетическое совершенное стекло, в котором все атомы полностью неподвижны, по большому счету ставит под сомнение третий закон термодинамики: нулевая энтропия (остановка перемещения атомов) в нем достигается значительно выше точки безотносительного нуля.
Как закалялось стекло
Привычное силикатное стекло меньше всего похоже на стройматериал. Оно через чур хрупкое. Первичный лист, лишь покинувший леер (особую печь с переменным терморежимом, в которой стекло неспешно охлаждается) и раскройную машину, очень прочен. Его тяжело разбить кроме того молотком. Но стекло весьма скоро стареет.
Для этого кроме того не нужно механического действия, достаточно контакта с атмосферными углекислым газом и водяными парами. На открытом воздухе стекло скоро получает тысячи микродефектов на любой квадратный сантиметр поверхности. Неизбежные механические повреждения при транспортировке додают неприятностей.
Применение защитных полимерных покрытий снижает риск образования недостатков, но отрицательно воздействует на прозрачность стекла. Существуют кроме этого разные химические добавки, каковые существенно упрочняют готовый материал, но все они очень дороги. Значительно действеннее в этом отношении модификация процесса охлаждения расплава и использование особой оснастки.
К примеру, заготовки для жидкокристаллических дисплеев приобретают в особенном V-образном леере, в котором отвердевающее стекло не соприкасается с железными элементами, перемещаясь на воздушной подушке.
Для упрочнения отожженного строительного стекла используют кроме этого в далеком прошлом узнаваемый в силикатном производстве и металлургии способ закалки с последующим стремительным отпуском. Неравномерное охлаждение внешних и внутреннего слоев стекла ведет к образованию тысяч линий напряжения, пронизывающих изделие полностью, как невидимая арматура.
Образование микротрещин на закаленном стекле при действии газов и пара происходит намного медленнее, а сами изделия сохраняют прозрачность на порядок продолжительнее простых. Прочность наряду с этим возрастает в два раза. По таковой методике производятся привычные нам автомобильные стекла.
А вот остекление для авиационной техники делают по разработке химической закалки. Нужного равномерного напряжения в этом случае получают созданием на поверхности стекла ионообменного слоя, в котором ионы Na заменяются иономами K. Последние на 30% больше по размерам, исходя из этого они создают в стекла «тесноту», уплотняя его в буквальном смысле слова.
Арматурная сетка химически закаленных изделий значительно мельче, чем у термически закаленных аналогов, а прочность выше в два раза. С этим связана узнаваемая изюминка изделий для того чтобы типа — при повреждении они разлетаются в небольшую крошку а также в пыль. С позиций безопасности это хорошо — травмоопасность мелких обломков значительно ниже, чем громадных кусков стекла с острыми, как бритва, краями.
Прозрачная бомба
И все же классические разработки упрочнения не могут дать строителям материал, пригодный для изготовления силовых элементов строений. По словам Джеймса Карпентера, строительное стекло для инженеров-строителей — бомба замедленного действия. В отличие от дерева либо металла, оно не деформируется и не теряет прозрачности, давая предупреждение об возможном разрушении и усталости.
Оно просто неожиданно лопается.
Исходя из этого разработка несущих элементов из стекла — верховный пилотаж для архитекторов. За такую работу берутся немногие. Кроме того не обращая внимания на то что в последнее десятилетие на рынке показались совсем новые продукты с высочайшими механическими особенностями — полимерные плёнки и ламинированные стеклопакеты, намертво склеивающие отдельные страницы в прочнейший, не рассыпающийся при критической деформации монолит.
Процесс ламинирования несложен лишь на первый взгляд. В случае если покинуть в стороне только высокие требования к прозрачности и клеящей способности пленок из поливинилбутирата, то и с самим стеклом у производителя появляется масса неприятностей. Закаленное стекло нельзя обрабатывать, и исходя из этого любой лист из многослойного пакета должен быть отполирован, раскроен и просверлен под крепеж еще до закалки.
Точность исполнения отверстий в этом случае требуется совершенная — допустимое отклонение измеряется долями миллиметра.
Крепеж — это отдельная история. Крепежные совокупности для стеклянных конструкций делаются в большинстве случаев из титанового сплава и нержавеющей стали, имеющих подходящий коэффициент термической деформации. Микронные зазоры в соединении заполняются силиконовым герметиком.
Но однако любой контакт металла и стекла содержит потенциальную опасность появления трещин.
Признанный гуру стеклянной архитектуры Джеймс О Каллагэн говорит, что основная неприятность конструкций из стекла — наличие железных связей между отдельными элементами. В случае если их минимизировать либо вовсе исключить, то проектирование эффектных прозрачных фасадов, стен и крыш станет рутинной работой кроме того для начинающих дизайнеров.
И подобные ответы уже имеются. К примеру, доктор наук Роб Нийссе из Технологического университета Дельфт и инженеры компании ABT Belgium при возведении прозрачных стен концертного зала в Порто и нового музея, выстроенного в Антверпене, применяли огромные страницы рифленого ламинированного стекла. Стенки наряду с этим удалось сделать цельнокроеными, а железный крепеж сократить опорной рамой.
Имеется и второй метод отказаться от металла: в случае если материал при охлаждении и нагреве расширяется незначительно, то его возможно сваривать либо паять. В итоге конструкция будет воображать собой один цельный кусок стекла сложной формы. К сожалению, закаленное силикатное стекло не годится для сварки, а имеющиеся на сегодня пара видов стекла с мизерным коэффициентом теплового расширения очень дороги.
Люцио Бландини из штуттгартской компании Werner Sobek Engineering and Design уверен в том, что вместо металлического крепежа и сварки в полной мере сгодится клей. Для подтверждения собственной концепции ему было нужно склеить многогранный стеклянный купол диаметром 8,5 м, выдерживающий большие нагрузки в много килограммов на квадратный сантиметр. Как вычисляет Бландини, склеивание разрешает всецело сохранить неповторимые эстетические особенности материала.
Werner Sobek Engineering and Design уже применяла разработку Бландини при постройке элементов нескольких строений в Арабских Эмиратах и Северной Америке.
Левитация облака
Десять лет назад сотрудники компании Bohlin Cywinski Jackson, занимающиеся дизайном фирменных магазинов Apple, познакомили его с Джеймсом О Каллагэном. Архитектор дал обещание Джобсу, что тот сможет при жажде реализовывать билеты на посещение собственных торговых точек, в случае если перевоплотит их в аттракционы из света и стекла. Уже в 2002 году Джобс и О Каллагэн взяли патент на дизайн и конструкцию лестничных маршей из ламинированных стеклянных панелей и особенные крепежные элементы для них.
Парящие в воздухе прозрачные стенки, перекрытия и лестницы верхних этажей стали изюминкой фирменных магазинов Apple в мире. Первенцем был нью-йоркский магазинчик SoHo. В нем О Каллагэн установил две лестницы из ламинированного стекла длиной более десяти метров любая.
Полированные и протравленные «в елочку» двухметровые ступени нормально держали нагрузку в 4,5 кН на 1 м? благодаря промежуточным слоям из сверхпрозрачного ионопласта Dupont SentryGlas® Plus, что в пять раз прочнее и в сто раз тверже классической пленки из поливинилбутирата. Толщина каждой из 27 ступеней в SoHo образовывает 55 мм. Все они крепятся титановыми зажимами к боковой несущей стенке толщиной 49 мм. Кстати, цельные боковые стенки удалось занести вовнутрь помещения лишь при помощи вертолета.
Для этого было нужно разбирать часть крыши строения.
«Остекление» SoHo стало для Джобса и О Каллагэна пробой пера. За ним показалась целая серия куда более сложных проектов со спиральными маршами, огромными гнутыми несущими стенками и практически висящей в воздухе лестницей в лос-анджелесском магазине The Grove.
Японские магазины Shinsaibashi и Shibuya уже через 14 дней по окончании открытия на пятерку сдали экзамен матушке-природе, без единой трещины пережив шестибалльное землетрясение, а прозрачный двухэтажный куб Apple на Пятой авеню и вовсе возможно назвать мелким чудесным образом света. Сверкающая на солнце стекляшка с надкусанным яблоком на фасаде стала одной из основных достопримечательностей Даунтауна. Какие-то интересные чудаки удостоверились в надежности прочность ее стен, несколько раз засадив в них из дробовика.
Нужно ли сказать, что кубик не рассыпался.
Грань между смертью и жизнью
Открытые в 2009 году, они являются частью развлекательного комплекса Skydeck, расположенного на крыше самого большого строения Северного полушария.
Карниз представляет собой совсем прозрачную коробку с полом, стенами и потолком из закаленного ламинированного стекла толщиной всего 3,81 мм. Столь узкая грань между смертью и жизнью поразительно прочна — стекло выдерживает давление практически в 6 кН на 1 м?.
Компьютерная симуляция продемонстрировала, что пол карниза не треснет, даже в том случае, если вес его визитёров превысит 5 т. Коробка закреплена фактически незаметными болтами на двух консольных балках из нержавеющей стали. Она выступает из стенки небоскреба на 1,37 м.
Механизм с противовесами искусно запрятан в стенке, исходя из этого у туристов складывается полное чувство, что прозрачная конструкция парит над улицей. На случай запотевания карниза инженеры установили в слое ламината прозрачный нагревательный элемент, подобный тем, что мы видим в автомобильных стеклах. Внешний уход за стеклянной коробкой осуществляется роботом-мойщиком.
«Карниз помогает еще одним подтверждением того, что стекло — полноценный стройматериал, а не несложный декор, — говорит разработчик проекта Джон Коойманс из компании Halcrow Yolles. — Он демонстрирует возможности стекла, каковые архитектура лишь начинает применять на практике. На протяжении работы нас вдохновлял пример потрясающего Grand Canyon Skywalk, но, не обращая внимания на намного меньшие масштабы карниза, с позиций инженерного мастерства мы превзошли собственного предшественника».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№94, август 2010).
<
h4>