Внешние ограждающие конструкции высотных зданий

Строительство высотных зданий - неотъемлемая ступень развития современного города. Индустрия высотного строительства стремительно растет в наши дни ввиду нехватки места под застройку, а также из эстетических соображений. Высотные здания придают современному городу монументальность и грандиозность. Хотя важнейшей составляющей здания являются несущие конструкции, принимающие на себя основные нагрузки, внешний облик и объем здания задают ограждающие конструкции [1-4].

Внешние ограждающие конструкции защищают здание от атмосферных воздействий, их также называют наружными стенами или фасадами. Высотные здания имеют отличные от других фасады, и к ним предъявляются дополнительные требования, которые особенно важно учитывать при строительстве в условиях климата нашей страны. Высотное строительство в России, и, в частности, в Санкт-Петербурге, начало развиваться сравнительно недавно, поэтому в настоящее время проблема выбора фасадов весьма актуальна. Возводимые наружные стены должны отвечать требованиям по обеспечению прочности, устойчивости, деформативности, трещиностойкости, огнестойкости и достаточной освещенности помещений [5-7].

Предметом изучения данной статьи являются внешние ограждающие конструкции высотных зданий, их классификация. В статье проводится сравнительный анализ конструкций, целью которого является определение оптимального варианта для климата Санкт-Петербурга.

Классификация ограждающих конструкций

В современном строительстве наружные стены принято разделять на поэтажно самонесущие и навесные (рисунок 1). Вертикальная нагрузка собственного веса навесных стен, а также принимаемая ими ветровая нагрузка передается на несущие элементы здания, тогда как поэтажно самонесущие стены, опираясь на перекрытия, воспринимают эти нагрузки в пределах этажа [8, 9].

Ограждающие конструкции

Навесные Поэтажно самонесущие

Легкие панели

Железобетонные панели

Светопрозрачные фасадные конструкции

Рисунок 1: Виды ограждающих конструкций

Поэтажно самонесущие стены представляют собой двух- или трехслойные конструкции. В первом случае стена состоит из внутреннего несущего слоя из ячеистых или полистиролбетонных блоков высокой прочности и наружного отделочного слоя. В случае трехслойной конструкции блоки внутреннего слоя могут быть заменены на кирпичную кладку, третий слой – утеплитель, выполняется из пенополистирола или жесткой минеральной ваты [10, 11]. Внешний и внутренний слои крепятся между собой соединительными гибкими связями в виде стержней из коррозионностойкой стали [12-14].

Навесные стены получили применение в виде легких или железобетонных панелей, а также светопрозрачных фасадных конструкций. Легкие панели трехслойны, внутренний и наружный слои выполняются из алюминиевых, стеклопластиковых и других листовых материалов, увеличивающих прочность конструкции [15-19], средний слой – эффективный утеплитель. В железобетонных панелях внутренний и внешний слои выполнены из железобетона, средний слой обычно из пенополистирола. Светопрозрачные фасадные конструкции представляют собой легкие фасадные панели из металлических профилей (рисунок 2). Панели заполняют двойные или тройные герметичные стеклопакеты [20, 21].

Рисунок 2. Здание с наружными ограждениями из светопрозрачных фасадных конструкций [40]

Характеристики конструкций

Каждый вид наружных стен имеет свои преимущества и недостатки. Выбор тех или иных ограждающих конструкций зависит от предполагаемого места строительства. Выбор конструкций проводится с учетом ветровых нагрузок, количества осадков и уровня влажности в месте строительства, качества и прочности грунта, и других факторов. Путем сравнения типов наружных стен, подбирается оптимальный для выбранного района тип ограждающих конструкций [22, 23].

Как известно, климат Санкт-Петербурга отличается высокой влажностью воздуха, частыми перепадами температур и сильными прибрежными ветрами Финского залива. Ввиду наличия проточных рек, почва выбранного района влажная. Выявляя характерные свойства тех или иных наружных стен, определим оптимальный для описанного климата вариант.

Поэтажно самонесущие стены являются надежной конструкцией за счет внутреннего несущего слоя, выполненного из прочных материалов. Такая конструкция позволяет зданию с легкостью выдерживать нагрузки от собственного веса и резких прибрежных ветров [24], следовательно, отвечает требованиям по прочности и устойчивости. Более того, поэтажно самонесущие стены позволяют максимально снизить теплообмен между внешней средой и помещениями здания, тем самым сократив потери тепловой энергии [25-28]. Также, прочный внешний слой такого фасада дает высокий показатель огнестойкости. Однако, эти конструкции имеют значительный вес, который дает большие нагрузки на несущие элементы, что отрицательно сказывается на высотных зданиях выше 45-ти этажей. Большие нагрузки, совместно с частыми перепадами температур в Санкт-Петербурге, приводят к снижению трещиностойкости материалов внешнего слоя стены [29-31]. Также, данные конструкции трудоемки относительно возведения, монтажные работы выполняются с фасадной стороны здания с подвесных конструкций, что опасно, учитывая частые сильные ветра в районе Санкт-Петербурга (Рисунок 3).

Легкие панели, выполненные из листовых материалов, имеют максимально сниженный вес, что позволяет увеличить высотность проектируемого здания, снизить расход материалов и стоимость конструкции. Такие конструкции имеют небольшую толщину, что экономит квадратные метры площади помещений [32]. Панели могут полностью изготавливаться заводским способом, при возведении готовые плиты крепятся к внутреннему несущему каркасу и к торцам плит перекрытия. Поскольку внешний и внутренний слои этих конструкций выполняются из листовых материалов, они дают высокий показатель трещиностойкости. Отрицательным качеством легких навесных панелей является их высокая потеря тепла через большие оконные проемы, при их использовании необходимо усиливать систему отопления помещений. Также эти панели не дают достаточной вентиляции утеплителя, что приводит к его гниению и снижает долговечность конструкции [33, 34].

Конструкции из железобетонных панелей надежны и долговечны. Они обеспечивают низкую теплопроводность, так как состоят из двух железобетонных слоев и утеплителя, являются прочными и устойчивыми конструкциями. Так же, как и легкие панели, их изготавливают в заводских условиях. Однако, они имеют большой вес (в 12-15 раз тяжелее легких навесных панелей), что, как и в случае с поэтажно самонесущими конструкциями, является отрицательным качеством при высотном строительстве.

Светопрозрачные фасадные конструкции по свойствам схожи с легкими навесными панелями. Имея небольшие вес и толщину, они дают значительные потери тепла в среду, несмотря на двойное или тройное остекление из герметичных стеклопакетов и воздушный зазор между ними [35, 36]. Используя данные конструкции, выгодно проектировать ограждения без оконного открытия, что позволит создать дополнительную герметизацию оконных проемов и поддержать необходимый влажностный режим стены и помещений [37-39]. Также светопрозрачные фасады дают наибольшую освещенность помещений, по сравнению с остальными видами ограждающих конструкций.

Рисунок 3: Выполнение работ с подвесной фасадной конструкции [40].

Выбор ограждающих конструкций

Таким образом, поэтажно самонесущие стены и конструкции из ЖБ панелей обеспечивают высокую теплоизоляцию и долговечность здания, но не практичны при строительстве сооружений, выше 45-ти этажей. Легкие панели и светопрозрачные фасадные конструкции идеально подходят для высотного строительства, ввиду их небольшого веса, однако существует проблема значительной теплопроводности возводимых конструкций.

Заключение

Исходя из проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

Выбор внешних ограждающих конструкций при строительстве высотных зданий зависит от планируемой этажности проектируемого здания.

При строительстве в городе Санкт-Петербурге зданий, имеющих не более 45-ти этажей, рационально выбрать конструкции из ЖБ панелей. Имея схожие показатели прочности с самонесущими стенами, они имеют преимущества при возведении – крепление готовых панелей к каркасу здания значительно быстрее возведения стены из блоков или кирпича.

При проектировании зданий большей этажности стоит сделать выбор в пользу светопрозрачных фасадных конструкций без оконного открытия. Роль слоя утеплителя в них выполняют теплоизоляционные стеклопакеты, которые, кроме увеличения долговечности конструкции, повышают ее герметизацию.