Аспекты применения навесных вентилируемых фасадов в высотном строительстве

Под высотными специалисты понимают здания, высота которых более 75 м (около 25 этажей). В последние годы украинское высотное строительство является самым актуальным вопросом. На сегодняшний день вопрос больше теоретический, нежели практического применения. Но, как известно: хорошая подготовка – половина успеха. Ряд высоток, сданных в эксплуатацию на территории Украины, просто нельзя сравнивать с количеством аналогичных построек северной соседки России, где переживается бум высотного строительства.

Реализация первых проектов высоток породила серьезные дискуссии специалистов (архитекторов, проектировщиков, подрядчиков), поскольку еще не так давно определенных строительных норм высотного строительства не существовало. Каждая высотка сложна и уникальна, и ее сложность возрастает пропорционально ее этажности. Воздействие природных факторов на небоскреб многократно выше, чем на здания средней этажности. Так, влияние ветровых нагрузок на высотные здания, например, в московском регионе, по некоторым оценкам, сравнимо с воздействием землетрясений силой 4–5 баллов. Нельзя забывать и об общей геологической ситуации (качество подстилающих грунтов, сейсмическая опасность региона, наличие карстовых разломов). Проектирование и сооружение высотных зданий – это решение комплекса градостроительных, природно-климатических, геологических, архитектурно планировочных, конструктивных задач. Плюс к этому – должны быть решены и инженерные вопросы (вентиляция, отопление, водоснабжение, канализация, электрика и системы их управления), проблемы комплексной безопасности проживания, регулярного мониторинга состояния конструкций.

При разработке проектов особенное внимание уделяется пожарной безопасности, ведь небоскребы в силу конструктивных особенностей весьма уязвимы для огня. Так что уже на стадии проектирования предусматривается комплекс мер по предотвращению возгораний, увеличению огнестойкости конструкций, эвакуации людей и т. п. По оценкам специалистов, стоимость мер пожарной безопасности может составлять до 10 % от суммарного бюджета проекта.

Учитывая уникальность и срок эксплуатации высотных зданий, составляющий не менее 125–150 лет, особое внимание уделяется долговечности и ремонтопригодности их наружной отделки. В соответствии с принятыми нормами, ограждающие конструкции высотных зданий должны сохранять свои характеристики в течение не менее 100 лет. Допускается использование в наружных ограждающих конструкциях материалов, имеющих меньший, чем 100 лет, срок службы, но не менее 30 лет при условии их легкой замены.

В фасадных системах материалы облицовки и крепежные элементы должны обеспечивать срок безремонтной эксплуатации не менее 50 лет. Причем основные характеристики железобетонных конструкций, а также теплоизоляционных материалов за время эксплуатации не должны уменьшатся более чем на 5 %.

Навесные вентилируемые системы являются одной из немногих фасадных технологий, позволяющих решать задачи повышения энергоэффективности высотных зданий и защиты их ограждающих конструкций от негативных внешних воздействий. Для утепления большинства жилых комплексов, возведенных за последние годы, использовались именно вентилируемые фасады. Основные преимущества навесных систем с воздушным зазором – отличные теплотехнические характеристики и доступность широкого спектра облицовочных материалов (мрамор, гранит, алюминиевые листы, композиты и др.).

Однако и ответственность здесь весьма велика. Некачественные материалы или неграмотный монтаж могут привести к тяжелым последствиям, вплоть до обрушения. Поэтому использование вентилируемых фасадов на высотных зданиях регулируется особенно жестко. Прежде всего, разрешено применение только сертифицированных навесных систем, компоненты которых проверены на совместимость.

Эффективность и долговечность навесной системы определяется качеством каждого из ее компонентов. Это элементы подконструкций, теплоизоляция и навесные панели.

Несущие элементы каркаса (подконструкции) должны выдерживать вес облицовочных панелей, противостоять ветровым нагрузкам и обладать высокой коррозионной устойчивостью. Для мегаполисов особенно важно учитывать агрессивное воздействие окружающей среды на крепежную конструкцию. Поэтому наиболее подходящими материалами для элементов навесных систем считаются сплавы алюминия, нержавеющая сталь или оцинкованная сталь с защитным покрытием. В особо сложных случаях используются сплавы титана.

Выбор анкерных соединений – тоже весьма ответственный момент. К ним предъявляются самые высокие требования по прочности, коррозионной стойкости, долговечности. Диаметр анкеров и глубина их заделки подбирается в зависимости от расчетных нагрузок на кронштейн и материала стены.

Для успешного функционирования всей системы важно также подобрать и оптимальную ширину воздушного зазора. При расчетах принимают во внимание высотность здания, тип облицовочного материала и ожидаемые ветровые нагрузки. Воздушная прослойка, должна быть шириной от 60 до 150 мм. Также необходимы горизонтальные рассечки воздушного потока по высоте, каждые 3 этажа и каждые 9 этажей – горизонтальные негорючие заглушки, разделяющие воздушную полость прослойки на отдельные камеры с воздухозаборными и воздухо-выводящими отверстиями.

Слишком узкий воздушный зазор приводит к негативным последствиям. Уменьшается скорость воздушного потока и растет риск закрытия зазора (например, из-за ошибки при монтаже теплоизоляционных плит). А прекращение движения воздуха в зазоре приводит к накоплению влаги в утеплителе и ускорению коррозии подконструкции.

Одним из важных вопросов в проектировании навесных вентилируемых фасадов является расчет теплоизоляционного слоя. При выборе необходимой толщины утеплителя учитываются не только свойства утеплителя (коэффициент теплопроводности) и локальные климатические особенности, но и высотность здания. Это объясняется тем, что среднегодовые температуры на высоте 200–300 м существенно отличаются от таковых на уровне земли.

Также должен учитываться поправочный коэффициент на теплотехническую неоднородность, обусловленную наличием в слое утеплителя теплопроводящих элементов – кронштейнов и дюбелей. Поскольку на теплопроводность конструкции влияют многие разнонаправленные факторы, этот коэффициент должен определяться на основании теплотехнического расчета для каждой конкретной системы.

При выборе теплоизоляционного материала для применения в конструкциях вентилируемых фасадов одним из основных требований является его негорючесть (принадлежность к классу НГ). Этому требованию соответствует весь спектр волокнистых материалов из каменной ваты, а также изделия из стекловаты плотностью менее 40 кг/куб. м (при большей плотности стекловата становится горючим материалом).

К материалу для теплоизоляционного слоя в навесной системе предъявляются и другие жесткие требования: он должен быть долговечным, формостабильным, обладать высокой паропроницаемостью и стойкостью к выветриванию. Проведенные исследования и опыт эксплуатации навесных фасадов позволяют заключить, что соблюдение последнего требования зависит от плотности материала. Чем больше плотность, тем лучше волокна скреплены друг с другом. При использовании плит из каменной ваты плотностью более 80 кг/куб. м опасность выдувания волокон потоком воздуха полностью исключается.

С целью снижения нагрузки на фасады в средневысотных зданиях нередко применяется двухслойное решение из плит разной плотности. По рекомендациям плотность внутреннего мягкого слоя должна быть не менее 30 кг/куб. м, а внешнего жесткого (толщиной не менее 50 мм) – от 80 кг/куб. м и больше. Двухслойные решения оказываются в среднем на 10 % дешевле однослойных, но ряд факторов существенно снижает возможности их использования в высотном строительстве. Двухслойные решения значительно усложняют монтаж системы. По сути, монтажные работы на одном и том же участке фасада проводятся дважды, то есть возрастают трудо и время затраты и увеличивается вероятность ошибки при монтаже.

При работах на больших высотах и в сложных метеоусловиях качественный монтаж двухслойных решений становится трудновыполнимым. Внутренний мягкий слой утеплителя подвергается серьезным ветровым нагрузкам и может быть поврежден. В силу этих причин нередко на одном здании в нижней части используют двухслойное решение, а на высоте более 60 – 70 м – однослойное.

В Украине при облицовке навесных вентилируемых фасадов в жилых зданиях, преимущественно используется моногамный алюминиевый лист толщиной 1,5 - 2 мм.

Основные достоинство которого это – пожаробезопасность, т.к. европейским стандартам моногамный алюминий имеет классификацию А1. То есть он не горит и не поддерживает горения.

Небольшой вес. Фасад из алюминия сопоставим по весу с фасадами из композитных материалов и легче керамического гранита и натурального камня, что снижает требования к элементам крепежа элементов системы и нагрузку на несущие конструкции здания. Высокая коррозионная устойчивость. Срок службы фасада из алюминиевого листа, защищенного порошковым покрытием, сопоставим со сроком эксплуатации основного здания, и составляет около 50 лет.

Широкий температурный диапазон работы от -500 С до +400 С.
Также, алюминиевые листы не подвержены воздействию перепадов температур и относительной влажности (облицовочные изделия из камня и керамики, несмотря на защиту специальными лаками, имеют поры, в которые попадает вода, и ее замерзание может привести к растрескиванию материала и выпадению плиток).