ИНЖЕНЕРНАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ: ЦЕЛЬНОСТЕКЛЯННЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПО НАУКЕ. Ч.1

Современных архитекторов и проектировщиков живо интересуют вопросы применения конструкционного стекла при формировании цельностеклянных архитектурных объектов. Здесь необходимо сделать уточнение. Цельностеклянные здания или сооружения, которые мы далее будем рассматривать, отличаются от цельностеклянных (планарных) фасадов или перегородок. Фасад и перегородка должны иметь специальную фурнитуру и крепеж, практически невидимый на поверхности стекла. Здание же и сооружение в этом смысле могут иметь даже рамные конструкции, но основные части (стены, кровля) должны максимально состоять из стекла.

Стекло, как прозрачный материал, является источником вдохновения для новых архитектурных решений. С развитием технологий и увеличением знаний о механических и прочностных свойствах стекла стало возможным использования этого материала в строительных целях более широко. Конструктивные элементы и ограждающие конструкции зданий вполне способны создавать очень интересную однородную материальную структуру цельностеклянных объектов. Это наблюдение подвигло многих специалистов производить исследования видов конструкций и конструктивных элементов из стекла. Исследования эти были в основном направлены на изучение архитектурных и конструктивных условий, связанных с формированием цельностеклянных зданий и сооружений. В этом цикле статей мы попробуем определить критерии и типологию цельностеклянных объектов с точки зрения применяемых дизайнерских решений. Критерии, на которые мы обратим внимание, базируются на функционально-пространственных аспектах, форме и структуре конструкций зданий и сооружений. Мы рассмотрим три группы цельностеклянных построек: павильоны, пристройки и переходы (мосты), - с точки зрения функциональных и формально-пространственных аспектов. Эта корреляция подтверждает тесную взаимосвязь в архитектуре между искусством и инженерией, что, безусловно, очень интересно для архитекторов и дизайнеров.

Немного о природе и применении стекла в мировой архитектуре

Стекло - важный материал в современной архитектуре. Прозрачность - его главное преимущество, поскольку материал пропускает внутрь дневной свет. Богатая история стекла восходит к 5000 году до нашей эры, но в архитектуре этот материал начал применяться только после его использования в цветных витражах готических церквей и соборов. Стекло пропускало свет в интерьер и было тесно связано с эстетическим восприятием, поскольку цвет рассматривался как источник красоты.

Со времен средневековья прошло несколько столетий, прежде чем началось широкое использование стекла в строительстве. Значительные изменения произошли во время промышленной революции 19 века, когда впервые были внедрены новые технологии производства стеклянных панелей. Возведение Хрустального дворца в Лондоне в 1851 году можно рассматривать как поворотный момент в развитии архитектуры. Здание, возведенное для Всемирной выставки, было изготовлено из стекла, которое использовалось в беспрецедентных масштабах. Хрустальный дворец с прозрачными стенами и крышей был размещен среди кирпичных зданий викторианского Лондона. Прозрачность позволила дематериализовать границу между внутренним и внешним пространством. В первые десятилетия XX века началась эра стекла в строительстве, и были начаты проекты, которые повлияли на развитие современной архитектуры. К числу значимых зданий того времени относится стеклянный павильон, спроектированный Бруно Таутом для выставки Werkbund в Кельне в 1914 году. В этом здании воплощено видение мира, наполненного зданиями из цветного стекла, со стеклянными потолками и лестницами. Бруно Таут был вдохновлен литературными произведениями Пауля Шеербарта и его словами: “Стекло предвещает новую эру. Культура кирпича приносит только печаль”.

Вопросы ребром

Стекло ассоциируется с современностью. Развитие технологий производства стекла оказывает значительное влияние на этот аспект. Однако его прозрачность имеет важное значение, поскольку именно прозрачная невесомость служит источником вдохновения для различных архитектурных работ. Таким образом, искусство и инженерия сливаются воедино, что создает постоянную проблему для художников, участвующих в формировании современной архитектурной среды. Это особенно заметно в настоящее время, поскольку стекло больше не служит только в качестве ограждающего материала, но все чаще используется как полноценный строительный материал. То есть в результате интенсивного развития технологии производства стекла появилась концепция инженерной прозрачности. Значение этого термина справедливо определено Питером Райсом, который описал “роль инженера, работающего со стеклом, как человека, который превратил простое архитектурное утверждение в эссе о природе прозрачности и о том, как использовать физические свойства стекла, чтобы полностью передать концепцию прозрачности”. Словом, внедрение концепции инженерной прозрачности подтверждает взаимопроникновение искусства и инженерной мысли. Отражение этого подхода в дизайне можно найти при проектировании полностью стеклянных сооружений, таких как павильоны, пристройки или переходы. Так, выставочный зал Glasbau-Hahn во Франкфурте-на-Майне, возведенный в 1950-х годах, был одним из первых объектов, выполненных исключительно из стекла. Он был построен компанией, производившей стеклянные витрины. В то время использование стекла в качестве конструкционного материала было инновационным решением. Но и в настоящее время использование стеклянных конструкций открывает новые дизайнерские возможности не только для проектирования, но и для интеграции всего сооружения. Таким образом, стеклянные решения являются источником творческого вдохновения в архитектуре. Это изменение является результатом развития знаний и исследований о его механических и прочностных свойствах. Потенциал использования стекла в качестве конструкционного материала значительно опередил многие нормативные акты в виде соответствующих согласованных руководств и стандартов. Со временем в разных странах начали внедряться национальные нормативные документы, а опыт, накопленный при проектировании конструкционного стекла, способствовал разработке, например, европейского стандарта проектирования стеклянных конструкций Eurocode 10, который должен быть опубликован в конце 2024 года.

Отсутствие внятных руководств по проектированию привело к проведению ряда исследований по решению проблем проектирования, что напрямую связано с возможным использованием конструкционного стекла и проектированием цельностеклянных объектов. Этот вопрос не нов, и в разное время поднимался многими исследователями (Германом, Тейшидором, Вейлером и другими). Поскольку тема актуальна, делаются предложения и анализ экспериментальных проектов. Однако, несмотря на продолжающиеся исследования, эта тема не получила должного распространения. Недостаточно широко известно, что скрывается за термином "цельностеклянная постройка" и, что немаловажно, как разнообразно такая постройка может быть применена в архитектуре. В этих исследованиях основное внимание уделяется отдельным решениям или тематическим исследованиям. Нет обобщенного определения и характеристики этих решений, а также указаний на их возможности и ограничения. Поэтому мы попробуем углубиться и чуть более подробно рассмотреть тему цельностеклянных сооружений.

Материалы и методы

Основной целью почти всех проведенных и проводимых исследований было и остается изучение архитектурных и строительных условий при создании цельностеклянных объектов. Эти объекты были определены как здания или их части, в которых стекло использовалось в качестве ограждающего материала и конструктивных элементов. Такой подход связан с развитием современных технологий и расширением знаний о механических и прочностных свойствах стекла, а также с разработкой правил проектирования конструкционных стекол. Исследования охватывали последние двадцать пять лет, за которые произошел значительный рост в строительстве зданий с использованием стеклянных конструктивных элементов.

Исследование состояло из нескольких этапов:

- обзор современной литературы;

- отбор примеров;

- анализ основной исследовательской задачи;

- разработка результатов и заключений.

Обзор "стеклянной" литературы

Начальный этап, как правило, включает в себя обзор исходной литературы, то есть научных статей, книг, отчетов, руководств и стандартов, а также интернет-источников по данной теме. Были изучены такие аспекты, как:

- современные технологии производства стекла с точки зрения их применения в архитектуре;

- физические свойства стекла, используемого в стеклянных оболочках;

- структурное стекло с точки зрения механических и прочностных свойств;

- структурное стекло с точки зрения последних руководств и стандартов проектирования, а также вопросов, связанных с принципами его конструктивного проектирования;

- возможность применения структурного стекла в архитектуре, включая тематические исследования;

- теоретические соображения касались вопроса прозрачности и использования стекла в архитектуре.

Таким образом, внимание было уделено вопросам, касающимся проектирования цельностеклянных объектов.

Отбор примеров для проведения исследования и подготовка материалов

На втором этапе исследования отбирается группа объектов, которые соответствуют принятым исследовательским предположениям. Например, в одном из исследований было отобрано более 40 зданий, в которых были реализованы цельностеклянные включения с использованием стекла в наружном ограждении и несущих элементах. На данном этапе объем исследований, основанных на литературных источниках, был сужен, в то время как исследования, посвященные рассматриваемым зданиям, были расширены. Были использованы как опубликованные, так и неопубликованные материалы, полученные от проектировщиков этих зданий, а также наблюдения исследователей на месте.

Анализ основной исследовательской задачи

В рамках основной исследовательской задачи производится систематизация цельностеклянных объектов. В соответствии с классическим трехсторонним разделением на функцию, конструкцию и форму (или пользу, прочность, красоту по Витрувию) были разработаны основные подразделения и характеристики. Однако, понятие функции двоякое и относится как к функциональным, так и к пространственным условиям. Введя систематику, мы получаем возможность определить архитектурные и конструктивные условия, которые влияют на дизайн цельностеклянных зданий и сооружений.

Результаты и заключения

И вот, заключительный этап содержит разработку результатов и выводов. Особое внимание было уделено взаимосвязи между функционально-пространственными аспектами, формой и структурой. Были представлены результаты, касающиеся архитектурных концепций, в которых вместо типичных решений со стальными, алюминиевыми или деревянными конструкциями могут быть реализованы несущие конструкции из конструкционного стекла. На основе всей этой объемной работы стало возможно создать типологию цельностеклянных зданий, сооружений и конструкций.

Типология и функционально-пространственный анализ цельностеклянных объектов

Функция - ключевой термин в архитектуре. Чаще всего его понимают, как синоним назначения. Такое понятие функции позволяет определить назначение здания, связанное с его использованием. Следует также отметить, что функция и назначение могут пониматься одинаково или различаться, главным образом, в зависимости от контекста. Назначение цельностеклянных предметов может варьироваться частично из-за их местоположения, а частично из-за их расположения и объемно- пространственной организации. Для анализа использования конструкционного стекла в цельностеклянных объектах более целесообразно сосредоточиться на функционально-пространственной планировке и организации функциональных зон. Поэтому в данном контексте наиболее широко распространены следующие элементы:

- павильоны,

- пристройки,

- переходы или мосты.

Стеклянные павильоны

К первой группе относятся павильоны, в том числе отдельно стоящие. Благодаря материалу и конструктивным решениям, эти объекты не отличаются большими размерами. Поэтому они характеризуются ограниченной полезной площадью. Цельностеклянные павильоны выполняют выставочную функцию, например, в Институте исследования твердого тела и материалов им. Лейбница в Дрездене или на выставке Kubus Export в Вене. Еще одна распространенная функция, которую выполняют застекленные павильоны, - это входы в здания. Это пространство намеренно спроектировано как прозрачное, что подчеркивает его открытость.

Кроме того, вход можно подчеркнуть контрастной архитектурной формой. Примером такого дизайнерского подхода может служить Apple Cube, расположенный на Пятой авеню в Нью-Йорке. Павильон представляет собой вход в подземное торговое пространство под площадью перед зданием General Motors. Этот объект был расположен симметрично по оси площади, став ее основным композиционным элементом.

Стеклянный куб с видимым ростверком служит световым люком над торговой витриной изнутри. Спиральная стеклянная лестница, расположенная вокруг цилиндра, расположенного в центре куба, ведет с площади в подземный торговый зал. Таким образом, кажется, что в случае с этим дизайном внешний и внутренний миры являются взаимоисключающими, как с точки зрения восприятия, так и с практической точки зрения. Визуально привлекательная форма бросается в глаза снаружи, побуждая покупателя войти в интерьер; внутренняя часть имеет совершенно иную полезную функцию.

Стеклянные пристройки

В исследованных зданиях цельностеклянные элементы часто проектировались как пристройки. Такая форма застройки, как правило, интегрируется в существующее здание, что обычно связано с его модернизацией или добавлением новой функции. Использование цельностеклянных дополнений видится важным, поскольку это может быть связано с улучшением качества существующих функциональных решений. Строительство стеклянных зданий создает новое пространство. Однако используемые материалы также влияют на функциональные характеристики, например, улучшают внутреннее освещение при дневном свете. Благодаря своей прозрачности остекленная конструкция позволяет внешнему и внутреннему пространствам проникать друг в друга, что предопределяет выбор конкретных материалов. Эта визуальная связь между интерьером здания и внешним окружением часто имеет решающее значение при принятии дизайнерских решений. Более того, можно предположить, что большие прозрачные проемы, ведущие во внешнее пространство изнутри здания, действуют как экраны, за которыми виден внешний ландшафт, например, сад, зеленые насаждения, определенный фрагмент застройки соседнего здания. Все это может создавать совершенно уникальные архитектурные впечатления.  Такие архитектурные решения гораздо чаще можно было бы применять в жилых зданиях с использованием стеклянных пристроек.

Например, форма пристройки к жилому комплексу особенно популярна в Великобритании. Террасные дома с фасадом, выходящим на улицу, и садом в задней части участка получили широкое распространение после промышленной революции. Эта застройка все еще используется, в то время как старые дома модернизируются, чтобы сделать их более комфортными для проживания. Одним из элементов, добавляемых к существующему жилью, является застекленная пристройка, часто напоминающая теплицу.

Таким образом, это не совсем уж новое дизайнерское решение, за исключением того, что современные функции использования этих стеклянных конструкций изменились. Стеклянная пристройка теперь больше не используется для выращивания растений, а скорее является частью здания с определенной функциональной нагрузкой, адаптированной к потребностям здания: такой как гостиная, кухня или столовая.

С развитием технологии производства стекла меняются решения в отношении материалов. Все чаще реализуются стеклянные пристройки, однородные по материалу, т.е. со стеклянными фасадами и крышами, а также конструктивными элементами из стекла. При проектировании полностью стеклянной пристройки важно ее расположение на плане существующего здания. В ходе многих исследований цельностеклянные объекты были проанализированы с точки зрения расположения пристроек на плане здания и были выделены три основных варианта расположения. Пристройка в домах может быть:

- расположена за пределами контура плана здания;

- расположена внутри плана здания;

- расположена в углу.

Пристройка, размещенная за пределами контура плана здания - это, например, Спенсер Парк Хаус в Лондоне, Кастельно Хаус в Лондоне и Конференц-центр Армии спасения Хаус в Санбери Корт.

К пристройкам, размещенным внутри плана этажа здания и охватывающая контур плана этажа здания относятся угловой дом Милнторпа в Винчестере и дом на Мейплден-роуд в Лондоне.

Угловая пристройка, например, - это Souldern Road House в Лондоне и Ambrose Place House в Уортинге.

В зависимости от площади, соотношения сторон и высоты пристроек используются различные дизайнерские решения и материалы, в том числе исключительно стекло.

Кстати, о солнце

На фоне исследований, описанных выше, можно представить современную цельностеклянную постройку как некий гаджет.

И одним из важных аспектов этого стеклянного гаджета является возможность использования стеклянной формы в качестве солярного пространства, то есть элемента пассивной архитектуры. В солнечный день, благодаря большим прозрачным поверхностям, те помещения, которые расположены на юге (юго-западе или юго-востоке), собирают солнечный свет и образуют тепловую массу на стенах или полу. Существует несколько типов солнечных зон, в зависимости от того, как солнечная энергия собирается в конструкции здания и передается в соседние помещения.

Но при больших площадях остекления летом может произойти перегрев. Поэтому рекомендуется использовать другие решения для фасадов с соответствующим образом подобранным стеклом, такие как затеняющий элемент, эффективная вентиляция и достаточная теплоизоляция, чтобы создать комфортную внутреннюю среду.

Среди проанализированных зданий решение по пристройке с остеклением было использовано в жилом доме в Кастельно в Барнсе, в районе Ричмонд-на-Темзе на юго-западе Лондона.

В одном из домов в Кастельно была проведена внутренняя реконструкция и обустроена полностью застекленная садовая комната. Что касается застройки исторического здания, то была намеренно выбрана простая форма с однородной структурой материала, а в качестве несущей конструкции использовались стеклянные рамы. Стекло зарекомендовало себя как нейтральный материал для застройки исторического здания. Это решение отражает современную архитектуру и отличает его от зданий 19-го века. Прозрачное ограждение садовой комнаты также имеет большое утилитарное преимущество, поскольку пропускает дневной свет внутрь здания и улучшает его освещенность. Кроме того, принятое решение создает визуальную и функциональную связь между интерьером здания и садом, создавая "переходную" стеклянную зону.

В особняке на Милнторп-Корнер, Винчестер, было использовано решение, аналогичное тому, что было использовано на вилле в Кастельно. Здание, построенное в 1852 году, подверглось реконструкции и расширению. В задней части дома была построена застекленная пристройка, выходящая в сад. В ней есть кухня открытой планировки, гостиная и обеденная зона. Таким образом, в историческое здание были привнесены элементы современной архитектуры. Таким образом, было создано пространство, соединяющее интерьер с садом. Однако это пространство также интегрирует функциональную планировку внутри самого дома, как по горизонтали, так и по вертикали.

Благодаря своему расположению на юго-восточной стороне, стеклянная пристройка может быть пассивным элементом для отвода энергии. Вновь созданное пространство отделено от остальной части здания в основном каменной стеной с застекленными дверями. Эта стена может выступать в качестве элемента для аккумулирования тепла от солнечного света, проникающего через застекленные перегородки пристройки.