Новый подход к применению изогнутых стеклянных панелей в Нордкеттенбан, Инсбрук

7 июля 2009

Prof. Dr.-Ing. Holger Techen, Faculty of Architecture techen@fb1.fh-frankfurt.de Dipl.-Ing. Arne Hofmann B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH ahofmann@bollinger-grohmann.de

В области применения стекол для строительства постоянно разрабатываются новые подходы. Существенным этапом в этом процессе является исследование материалов для изготовления стекол, с последующей разработкой строительных нормативов. На основе этого, соединительные конструкции, содержащие элементы из стекла и других материалов, должны создаваться с учетом соображений безопасности, что требует детальных расчетов для каждого конкретного проекта. В зависимости от концепции конструктивного исполнения, возможные формы стекол и процесс их изготовления, должны быть учтены на ранней стадии планирования конструкции. В этом обзоре мы расскажем о процессе проектирования и изготовления четырех стеклянных крыш на Нордкеттенбан, в г. Инсбрук, спроектированном архитектором Захой Хадид.

1. Введение — реконструкция старой подвесной дороги

В Инсбруке была произведена реконструкция старой подвесной дороги, соединяющей центр города с населенным пунктом Хунгербургом, расположенным намного выше, на южном склоне горы. Канатная дорога содержит всего четыре станции: станцию Конгресс, которая находится рядом с центром Инсбрука, Левенхаус на берегу реки Инн, зоопарк Альпензоо, находящийся посредине пути к конечной станции на очень крутом склоне и Хунгербург, конечный пункт.

Конструкция канатной дороги и четырех станций была разработана архитектором Захой Хадид. Станции проектировались с учетом местной архитектуры и вписались в местных пейзаж как полноценные скульптурные сооружения (см. Рис. 1).

Форма каркаса для стеклянных панелей станции Альпензоо

Рис. 1а Станция Альпензоо

Форма каркаса для стеклопанелей станции Конгресс

Рис. 1б Станция Конгресс

Форма каркаса для панелей из стекла станции Левенхаус

Рис. 1в Станция Левенхаус

Форма каркаса для стеклянных панелей станции Хунгербург

Рис. 1г Станция Хунгербург

2. Основная идея проектирования конструкции

Изначально было ясно, что конструкция такой свободной, обтекаемой формы, может быть выполнена только из стекла из-за ее уникальной и глянцевой поверхности. Каждая стеклянная поверхность опиралась на внутренний стальной каркас, который в свою очередь соединялся 3-4-мя опорами со структурой фундамента.

Так как каждая станция имела свою собственную форму, то и стальные каркасы отличались друг от друга. Каждая стальная структура была выполнена следующим образом: поперечные ребра 8—12 мм толщиной образовали сетку в 1250 мм, которая в точности повторяла форму внешней поверхности. Расположение поперечных ребер подгонялось под крепление стеклянных ячеек. Они были усилены центральными параллельными стальными ребрами и обеспечивали жесткость конструкции в сочетании с дополнительными продольными ребрами по бокам каркаса подобно стальному скелету.

Все стальные планки были сварены между собой в процессе изготовления на фабрике, или непосредственно при сборке конструкции. Каждый элемент стальной конструкции, включая отверстия, идентификационную маркировку, усиливающие пластины и т. д. был тщательно просчитан исходя из трехмерной модели, созданной архитектором.

Объединение процесса разработки и конструирования потребовало очень тесного сотрудничества архитектора, инженера-проектировщика и строительной компании. Задачей команды было учесть все зависимости между конкретной конструкцией и стальным каркасом, а особенно учесть перспективы монтажа отдельных изогнутых стеклянных панелей при проектировании конструкции и создании рабочих чертежей. Из-за изменения процесса изготовления, подготовка и последующее внедрение трехмерной модели потребовали изменения общей стратегии проектирования. Главные задачи команды проектирования конструкций были разделены на цифровое проектирование (Арне Хофманн), создание стальной конструкции (Матиас Страке) и стеклянной поверхности (Хольгер Текен). Процесс цифрового проектирования и изготовления стального каркаса более подробно описан в источнике [1]. Сосредоточим свое внимание на процессе изготовления стеклянных элементов и способах их соединения с металлической конструкцией.

3. Форма стекол

Форма стекол повторяет геометрию правильной сетки, с шагом в поперечном направлении 1250 мм. Стеклянные ячейки последовательно заполняют сетку вдоль всей поверхности. А по мере приближения к краю конструкции, форма стеклянных панелей становится все более сложной. За счет растягивания поверхности к боковым краям, длина закрепляемых пластин достигала 4500 мм. Поэтому сразу же, на раннем этапе конструирования, разработчиками были установлены предельные значения для формы свободных поверхностей и минимального радиуса кривизны, поскольку эти ограничения были определяющими для геометрии всей поверхности. На Рис. 2 показана форма стеклянных поверхностей на нижней и верхней части конструкции станции Альпензоо. Особенно резкое изменение радиуса кривизны в пределах одной панели требовалось на участке перехода верхней части конструкции в боковую (см. Рис. 3). В конце этого этапа цикла конструирования (архитектурный замысел, проектирование конструкции, изготовление стекла), было изготовлено около 1100 стеклянных панелей различной геометрической формы. Их размеры колебались от 0,80 м2 до 4,50 м2.

Внешний вид стеклянных панелей станции Альпензоо

Рис. 2 Внешний вид стеклянных панелей, станция Альпензоо. Соответственно нижняя и верхняя части конструкции.

Стеклянные панели с резким изменением радиуса кривизны

Рис. 3 Примеры стеклянных панелей с резко изменяющимся радиусом кривизны.

Конечное определение геометрии ограничивалось качеством и толщиной стекла. С учетом всех граничных условий, было использовано закаленное стекло толщиной максимум 12 мм.

Для обеспечения необходимой геометрической формы панелей, заданной трехмерной моделью конструкции, разработанной автором, были подготовлены специальные формы, применяемые на этапе производства. Важным было также соблюдение допустимых отклонений между трехмерной моделью и изготавливаемыми панелями. Их значения были согласованы между строительной компанией и компанией изготовителем стекла, для контроля использовалось лазерное сканирование непосредственно после изготовления панелей. Это позволило исключить трудности при монтаже конструкции впоследствии. На Рис. 4 показана изогнутая стеклянная панель до закалки и сканирования.

Изогнутая стеклянная панель перед обработкой

Рис. 4 Изогнутая стеклянная панель перед дальнейшей обработкой

4. Вставка стекол

С применением нового подхода к использованию изогнутых стекол, необходимо было разработать совершенно новый способ вставки стекол. Вместо использования оправы или точечной фиксации, была использована идея, суть которой заключалась в закреплении острого края стеклянной панели с использованием материала на основе полиуретана для обеспечения достаточного сцепления. Процесс сбора конструкции, нормировки крепления для около 1100 различных форм стеклянных панелей показан на Рис. 5. В результате этого процесса небольшие Т-образные металлические элементы были вклеены по правильной сетке с внутренней стороны стеклянных панелей и закреплены при помощи болтов к подогнанному по форме полиэтиленовому профилю, который в свою очередь был прикручен к 12-миллиметровым стальным ребрам.

Упрощенная технология вставки стеклянных панелей

Рис. 5 Процесс оптимизации сбора конструкции за счет упрощения технологии вставки стеклянных панелей

Преимущество этой конструкции заключается в независимости этапов монтажного процесса, а также в удобстве замены стеклянных панелей при последующей эксплуатации конструкции. Выравнивание элементов остекления при помощи металлических пластин потребовало разработки и изготовления более сложных профилей на основе полиэтилена, которое было осуществлено с привлечением разумного планирования и методов производства. На Рис. 6 эти элементы показаны после изготовления и маркировки.

Элементы для продольной фиксации изогнутых стеклянных панелей

Рис. 6 Элементы на основе полиэтилена для продольной фиксации изогнутых стеклянных панелей

5. Проектирование остекления

Из-за различия форм поверхностей и расположения на различных высотах, конструкции четырех станций должны были быть рассчитаны для разных снеговых и ветровых нагрузок согласно австрийским кодам (см. Таблицу 1). Стеклянные панели были объединены в группы по следующим параметрам:

— расположение (сверху, снизу, сбоку);

— характер крепления (крепление с двух сторон с/без дополнительных ребер жесткости, крепление только за три края);

— геометрия стекла (изгиб вдоль одной/двух осей, множественные изгибы).

Таблица 1 Обзор учитываемых нагрузок на четырех станциях

Конгресс Альпензоо Хунгербург Левенхаус
Снежный покров 2,10 кН/м2 2,39 кН/м2 3,14 кН/м2 2,10 кН/м2
Подсос ветра сверху -0,49 кН/м2 -0,61 кН/м2 -0,64 кН/м2 -0,64 кН/м2
Подсос ветра снизу -0,24 кН/м2 -0,30 кН/м2 -0,32 кН/м2 -0,32 кН/м2
Подсос ветра в боковых участках -0,61 кН/м2 -0,76 кН/м2 -0,81 кН/м2 -0,81 кН/м2
Ветровая нагрузка на боковые участки 0,76 кН/м2 0,95 кН/м2 1,00 кН/м2 1,00 кН/м2

Каждая стеклянная панель была отнесена к определенной группе по цвету (см. Рис. 2 и 3). В Таблице 2 показано соотношение между цветом и основными характеристиками панелей на примере станции Альпензоо. Панели для наиболее ответственных участков, были окончательно проверены при помощи программ анализа методом конечных элементов.

Таблица 2 Соотношение между цветом панелей (Рис. 2) и их характеристиками

№ п/п Цвет Расположение Толщина стекла Ребра жесткости Режим нагрузки
1 зеленовато-голубой сверху 12 мм нет ветер
2 темно-голубой сверху 12 мм есть снег
3 светло-зеленый сверху 12 мм нет ветер, снег
4 светло-зеленый сверху 12 мм есть ветер, снег
5 цвет морской волны сверху 12 мм нет ветер, снег
6 сиреневый снизу 10 мм нет ветер
7 бирюзовый снизу 10 мм нет ветер
8 розовый сбоку 10 мм нет ветер
9 цвет фуксии снизу 10 мм нет ветер
10 золотистый сверху 10 мм есть ветер, снег
11 фиолетовый сбоку 10 мм нет ветер
12 коричневый сбоку 10 мм нет ветер

Ребра жесткости применялись для всех панелей, которые крепились в особом положении (например, участки по краям или одиночные загнутые участки) и для тех, которые подвергались значительным нагрузкам. Эти ребра жесткости выполнялись из металлических пластин, оснащенных связующими крепежными приспособлениями. Они не просчитывались специально, однако проходили испытания в авторизованном испытательном институте Австрии. Эти испытания проверяли предельную нагрузку на разрыв и прочность связующего соединения.

Дополнительно проводились испытания для металлических пластин, приклеенных к панелям вдоль края по периметру всей поверхности конструкции. И наконец, были проведены испытания одинарной панели на определение способности выдерживать остаточную нагрузку. Эти испытания были проведены для всех возможных вариантов расположений элементов.

6. Реализация — установка каркаса и монтаж остекления

Что касается сборки поверхности, сосредоточим внимание только на установке металлического каркаса и монтаже остекления. Сварка стального каркаса основания производилась непосредственно на этапе строительства, поскольку это невозможно было сделать при его изготовлении на производстве. Особенно это касается станции Альпензоо (см. Рис. 7).

Сварка каркаса основания на станции Альпензоо

Рис. 7 Сварка каркаса основания на станции Альпензоо

Так как сварка происходила на месте, то перед креплением полиэтиленовых профилей, стальные ребра были дополнительно обработаны для защиты от коррозии. Логистика процесса была очень сложной, так как для сборки применялось огромное количество профилей различной формы. Благодаря использованию оптимизации монтажа остекления, не было необходимости начинать установку панелей из одной определенной точки. А поскольку стекла в процессе транспортировки разбивались, либо обнаруживались панели с недопустимыми расхождениями от расчетных параметров, то они могли быть отложены и установлены позже (см. Рис. 8).

Монтаж стекол на станции Альпензоо

Рис. 8 Монтаж стекол на станции Альпензоо

7. Справочные материалы

[1] Hofmann, Arne, Bollinger, Klaus, Grohmann, Manfred; Cable Railway Staions in Innsbruck. Detail 12/2007

[2] Инновации в остеклении, Конференция по архитектурному и конструкционному использованию стекла, Бос, Лоутер, Веер (Организационный комитет) www.bk.tudelft.nl/challengingglass