Классификация
Если исключить светопропускающие ETFE, поликарбонат и мембранные конструкции, то полимерные композитные материалы в фасадной архитектуре можно разделить на несколько видов в зависимости от состава, технологии изготовления и роли в общей системе здания.
| Тип композита | Основной состав | Ключевые свойства | Использование на фасаде | Ценовая категория | |||
| HPL (Слоистый пластик) | Бумага/ткань + термореактивная смола под давлением | Долговечность, стабильность цвета, устойчивость к ударам, ограниченная пластичность | Плоские или слабоизогнутые кассеты для НВФ | Доступный | |||
| GFRP (Стеклопластик) | Стекловолокно + полимерная смола | Высокая прочность, легкость, высокая пластичность (можно формовать сложные формы) | Крупные криволинейные панели, скульптурные оболочки, параметрическая архитектура | Средний | |||
| CFRP (Углепластик) |
|
|
|
Высокая стоимость | |||
| АКП (Алюминиевые композитные панели) | Два слоя алюминия + полимерное или минеральное ядро | Легкость, жесткость, хорошая технологичность (гибка, резка), коррозионная стойкость | Крупноформатные панели, плавные изгибы (волны) | Доступный | |||
| Термоформованные полимеры (PETG, акрил) | PETG или акрил | Технологичность формования, рельефность, прозрачность/светорассеяние | Рельефные панели, сложный рисунок фасада, элементы подсветки | Доступный |
Наиболее распространены панели на основе слоистого пластика высокого давления HPL (High Pressure Laminate). Это плотный и устойчивый к внешней среде материал, применяемый в виде плоских или слабоизогнутых облицовочных кассет в вентилируемых фасадах. Благодаря своей долговечности, стабильности цвета и относительной простоте производства он широко используется в общественных и жилых зданиях.
Для создания пластически более сложных фасадов используют полимер, армированный стекловолокном, – GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). Этот материал позволяет формовать крупные облицовочные элементы сложного криволинейного профиля. Панели изготавливаются по индивидуальным матрицам и крепятся к каркасу, образуя непрерывную «скульптурную» оболочку. Именно GFRP-технология лежит в основе многих биоморфных и параметрических фасадов, где на внешнюю архитектурную форму приходится главный смысловой акцент.
К той же группе относятся композиты на основе углеродного волокна – CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Они дают большую прочность при минимальном весе. Это дорогой в производстве материал, и его используют в исключительных случаях. Он находит применение в экспериментальной архитектуре, в элементах, где критична минимизация сечения – например, в тонких оболочках или в навесных консолях с большим выносом.
Отдельный класс составляют алюминиевые композитные панели АКП (алюминиевые композитные панели) с полимерной сердцевиной. Несмотря на металлический внешний вид, основу конструкции составляет полимерный материал, который обеспечивает легкость и жесткость.
В дополнение к выше представленной продукции нашли своё применение фасадные системы на основе термоформуемых полимеров (такие как PETG акрил), которые используются в виде объемных или рельефных панелей. Они позволяют формировать сложный рисунок фасада при относительно простой технологии производства.
Инженерная и экономическая эффективность
Плотность GFRP и CFRP составляет 1,5–2,0 г/см³ – это в 1,5–2 раза легче алюминия (2,7 г/см³) и в 4–5 раз легче стали (7,8 г/см³). Для фасада высотного здания разница составит несколько тонн: облицовка из стеклопластика может быть легче металлической на 40–60%. Это напрямую удешевляет несущий каркас и фундамент – до 15–20% от общей сметной стоимости.
По прочности на разрыв армированные полимеры не уступают стали, при значительно меньшем весе. Удельная прочность (прочность на единицу массы) у CFRP в 5–7 раз выше, чем у конструкционной стали. Именно поэтому углепластик применяют там, где на счету каждый килограмм: в авиации, космосе, а теперь и в архитектурных оболочках с большими выносами.
В отличие от металлов, полимерные композиты не подвержены электрохимической коррозии. Для прибрежных городов или регионов с агрессивной промышленной средой это означает многолетнюю службу без защитных покрытий и регулярного обслуживания. Диапазон рабочих температур большинства материалов – от –40 до +80 °C, что покрывает климатические условия большинства регионов.
Криволинейные панели из металла требуют либо дорогой штамповки, либо сварки фрагментов с последующей шлифовкой швов. Полимерные композиты (особенно GFRP) формуются в матрицах один раз, сохраняя заданную геометрию по всей площади панели. Это не только дает бесшовные поверхности, но и инженерную целостность: отсутствие стыков и сварных швов исключает зоны концентрации напряжений.
Отдельно стоит сказать про экономическую эффективность – в логистике, монтаже и последующем жизненном цикле проекта с полимерными фасадными системами. Малый вес снижает затраты на перевозку на 30–50% по сравнению с камнем или железобетоном. Крупногабаритные панели можно перевозить стандартным транспортом без специальных разрешений – их просто не нужно усиливать дополнительными ребрами жесткости.
Легкие панели не требуют тяжелой подъемной техники. Для установки элементов весом до 50–70 кг достаточно двух монтажников и телескопической вышки. Скорость монтажа выше в 2–3 раза по сравнению с керамогранитом или фиброцементом. В проектах с жесткими сроками (например, реконструкция стадионов к чемпионатам) это критическое преимущество.
Большинство полимерных фасадных материалов не нуждаются в покраске, антикоррозийной обработке или регулярной герметизации швов. Достаточно ежегодной мойки – устойчивость поверхности к загрязнениям заложена на этапе производства (специальные топ-коуты). Срок службы качественных HPL и GFRP панелей с UV-стабилизацией – 25–30 лет. При этом цвет и основные механические свойства сохраняются, однако под длительным воздействием жесткой солнечной радиации возможно незначительное повышение поверхностной хрупкости, что типично для всех полимерных материалов и закладывается в расчеты при проектировании.
Еще один фактор эффективности – растущие возможности для вторичной переработки: отходы полимерных композитов все чаще возвращаются обратно в производственный цикл (растущая индустрия). Оборудование для дробления HPL и термоформованных полимеров позволяет возвращать до 85–90% материала в производство новых панелей, профилей или строительных элементов. Это снижает затраты на утилизацию (которая для неперерабатываемых материалов может достигать 10–15% стоимости демонтажа) и добавляет преимущества в системах «зеленой» сертификации вроде LEED или BREEAM.
Рассмотрим несколько примеров.
Слоистый пластик высокого давления HPL
Несмотря на то, что HPL часто воспринимают как доступное решение, HPL-панели активно используются в архитектуре, где фасад работает как графическая или цветовая система, выразительность достигается через композицию, ритм и цвет. Наиболее полно HPL-панели раскрывают свои художественные возможности в архитектуре образовательных учреждений.
Turner Hall – студенческое общежитие Университета Монаша (Monash University) в Мельбурне, Австралия. 2015. Архитектура: Jackson Clements Burrows Architects (JCB)
© Jackson Clements Burrows Architects (JCB)
Turner Hall – пятиэтажное студенческое общежитие в кампусе Клейтон Университета Монаша (Мельбурн). Использование HPL-панелей в этом проекте сыграло ключевую роль как с точки зрения энергоэффективности, так и в формировании архитектурного образа. Панели – часть вентилируемой фасадной системы, они защищают от перегрева и влаги и обеспечивают естественную циркуляцию воздуха. Яркие коробки вокруг окон и разноцветные вертикальные ребра, выполненные из HPL, работают как пассивные солнцезащитные элементы – уменьшают прямую инсоляцию, снижают тепловую нагрузку и потребность в кондиционерах. HPL-панели долговечны, устойчивы к ультрафиолету и осадкам, что особенно важно для зданий с яркой полихромной композицией.
Проект стал эталоном экологичного строительства в Австралии: здание получило высший сертификат экологичности «5 звезд (As Built)» за использование систем сбора дождевой воды, естественную вентиляцию и применение материалов из вторичного сырья.
Полимер, армированный стекловолокном GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer)
Стеклопластик – материал из авиастроения и судостроения, но панели GFRP активно используются и в архитектуре, особенно в такой, где фасад работает как сложная скульптурная или пластическая система, где выразительность достигается не за счет декоративной отделки, а через бесшовность, плавность линий и глубину формы. Часто речь идет о знаковых культурных объектах или флагманских бизнес-пространствах.
Бутик Christian Dior в Сеуле. Архитектор Кристиан де Портзампарк. 2015
© Seoul Institute, 2019. Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0)
Магазин Dior в Сеуле – один из ярких примеров биоморфной архитектуры 2010-х годов. Здание расположено в районе люксового ритейла Чхондам-дон. Архитекторы осознанно противопоставили свой проект окружающей плотной застройке: вместо стеклянной витрины они создали городскую скульптуру.
Основу визуального образа составляют 11 гигантских белоснежных панелей-парусов высотой порядка 20 метров. Они выполнены из высокотехнологичного стеклопластика GFRP, что позволило добиться чистоты цвета и сложной криволинейной формы. Каждую панель формовали с авиационной точностью в специальных формах на основе детального 3D-моделирования. Швы между композитными листами были тщательно скрыты, что создало иллюзию бесшовного текстильного кокона. В ночное время здание мягко подсвечивается изнутри и превращается в гигантский светящийся цветок.
Углепластик CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)
Углепластик (CFRP) – материал из аэрокосмической отрасли и автоспорта. Фасады из него работают как сверхлегкие и при этом жесткие структурные системы, в которых акцент сделан на предельной тонкости. Наиболее полно CFRP-панели раскрывают свои возможности в архитектуре высокотехнологичных павильонов и инновационных центров, где невесомость конструкции – это витрина передовых инженерных возможностей.
Театр Стива Джобса (Steve Jobs Theater) в Купертино. 2017. Архитектура: Foster + Partners, Инженеры-конструкторы: Eckersley O’Callaghan и Arup
By Justin Ormont – Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=66418508
Кровля Театра Стива Джобса – самая большая в мире конструкция из углеродного композита CFRP, поддерживаемая исключительно стеклянными стенами. Диаметр крыши – 47 м, площадь – 1735 м², вес – 80 тонн. Она состоит из 44 одинаковых радиальных панелей, соединенных между собой так плотно, что стыки практически незаметны. Панели изготавливались в Дубае компанией, которая строит яхты. Прежде чем по частям привезли их в Калифорнию, крышу собрали и протестировали в пустыне Дубая.
Внутри пространства кровли упаковано множество инженерных систем: акустическая, световая, система терморегуляции и пожаротушения, миниатюрные датчики движения и дыма. Даже вопрос отвода осадков решен скрытно: благодаря едва заметному внутреннему уклону дождевая вода не стекает по стеклу, а собирается системой желобов внутри крыши и отводится через шахту центрального лифта, тоже стеклянного. В итоге сложнейший инженерный хаб выглядит как идеально гладкий и легкий белый диск, в котором нет ни одной лишней детали.
Алюминиевые композитные панели (ACP)
Главные преимущества материала АКП связаны с его структурой: это сэндвич из алюминия и полимерного ядра. Материал сочетает малый вес с высокой жесткостью и сохраняет геометрию без деформаций. Он легко поддается резке, его можно согнуть в пределах заданного радиуса. Важным качеством является устойчивость к атмосферным воздействиям и ультрафиолету.
Стадион «Эстадио Мунисипаль де Балаидос» (Виго, Испания).
Реконструкция: 2015–2017 гг. Архитектор: Педро де ла Пуэнте Креспо
Por Rouchodefag – Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=81000013
Построенный в 1928 году стадион в ходе масштабной реновации обрел футуристический вид: разрозненные трибуны были объединены единым контуром, а новый фасад стилизовали под гигантскую волну.
Фасад собрали из алюминиевых композитных панелей с минеральным сердечником FR (Fire Retardant), что обеспечило конструкции минимальный вес и высокую пожарную безопасность.
Выбор материала был также продиктован климатическими обстоятельствами: влажный и соленый воздух Галисии разъедает металлы, в то время как композитные панели обладают исключительной коррозионной стойкостью.
Волнообразные изгибы фасада выложили трехметровыми, изогнутыми в процессе вальцовки лентами из АКП. Специальное финишное покрытие цвета Blue Metallic позволяет зданию менять оттенок в зависимости от освещения. Все эти художественные чудеса были бы технически трудновыполнимы и экономически невозможны, используй строители чистый монолитный алюминий.
О чем важно помнить при проектировании
При всех преимуществах полимерные фасады требуют комплексного подхода к деталям. Коэффициент теплового расширения у композитов выше, чем у стали или бетона – это означает, что узлы крепления должны компенсировать температурные подвижки. Ультрафиолетовая деградация существует, но современные стабилизаторы и защитные лаки продлевают стойкость покрытия до 15–20 лет на открытом солнце (в умеренном климате – до 30). Наконец, пожарная безопасность: материалы с соответствующими добавками (например, АКП с минеральным сердечником) классифицируются как трудновоспламеняемые и допускаются к применению в высотном строительстве при соблюдении норм.
Эти нюансы – не ограничения, а правила игры, которые хорошо изучены. Ведущие производители предлагают готовые узлы крепления, компенсаторы расширения и сертифицированные системы с известными характеристиками. При профессиональном проектировании полимерный фасад оказывается не только выразительным, но и предсказуемо эффективным.
