На заре цивилизации основными материалами в архитектуре были глина, камень и дерево. Прошли тысячи лет, города начали стремительно расти в высоту, и наступила эпоха бетона и стали. Их неизменным спутником стало стекло, оживляющее скучные многоэтажные коробки солнечным светом. Сегодня некоторые смельчаки из стана архитекторов высшей лиги предлагают заменить бетон и сталь несущими стеклянными конструкциями.
С незапамятных времен у стеклодувов накопились сотни рецептов приготовления стекла (отдельное спасибо средневековым алхимикам, тщетно искавшим философский камень). Современные химики добавили к ним еще тысячи. Несмотря на это изобилие, в строительстве до сих пор используется старое доброе листовое силикатное стекло, сваренное из известняка, кварца и кальцинированной соды, — то самое, которое так боится маленьких сорванцов с рогатками и футбольными мячами. Сам процесс производства стекла также мало изменился со времен английской индустриальной революции.
Пекин. Большой национальный театр
Стекло — одно из самых загадочных веществ в природе. «Люди удивляются, когда мы признаемся, что не можем описать его природу», — говорит химик Дэвид Райхманн из Колумбийского университета. С точки зрения физики стекло — это не только материал, из которого делают пивные кружки, но любое твердое вещество с неупорядоченной молекулярной структурой. К примеру, керамика- это тоже стекло, как и известный всем поликарбонат, из которого делают автомобильную оптику. Более того, даже некоторые сплавы металлов, не имеющие выраженной кристаллической решетки, относятся к стеклам.
Самое логичное объяснение метаморфозам стекла дал британский физик Чарльз Франк 50 лет назад. Он предположил, что во время быстрого остывания исходного расплава атомы в нем как бы впадают в панику, стремясь как можно быстрее выстроиться в жесткую пространственную фигуру. Франк даже вычислил тип этой фигуры — двадцатигранный правильный икосаэдр. Атомы толкаются, загораживают друг другу кратчайшую траекторию к заданной точке, сбиваются в «дорожную пробку» и в изнеможении замирают. Время от времени кое-кому из них удается сдвинуться в нужном направлении, но в целом структура стекла остается нестабильной.
Появление нового мощного инструментария в физической химии открыло нам еще одну загадку стекла. Оказалось, что оно состоит из множества зон с различной степенью подвижности атомов. В одних участках материала атомы движутся туда-сюда, как в обычной жидкости, а в других практически неподвижны. При этом внешне эти зоны выглядят одинаково — они в равной степени тверды и прозрачны.
Левитация яблока
Одним из пионеров стеклянной архитектуры стал не кто иной, как основатель Apple Стивен Джобс. Десять лет назад ребята из компании Bohlin Cywinski Jackson, занимающиеся дизайном фирменных магазинов Apple, познакомили его с Джеймсом О’Каллагэном. Архитектор пообещал Джобсу, что тот сможет, при желании, продавать билеты на посещение своих торговых точек, если примет рискованное предложение и превратит их в аттракционы из стекла и света. Уже в 2002 году Джобс и О’Каллагэн получили патент на конструкцию и дизайн лестничных маршей из ламинированных стеклянных панелей и особые крепежные элементы для них. Парящие в воздухе прозрачные стены, лестницы и перекрытия верхних этажей стали особенностью фирменных магазинов Apple по всему миру — от Нью Йорка до Шанхая. Первенцем в этом списке стал нью-йоркский магазинчик SoHo. В нем О’Каллагэн установил две лестницы из ламинированного стекла длиной более 10 метров каждая. Полированные и протравленные «в елочку», двухметровые ступени спокойно держали нагрузку в 4.5 кН на кв. метр благодаря промежуточным слоям из сверхпрозрачного ионопласта Dupont SentryGlas Plus, который в пять раз прочнее и в сто раз жестче традиционной пленки из поливинилбутирата. Толщина каждой из 27 ступенек в SoHo составляет 55 мм. Все они крепятся титановыми зажимами к боковой несущей стене высотой толщиной 49 мм. Кстати, цельные боковые стены удалось занести внутрь помещения только при помощи вертолета. Для этого пришлось разбирать часть крыши здания. «Остекление» SoHo стало для Джобса и О’Каллагэна пробой пера. Вслед за ним появилась целая серия куда более сложных проектов со спиральными маршами, огромными гнутыми несущими стенами и буквально висящей в воздухе лестницей в лос-анджелесском магазине The Grove. Японские магазины Shinsaibashi и Shibuya уже через две недели после открытия на пятерку сдали экзамен матушке-природе, без единой трещины пережив 6-балльное землетрясение, а прозрачный двухэтажный куб Apple на Пятой Авеню и вовсе можно назвать маленьким чудом света. Сверкающая на солнце стекляшка с надкусанным яблоком на фасаде стала одной из главных достопримечательностей Даунтауна. Какие-то любопытные чудаки проверили прочность её стен, пару раз засадив в них из дробовика. Надо ли говорить, что кубик не рассыпался.
«У любой жидкости при замерзании есть два варианта поведения — кристаллизация в лед и образование стекла», — говорит профессор Сиднейского университета Питер Харроуэлл. Скорость охлаждения воды и других жидкостей не сказывается на финальной кристаллической решетке льда, а механические свойства стекла напрямую зависят от этого фактора. Определенной температуры, при которой стекло становится твердым, также не существует. Один из столпов науки о стекле, профессор Волайнис из Беркли, полагает, что гипотетическое идеальное стекло, в котором все атомы абсолютно неподвижны, вообще ставит под сомнение третий закон термодинамики: нулевая энтропия (остановка движения атомов) в нем достигается гораздо выше точки абсолютного нуля.
Как закалялось стекло
Привычное силикатное стекло меньше всего похоже на строительный материал. Оно слишком хрупкое. Первичный лист, только покинувший леер (специальную печь с переменным терморежимом, в которой стекло постепенно охлаждается) и раскройную машину, чрезвычайно прочен. Его трудно разбить даже молотком. Но стекло очень быстро стареет. Для этого даже не требуется механического воздействия, достаточно контакта с атмосферными водяными парами и углекислым газом. На открытом воздухе стекло быстро приобретает тысячи микродефектов на каждый квадратный сантиметр поверхности. Неизбежные механические повреждения при транспортировке добавляют проблем.
Использование защитных полимерных покрытий снижает риск образования дефектов, но отрицательно влияет на прозрачность стекла. Существуют также различные химические добавки, которые значительно упрочняют готовый материал, но все они чрезвычайно дороги. Гораздо эффективнее в этом отношении модификация процесса охлаждения расплава и применение специальной оснастки. Например, заготовки для жидкокристаллических дисплеев получают в особом V-образном леере, в котором отвердевающее стекло не соприкасается с металлическими элементами, перемещаясь на воздушной подушке.
Для упрочнения отожженного строительного стекла применяют также давно известный в металлургии и силикатном производстве метод закалки с последующим быстрым отпуском. Неравномерное охлаждение внешних и внутреннего слоев стекла приводит к образованию тысяч линий напряжения, пронизывающих изделие насквозь, как невидимая арматура. Образование микротрещин на закаленном стекле при воздействии газов и пара происходит намного медленнее, а сами изделия сохраняют прозрачность на порядок дольше обычных. Прочность при этом возрастает вдвое. По такой методике производятся знакомые нам автомобильные стекла.
Грань между жизнью и смертью
Надежность конструкций из стекла наиболее наглядно демонстрируют прозрачные смотровые площадки на 103 этаже чикагского небоскреба Sears Tower, зависающие над Саут Уокер Драйв на отметке 412 метров. Открытые в 2009 году, они являются частью развлекательного комплекса Skydeck, расположенного на крыше самого высокого здания Северного полушария. Карниз представляет собой совершенно прозрачную коробку с полом, потолком и стенами из закаленного ламинированного стекла толщиной всего 3,81 мм. Столь тонкая грань между жизнью и смертью невероятно прочна — стекло выдерживает давление почти в 6 кН на кв.м. Компьютерная симуляция показала, что пол Карниза не треснет, даже если вес его посетителей превысит пять тонн. Коробка закреплена практически незаметными болтами на двух консольных балках из нержавеющей стали. Она выступает из стены небоскреба на 1.37 метра. Механизм с противовесами искусно спрятан в стене, поэтому у туристов складывается полное впечатление, что прозрачная конструкция парит над улицей. На случай запотевания Карниза, в слое ламината инженеры установили прозрачный нагревательный элемент, подобный тем, что мы видим в автомобильных стеклах. Внешний уход за стеклянной коробкой осуществляется роботом-мойщиком. «Карниз является еще одним подтверждением того, что стекло — полноценный строительный материал, а не простой декор», говорит разработчик проекта Джон Коойманс из компании Halcrow Yolles. «Он демонстрирует возможности стекла, которые архитектура только начинает использовать на практике. Во время работы нас воодушевлял пример потрясающего Grand Canyon Skywalk, но несмотря на гораздо меньшие масштабы Карниза, с точки зрения инженерного искусства мы превзошли своего предшественника».
А вот остекление для авиационной техники делают по технологии химической закалки. Необходимого равномерного напряжения в этом случае добиваются созданием на поверхности стекла ионообменного слоя, в котором ионы натрия заменяются ионами калия. Последние на 30% больше по размерам, поэтому они создают внутри стекла «тесноту», уплотняя его в буквальном смысле слова. Арматурная сетка химически закаленных изделий гораздо мельче, чем у термически закаленных аналогов, а прочность выше вдвое. С этим связана известная особенность изделий такого типа — при повреждении они разлетаются в мелкую крошку и даже в пыль. С точки зрения безопасности это неплохо — травмоопасность маленьких обломков гораздо ниже, чем больших кусков стекла с острыми, как бритва, краями.
Прозрачная бомба
И все же традиционные технологии упрочнения не способны дать строителям материал, пригодный для изготовления силовых элементов зданий. По словам Джеймса Карпентера, строительное стекло для инженеров-строителей — бомба замедленного действия. В отличие от дерева или металла, оно не деформируется и не теряет прозрачности, предупреждая об усталости и возможном разрушении. Оно просто внезапно лопается.
Поэтому разработка несущих элементов из стекла — высший пилотаж для архитекторов. За такую работу берутся немногие. Даже несмотря на то что в последнее десятилетие на рынке появились совершенно новые продукты с высочайшими механическими свойствами — ламинированные стеклопакеты и полимерные пленки, намертво склеивающие отдельные листы в прочнейший, не рассыпающийся при критической деформации монолит.
Процесс ламинирования прост только на первый взгляд. Если оставить в стороне исключительно высокие требования к прозрачности и клеящей способности пленок из поливинилбутирата, то и с самим стеклом у производителя возникает масса проблем. Закаленное стекло нельзя обрабатывать, и поэтому каждый лист из многослойного пакета должен быть отполирован, раскроен и просверлен под крепеж еще до закалки. Точность выполнения отверстий в данном случае требуется идеальная — допустимое отклонение измеряется долями миллиметра.
Крепеж — это отдельная история. Крепежные системы для стеклянных конструкций делаются обычно из нержавеющей стали и титанового сплава, имеющих подходящий коэффициент термической деформации. Микронные зазоры в соединении заполняются силиконовым герметиком. Но тем не менее любой контакт стекла и металла таит в себе потенциальную опасность появления трещин.
Признанный гуру стеклянной архитектуры Джеймс О’Каллагэн утверждает, что главная проблема конструкций из стекла — наличие металлических связей между отдельными элементами. Если их минимизировать или вовсе исключить, то проектирование эффектных прозрачных фасадов, стен и крыш станет рутинной работой даже для начинающих дизайнеров.
И подобные решения уже имеются. Например, профессор Роб Нийссе из Технологического университета Дельфт и инженеры компании ABT Belgium при возведении прозрачных стен концертного зала в Порто и нового музея, построенного в Антверпене, использовали гигантские листы рифленого ламинированного стекла. Стены при этом удалось сделать цельнокроеными, а металлический крепеж ограничить опорной рамой.
Есть и другой способ отказаться от металла: если материал при нагреве и охлаждении расширяется незначительно, то его можно сваривать или паять. В итоге конструкция будет представлять собой один цельный кусок стекла сложной формы. К сожалению, закаленное силикатное стекло не годится для сварки, а имеющиеся на сегодняшний день несколько видов стекла с мизерным коэффициентом теплового расширения чрезвычайно дороги.
Люцио Бландини из штуттгартской компании Werner Sobek Engineering and Design считает, что вместо сварки и металлического крепежа вполне сгодится клей. Для подтверждения своей концепции ему пришлось склеить многогранный стеклянный купол диаметром 8,5 м, выдерживающий колоссальные нагрузки в сотни килограммов на квадратный сантиметр. Как считает Бландини, склеивание позволяет полностью сохранить уникальные эстетические свойства материала. Werner Sobek Engineering and Design уже использовала технологию Бландини при постройке элементов нескольких зданий в Северной Америке и Арабских Эмиратах.
