Преимущества и проблемы двухкожных фасадов в небоскребах
Что такое двойные фасады и почему они важны в высоких зданиях?
Фасад с двойной кожей (DSF) представляет собой систему оболочек здания, состоящую из двух различных слоев стекла - внутренней занавесной стены и внешнего остекленного экрана - разделенного воздушной полостью, которая может варьироваться от нескольких дюймов до нескольких футов в ширину. Эта полость часто вентилируется естественным образом или механически, чтобы буферизировать внутреннюю среду от крайних условий наружного воздуха. В то время как концепция восходит к ранним теплицам 20-го века и 1903 Steiff Factory в Германии, ее современное воплощение наиболее заметно развернуто в высотных башнях, где ветровые нагрузки, солнечный прирост и эффекты вертикального стека взаимодействуют сложными способами. Поскольку небоскребы толкают более высокие и устойчивые коды затягиваются, DSFs перешли от нишевой экспериментальной техники к основной стратегии для достижения как энергетических характеристик, так и комфорта пассажиров. В этой статье рассматриваются документированные преимущества, инженерные и финансовые препятствия и критические дизайнерские решения, которые определяют, будет ли фасад с двойной кожей выполнять свое обещание или станет дорогостоящим обязательством.
Не все фасады с двойной кожей одинаковы. Наиболее распространенные типологии включают буферные фасады (запечатанная полость, отсутствие активной вентиляции), фасады с вытяжным воздухом (воздух, вытягиваемый из комнаты через полость и выхлопные), фасады с двойным лицом (полость, механически проветриваемая с помощью подачи и извлечения воздуха) и гибридные или активные фасады (интегрированная с системами HVAC здания, часто использующими моторизованные жалюзи или материалы с фазовым изменением внутри полости). Выбор системы резко влияет на тепловые характеристики фасада, стоимость и требования к техническому обслуживанию. В тропическом климате, например, герметичная полость может улавливать тепло и вызывать перегрев, в то время как в холодном климате та же полос
Ключевые преимущества двухкожных фасадов в небоскребах
1.Высшая энергетическая эффективность посредством пассивного контроля
Основным преимуществом фасада с двойной кожей является его способность уменьшать зависимость здания от механического нагрева, охлаждения и вентиляции. Летом внешняя кожа поглощает солнечное излучение и вентилирует нагретый воздух вверх через естественный эффект стека, в то время как внутренняя кожа остается относительно прохладной. Зимой полость может быть запечатана для создания тепловой буферной зоны, уменьшая потери тепла на 40-50% по сравнению с одноглазурной занавесной стеной. Например, башня Коммерцбанка во Франкфурте (1997) использует вентилируемый фасад с двойной кожей, который в сочетании с его зимним садом небо-атриа, сокращает потребление энергии для отопления примерно на 30% по сравнению с обычной стеклянной башней. Аналогично, Геркин [[FLT: 2]] (30 St Mary Axe) в Лондоне использует триангуляционную систему с двойной кожей, которая извлекает теплый воздух из здания через полость летом, значительно сокращая нагрузки на кондиционирование. Эти реальные проекты демонстрируют, что при правильном проектировании DSF могут достигать показателей интенсивности использования энергии (EUI) значительно
2.Улучшение теплового комфорта без шашек
В однокожных стеклянных башнях разница температур между поверхностью окна и воздухом помещения создает неудобную радиационную асимметрию и холодные осадки зимой. Фасад двойной кожи смягчает это, поскольку температура внутренней поверхности стекла остается в пределах нескольких градусов от комнатной температуры, даже когда температура наружного стекла опускается ниже нуля. Жильцы могут сидеть ближе к окнам без дискомфорта, позволяя использовать напольные плиты более эффективно. Летом моторизованные жалюзи, размещенные внутри полости, перехватывают солнечное излучение, прежде чем оно достигнет внутренней кожи, снижая лучистую температуру внутренних поверхностей. Результатом является более стабильный климат в помещении, который требует менее активного кондиционирования, что, в свою очередь, снижает пиковые нагрузки охлаждения и размер завода чиллера.
3. Высокопроизводительная звукоизоляция
Городские небоскребы часто подвергаются воздействию шума движения, сирен и активности на уровне улиц. Фасад с двойной кожей с воздушным зазором 200-800 мм может достигать рейтингов класса передачи звука (STC) 45-55, в то время как один ламинированный стеклянный блок обычно достигает максимума около 35-40. Зазор действует как система масс-весенней массы: две стеклянные панели отделены воздушной полостью, и звуковая энергия должна проходить через оба слоя и полость, которая поглощает и рассеивает акустическую энергию. Это особенно полезно для зданий вблизи аэропортов, автомагистралей или плотных коммерческих районов. Европейская штаб-квартира Bloomberg в Лондоне использовала специально разработанный фасад с двойной кожей для достижения исключительной акустической изоляции без ущерба для прозрачности.
4. Естественная вентиляция и качество воздуха в помещении
Одной из наиболее привлекательных особенностей хорошо спроектированного DSF является возможность открывать окна даже на верхних этажах, где скорость ветра высока. Наружная кожа действует как ветровая вспышка, позволяя открывать внутренние операбельные окна без опасных порывов или чрезмерного шума. Это позволяет естественную или гибридную вентиляцию в небоскребах, которые в противном случае были бы герметизированы и полностью кондиционированы. Пост-башня в Бонне (2002) использует фасад с двойной кожей с автоматическими вентиляционными отверстиями в нижней и верхней части полости; пассажиры могут открывать внутренние окна вручную, чтобы протянуть свежий воздух через полость, уменьшая механическую энергию вентиляции до 40%. Улучшенное качество воздуха в помещении от естественной вентиляции было связано с более высокой когнитивной функцией и более низким синдромом больничного здания, что делает DSF привлекательными для офисных башен, где производительность имеет значение.
5. Архитектурное выражение и гибкость
Помимо производительности, фасады с двойной кожей предлагают эстетическую и дизайнерскую свободу. Внешний слой может быть сделан из стекла, перфорированного металла, фольги ETFE или других материалов, а полость может включать в себя динамические затеняющие устройства, фотоэлектрические жалюзи или даже растительную жизнь. Глубина полости также позволяет интегрировать дорожки технического обслуживания или роботизированные системы очистки. Эта гибкость позволяет архитекторам создавать высоко узнаваемые, конические или скрученные формы, которые были бы структурно сложными с одной кожей. Башни Аль-Бахра в Абу-Даби используют динамический фасад с двойной кожей, состоящий из подвижных затеняющих панелей, которые разворачиваются в ответ на солнце, уменьшая солнечный прирост на 50% при создании культового кинетического рисунка. Такие примеры показывают, что DSF могут стать самой отличительной визуальной особенностью небоскреба, активно улучшая его производительность.
Значительные проблемы и соображения дизайна
1. Высокие первоначальные капитальные затраты
Наиболее часто упоминаемый барьер для принятия фасадов с двойной кожей - это стоимость. Типичная система DSF может стоить на 50-100% больше на квадратный метр, чем обычная унифицированная занавесная стена. Наружная кожа требует дополнительных структурных опор, полости требуют дренажа, огнегасителей и контроля вентиляции, и вся сборка должна быть спроектирована для ветровых нагрузок и теплового расширения. Для 50-этажной башни добавленная стоимость фасада может достигать десятков миллионов долларов. Однако анализ стоимости жизненного цикла часто показывает периоды окупаемости 5-15 лет за счет экономии энергии, уменьшенного размера установки HVAC и более длительного срока службы здания. Тем не менее, первоначальные бюджетные ограничения часто заставляют разработчиков выбирать более дешевые, менее эффективные альтернативы, особенно на рынках, где энергия дешева или арендаторы не обязаны оплачивать коммунальные платежи.
2. Сложность технического обслуживания и очистки
Поддержание фасада с двойной кожей по своей сути более трудоемко, чем система с одной кожей. Полость должна быть чистой для поддержания прозрачности и предотвращения накопления пыли, что может уменьшить проникновение дневного света и контроль солнечного тепла. Доступ к полости для очистки обычно требует либо выдвижных систем лесов, интегрированных колыбелей, либо роботизированных чистящих средств. Во многих конструкциях с двумя башнями в полость встроена дорожка технического обслуживания, но это добавляет вес и стоимость. Швейцарское здание Re Building (Gherkin) использует автоматизированную систему очистки, которая едет по рельсам внутри полости, но такие механизмы требуют регулярного обслуживания. Если очистка игнорируется, оптическое качество фасада ухудшается, а свойства изоляции могут быть скомпрометированы. Владельцы зданий должны бюджетировать более высокие расходы на уборку и потенциальное время простоя для обслуживания оборудования.
3. Управление конденсацией и влажностью
Конденсация в полости представляет собой постоянный риск, особенно в холодном климате, где температура наружного стекла падает ниже точки росы воздуха в полости. Если полость запечатана и не осушена должным образом, влага может накапливаться на внутренней поверхности наружного стекла, что приводит к стоку воды, окрашиванию и потенциально росту плесени. Даже в вентилируемых полости естественный эффект стека может тянуть влажный наружный воздух, который конденсируется на холодных поверхностях. Чтобы смягчить это, дизайнеры должны включить соответствующие дренажные плачи, нагревательные элементы или системы осушителя. Manitoba Hydro Place в Виннипеге преодолел проблемы конденсации с использованием вентилируемой полости с контролируемым воздухозаборником и выхлопом в сочетании с высокопроизводительными низко-э покрытиями на внутренней поверхности наружного стекла. Тем не менее, отказы конденсации в ранних установках DSF привели к судебным разбирательствам и репутационному ущербу, поэтому строго
4. Структурная погрузка и пожарная безопасность
Дополнительный вес наружной стеклянной кожи, ее структурного подрамника и любых внутренних затеняющих устройств может добавить 30-50% к мертвой нагрузке фасада. Это требует более сильной первичной структуры, более глубоких фундаментов и, возможно, большего количества колонн, что может уменьшить пригодную для использования площадь пола. В сейсмических зонах фасад должен быть спроектирован для размещения межэтажного дрейфа без разрушения или помех. Пожарная безопасность является еще одной критической проблемой: пожарная безопасность может действовать как дымоход, распространяя дым и огонь между этажами, если не разделены. Строительные коды во многих юрисдикциях требуют остановки огня на каждом уровне пола, как правило, с использованием объемных уплотнений, металлических пластин или стекла с огневой целостностью. Башни Deutsche Bank во Франкфурте, как известно, должны были модернизировать дополнительные барьеры для огня полости после пожара 2006 года. Эти структурные и противопожарные меры увеличивают затраты и сложность конструкции.
5. Риск перегрева и нежелательного энергетического баланса
Если вентиляция полости не правильно рассчитана, или если внешнее стекло имеет высокий коэффициент усиления солнечного тепла (SHGC), пространство между шкурами может стать солнечной печью, передающей тепло внутрь, а не блокирующей его. Это особая проблема для фасадов, обращенных к югу, в теплом климате. Некоторые установки DSF фактически увеличили охлаждающие нагрузки, потому что температура воздуха полости поднимается выше 60°C, а внутренняя кожа - даже с низкими слоями - проводит тепло в здание. Решение требует тщательного моделирования CFD (вычислительная динамика жидкости) для оптимизации глубины полости, размеров входа и выхода и стеклянных покрытий. Активные фасады с вентиляцией по требованию или материалами фазового изменения могут помочь, но они вводят дополнительную механическую сложность и потребление энергии для вентиляторов и контроллеров.
Лучшие практики и новые тенденции
Интегрированный дизайн и моделирование
Успешные проекты DSF начинаются с высокосовместимого процесса проектирования с участием инженеров по фасадам, инженеров-механиков и архитекторов с самых ранних стадий. Информационное моделирование зданий (BIM) и инструменты моделирования энергии (такие как EnergyPlus, IES VE или WUFI) позволяют командам моделировать теплообмен, воздушный поток, риск конденсации и производительность при дневном свете итеративно. Проектные команды, которые пропускают этот шаг, часто сталкиваются с дорогостоящими редизайнами или сбоями производительности позже. Например, здание New York Times Building первоначально страдало от проблем перегрева в его полости с двойной кожей, потому что затеняющие жалюзи не были эффективно интегрированы с контролем вентиляции полости; последующие модификации улучшили производительность, но за значительный счет.
Адаптивные и умные фасады
Следующее поколение DSFs включает в себя датчики, приводы и машинное обучение для активного управления полостью. Моторизованные жалюзи, которые приспосабливаются к углам солнца, автоматические амортизаторы, которые открываются и закрываются в зависимости от температуры и ветра, и даже электрохромное стекло во внешней коже становятся все более распространенными. Эти умные фасады могут оптимизировать энергетические характеристики в режиме реального времени, но их алгоритмы управления должны быть надежными, чтобы избежать противоречивых действий (например, жалюзи, в то время как вентиляционные отверстия открыты зимой). Башня CapitaSpring в Сингапуре использует высокоавтоматизированный гибридный фасад с заполненными растениями садами неба, которые интегрируют естественную вентиляцию в ядро здания, уменьшая общее потребление энергии более чем на 20% по сравнению со стандартной стеной занавеса.
Стратегии снижения затрат
Для того чтобы сделать DSF более экономичными, дизайнеры изучают модульные сборные панели, которые включают в себя как кожу, так и структуру полости, уменьшая труд на месте. Некоторые системы используют более простой подход «коробка-окно», где отдельные оконные блоки остеклены двойным стеклом с внешним слоем стекла, которое покрывает только оконную зону, избегая непрерывной наружной кожи по муллионам. Это уменьшает материал и вес. Кроме того, использование высокопроизводительных трехстекленных внутренних блоков может позволить внешней коже быть простым однопанельным закаленным стеклом с минимальным обрамлением, снижая стоимость при сохранении производительности.
Вывод: система с высокой наградой, требующая экспертизы
Двухкожие фасады предлагают неоспоримые преимущества для небоскребов: более глубокая экономия энергии, улучшенный комфорт жильцов, превосходная акустика и поразительные архитектурные возможности. Тем не менее, эти преимущества не являются автоматическими. Они требуют строгого адаптивного к климату дизайна, детального структурного и пожарного проектирования, значительных первоначальных инвестиций и долгосрочного плана обслуживания. Для проектов с сильным мандатом на устойчивость, горизонтом окупаемости пациентов и командой, имеющей опыт в проектировании фасадов, фасад с двойной кожей остается одной из самых эффективных доступных технологий. Поскольку строительные коды ужесточаются и толчок к увеличению чистой энергии, DSF, вероятно, станут более распространенными в высотных зданиях по всему миру - но только тогда, когда владельцы и дизайнеры полностью признают и решают проблемы, описанные выше. Те, кто это делает, могут ожидать фасады, которые выполняют, вдохновляют и терпят десятилетиями.
Читать далее: