Архитектурное стекло — это стекло, которое используется в качестве строительного материала . Чаще всего его используют в качестве прозрачного материала для остекления в ограждающих конструкциях зданий , включая окна во внешних стенах. Стекло также используется для внутренних перегородок и в качестве архитектурного элемента. При использовании в зданиях стекло часто относится к безопасному типу , включающему армированные, закаленные и многослойные стекла.
Литье стекла — это процесс, при котором стеклянные предметы отливаются путем направления расплавленного стекла в форму , где оно затвердевает. Эта техника использовалась со времен Египта . Современное литое стекло формируется различными процессами, такими как литье в печи или литье в песчаные, графитовые или металлические формы. Окна из литого стекла , хотя и с плохими оптическими качествами, начали появляться в самых важных зданиях Рима и самых роскошных виллах Геркуланума и Помпеи. [10]
Одним из самых ранних методов изготовления стеклянных окон был метод кронгласа . Горячее выдувное стекло разрезалось напротив трубы, затем быстро вращалось на столе, прежде чем оно могло остыть. Центробежная сила формировала горячий стеклянный шар в круглый плоский лист. Затем лист отламывался от трубы и обрезался, чтобы сформировать прямоугольное окно, которое вставлялось в раму.
В центре куска кронового стекла оставался толстый остаток горлышка исходной выдувной бутылки, отсюда и название «яблочко». Оптические искажения, создаваемые «яблочком», можно было уменьшить путем шлифования стекла. Развитие окон с решетчатыми подгузниками отчасти было связано с тем, что три правильных ромбовидных стекла можно было легко вырезать из куска кронового стекла с минимальными отходами и минимальными искажениями.
Этот метод производства плоских стеклянных панелей был очень дорогим и не мог использоваться для изготовления больших панелей. В XIX веке его заменили процессы цилиндра, листа и прокатной пластины, но он до сих пор используется в традиционном строительстве и реставрации.
В этом производственном процессе стекло выдувается в цилиндрическую железную форму. Концы отрезаются, и делается надрез по боковой стороне цилиндра. Затем отрезанный цилиндр помещается в печь, где он раскатывается в плоские стеклянные листы.
Листовое тянутое стекло изготавливалось путем погружения лидера в ванну с расплавленным стеклом, а затем вытягивания этого лидера прямо вверх, в то время как пленка стекла затвердевала только что из ванны — это известно как процесс Фурко . Эту пленку или ленту непрерывно вытягивали вверх, удерживая тракторами по обоим краям, пока она охлаждалась. Примерно через 12 метров ее отрезали от вертикальной ленты и наклоняли вниз для дальнейшей резки. Это стекло прозрачное, но имеет колебания толщины из-за небольших изменений температуры сразу после ванны, когда оно затвердевало. Эти колебания вызывают линии небольших искажений. Это стекло все еще можно увидеть в старых домах. Флоат-стекло заменило этот процесс.
Ирвинг Уайтман Колберн независимо разработал аналогичный метод. Он начал экспериментировать с методом в 1899 году и начал производство в 1906 году. Он обанкротился, но был куплен Майклом Джозефом Оуэнсом . Поскольку метод был несовершенным, они продолжали совершенствовать его до 1916 года, когда они почувствовали, что он идеален, и открыли стекольный завод на основе этой технологии годом позже. [11]
В 1838 году Джеймс Хартли получил патент на патентованную прокатную пластину Хартли, изготовленную по новой технологии литья стекла. Стекло извлекается из печи в больших железных ковшах, которые перемещаются на стропах, работающих на верхних рельсах; из ковша стекло выбрасывается на чугунное основание прокатного стола; и прокатывается в лист железным роликом, процесс аналогичен тому, который используется при изготовлении листового стекла, но в меньших масштабах. Лист, прокатанный таким образом, грубо обрезается, пока он горячий и мягкий, чтобы удалить те части стекла, которые были испорчены непосредственным контактом с ковшом, и лист, все еще мягкий, вталкивается в открытую горловину туннеля для отжига или печи с контролируемой температурой, называемой лер , по которой он перемещается системой роликов.
Процесс полированного листового стекла начинается с листового или прокатного листового стекла. Это стекло имеет неточные размеры и часто создает визуальные искажения. Эти грубые стекла шлифовались до плоского состояния, а затем полировались до прозрачности. Это был довольно дорогой процесс.
До появления флоат-процесса зеркала изготавливались из листового стекла, поскольку листовое стекло давало визуальные искажения, схожие с теми, которые можно увидеть в зеркалах в парках развлечений или на ярмарках.
В 1918 году бельгийский инженер Эмиль Бишеру усовершенствовал производство листового стекла, заливая расплавленное стекло между двумя валками, что привело к более равномерной толщине и меньшему количеству волнистости, а также уменьшило необходимость шлифовки и полировки. Этот процесс был еще больше усовершенствован в США. [12]
Сложные узоры, которые можно обнаружить на фигурном (или «соборном») прокатном стекле , производятся аналогично процессу прокатного листового стекла, за исключением того, что пластина отливается между двумя валками, один из которых несет узор. Иногда узор может быть нанесен на оба валка. Узор отпечатывается на листе печатным валиком, который опускается на стекло, когда оно покидает основные валки, пока оно еще мягкое. Это стекло показывает узор в высоком рельефе. Затем стекло отжигается в лере .
Стекло, используемое для этой цели, обычно имеет более белый цвет, чем прозрачное стекло, используемое для других целей.
Только некоторые из узорчатых стекол могут быть закалены, в зависимости от глубины тисненого рисунка. Одинарное прокатанное узорчатое стекло, где рисунок отпечатан только на одной поверхности, может быть ламинировано для получения безопасного стекла. Гораздо менее распространенное «двойное прокатанное узорчатое стекло», где рисунок отпечатан на обеих поверхностях, не может быть превращено в безопасное стекло, но уже будет толще средней узорчатой пластины для размещения обеих узорчатых сторон. Окончательная толщина зависит от отпечатанного дизайна.
Девяносто процентов мирового плоского стекла производится методом флоат -стекла [ требуется ссылка ], изобретенным в 1950-х годах сэром Аластером Пилкингтоном из Pilkington Glass , при котором расплавленное стекло выливается на один конец ванны с расплавленным оловом . Стекло плавает на олове и выравнивается по мере того, как оно растекается по ванне, придавая гладкую поверхность с обеих сторон. Стекло охлаждается и медленно затвердевает, перемещаясь по расплавленному олову и покидая ванну с оловом непрерывной лентой. Затем стекло отжигается путем охлаждения в печи, называемой лер . Готовое изделие имеет почти идеальные параллельные поверхности.
Сторона стекла, которая контактировала с оловом, имеет очень небольшое количество олова, встроенного в ее поверхность. Это качество позволяет легче наносить покрытие на эту сторону стекла, чтобы превратить ее в зеркало, однако эта сторона также мягче и легче царапается.
Стекло производится в стандартных метрических толщинах 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 и 25 мм, причем 10 мм является самым популярным размером в архитектурной отрасли. Расплавленное стекло, плавающее на олове в атмосфере азота/водорода, растечется до толщины около 6 мм и остановится из-за поверхностного натяжения . Более тонкое стекло изготавливается путем растяжения стекла, пока оно плавает на олове и остывает. Аналогично, более толстое стекло отодвигается и не расширяется по мере остывания на олове.
Закаленное (или отпущенное) стекло изготавливается из стандартного флоат-стекла для создания ударопрочного, безопасного стекла. Разбитое флоат-стекло дает острые, опасные осколки. Процесс закалки создает напряжение между внутренними и внешними поверхностями для повышения его прочности и гарантирует, что в случае поломки стекло разобьется на маленькие, безвредные кусочки стекла. Разрезанные стеклянные панели помещаются в закалочную печь. Здесь стеклянные панели нагреваются до температуры свыше 600 градусов по Цельсию, а затем поверхности быстро охлаждаются холодным воздухом. Это создает растягивающие напряжения на поверхности стекла с более теплыми внутренними частицами стекла. По мере охлаждения верхняя толщина стекла сжимается и заставляет соответствующие стеклянные элементы сжиматься, создавая напряжения в стеклянной панели и увеличивая прочность. [13]
Призматическое стекло — это архитектурное стекло, которое преломляет свет. Оно часто использовалось на рубеже 20-го века для обеспечения естественным светом подземных помещений и областей, удаленных от окон. [14] Призматическое стекло можно найти на тротуарах, где оно известно как освещение сводов , [15] в окнах, перегородках и навесах, где оно известно как призматическая плитка , и как палубные призмы , которые использовались для освещения пространств под палубой на парусных судах. Оно могло быть богато украшено; Фрэнк Ллойд Райт создал более сорока различных дизайнов для призматической плитки. [16] Современное архитектурное призматическое освещение обычно выполняется с помощью пластиковой пленки, нанесенной на обычное оконное стекло. [17]
Стеклянный блок, также известный как стеклянный кирпич, является архитектурным элементом, изготовленным из стекла , используемым в местах, где требуется конфиденциальность или визуальное затемнение, при этом пропуская свет, например, подземные парковки, туалеты и муниципальные бассейны. Стеклянный блок был первоначально разработан в начале 1900-х годов для обеспечения естественного освещения на промышленных заводах .
Отожженное стекло — это стекло без внутренних напряжений, вызванных термической обработкой, т. е. быстрым охлаждением, или закалкой или термическим упрочнением. Стекло становится отожженным, если его нагревают выше точки перехода, а затем дают ему медленно остыть, не подвергая закалке. Флоат-стекло отжигают в процессе производства. Однако большинство закаленных стекол изготавливают из флоат-стекла, которое было специально подвергнуто термической обработке.
Отожженное стекло разбивается на большие острые осколки, которые могут нанести серьезные травмы и считаются опасными в архитектурных применениях. Строительные нормы во многих частях мира ограничивают использование отожженного стекла в местах, где существует высокий риск поломки и получения травм , например, в ванных комнатах , дверных панелях, пожарных выходах и на небольшой высоте в школах или жилых домах. В этих местах необходимо использовать безопасное стекло , например, ламинированное или закаленное, чтобы снизить риск получения травм.
Ламинированное стекло изготавливается путем склеивания двух или более слоев стекла вместе с промежуточным слоем, таким как ПВБ , под воздействием тепла и давления, чтобы создать единый лист стекла. При разрушении промежуточный слой удерживает слои стекла связанными и не дает ему развалиться. Промежуточный слой также может придать стеклу более высокий уровень звукоизоляции .
Существует несколько типов многослойных стекол, изготавливаемых с использованием различных типов стекла и промежуточных слоев, которые при разрушении дают разные результаты.
Ламинированное стекло, которое состоит из отожженного стекла, обычно используется, когда безопасность имеет значение, но закалка невозможна. Ветровые стекла обычно представляют собой ламинированные стекла. При разрушении слой ПВБ не дает стеклу рассыпаться, создавая рисунок трещин в виде «паутины».
Закаленное ламинированное стекло разработано так, чтобы разбиваться на мелкие осколки, предотвращая возможные травмы. Когда оба куска стекла разбиваются, возникает эффект «мокрого одеяла», и оно выпадает из проема.
Упрочненное термообработкой ламинированное стекло прочнее отожженного, но не такое прочное, как закаленное. Его часто используют там, где важна безопасность. У него более крупный рисунок разлома, чем у закаленного, но поскольку оно сохраняет свою форму (в отличие от эффекта «мокрого одеяла» закаленного ламинированного стекла), оно остается в проеме и может выдерживать большую силу в течение более длительного периода времени, что значительно затрудняет прохождение.
Ламинированное стекло имеет схожие свойства с баллистическим стеклом , но их не следует путать. Оба изготавливаются с использованием промежуточного слоя ПВБ, но имеют кардинально разную прочность на разрыв. Баллистическое стекло и ламинированное стекло оцениваются по разным стандартам и имеют разную картину разрушения. [18]
Термоупрочненное стекло, или закаленное стекло, — это стекло, которое было подвергнуто термообработке для создания поверхностного сжатия, но не до такой степени, чтобы оно «трескалось» при разбивании, как закаленное стекло. При разбивании термоупрочненное стекло распадается на острые осколки, которые обычно несколько меньше, чем те, которые встречаются при разбивании отожженного стекла, и по прочности занимает промежуточное положение между отожженным и закаленным стеклом.
Закаленное стекло может выдержать сильный прямой удар без разрушения, но имеет слабую кромку. Если просто постучать по кромке закаленного стекла твердым предметом, можно разбить весь лист.
Химически упрочненное стекло — это тип стекла с повышенной прочностью. При разрушении оно все равно распадается на длинные острые осколки, похожие на флоат-стекло (отожженное). По этой причине оно не считается безопасным стеклом и должно быть ламинировано, если требуется безопасное стекло. Химически упрочненное стекло обычно в шесть-восемь раз прочнее отожженного стекла.
Стекло химически упрочняется путем погружения стекла в ванну, содержащую соль калия (обычно нитрат калия) при температуре 450 °C (842 °F). Это приводит к тому, что ионы натрия на поверхности стекла заменяются ионами калия из раствора ванны.
В отличие от закаленного стекла, химически упрочненное стекло может быть разрезано после упрочнения, но теряет свою дополнительную прочность в области около 20 мм от среза. Аналогично, когда поверхность химически упрочненного стекла глубоко царапается, эта область теряет свою дополнительную прочность.
Химически упрочненное стекло использовалось в фонарях некоторых истребителей .
Стекло, покрытое веществом с низкой излучательной способностью, может отражать лучистую инфракрасную энергию, способствуя тому, чтобы лучистое тепло оставалось на той же стороне стекла, с которой оно исходило, при этом пропуская видимый свет. Это часто приводит к более эффективным окнам, поскольку лучистое тепло, исходящее из помещения зимой, отражается обратно внутрь, в то время как инфракрасное тепловое излучение от солнца летом отражается, сохраняя прохладу внутри.
Электрообогреваемое стекло — сравнительно новый продукт, который помогает находить решения при проектировании зданий и транспортных средств. Идея обогреваемого стекла основана на использовании энергоэффективного низкоэмиссионного стекла, которое обычно представляет собой простое силикатное стекло со специальным покрытием из оксидов металлов . Обогреваемое стекло может использоваться во всех видах стандартных систем остекления , изготовленных из дерева, пластика, алюминия или стали.
Недавняя (2001 Pilkington Glass) инновация — так называемое самоочищающееся стекло , предназначенное для строительства, автомобилестроения и других технических применений. Нанометровое покрытие диоксидом титана на внешней поверхности стекла представляет два механизма, которые приводят к свойству самоочищения. Первый — фотокаталитический эффект, при котором ультрафиолетовые лучи катализируют распад органических соединений на поверхности окна; второй — гидрофильный эффект, при котором вода притягивается к поверхности стекла, образуя тонкую пленку, которая смывает распавшиеся органические соединения.
Изоляционное стекло, или двойное остекление, состоит из элемента окна или остекления из двух или более слоев остекления, разделенных прокладкой по краю и герметизированных для создания мертвого воздушного пространства между слоями. Этот тип остекления выполняет функции теплоизоляции и шумоподавления . Когда пространство заполнено инертным газом, оно является частью энергосберегающего устойчивого архитектурного дизайна для зданий с низким потреблением энергии .
Инновацией 1994 года для изоляционного остекления стало вакуумное стекло, которое пока производится в промышленных масштабах только в Японии и Китае. [19] Чрезвычайная тонкость вакуумного остекления открывает множество новых архитектурных возможностей, особенно в области сохранения зданий и исторической архитектуры, где вакуумное остекление может заменить традиционное одинарное остекление, которое гораздо менее энергоэффективно.
Вакуумный стеклопакет изготавливается путем герметизации краев двух листов стекла, как правило, с помощью паяного стекла, и вакуумирования пространства внутри вакуумным насосом. Вакуумированное пространство между двумя листами может быть очень мелким и при этом быть хорошим изолятором, что позволяет получить изоляционное оконное стекло с номинальной толщиной всего 6 мм. Причины такой малой толщины обманчиво сложны, но потенциальная изоляция хороша по сути, потому что в вакууме не может быть конвекции или газопроводимости.
К сожалению, вакуумное остекление имеет некоторые недостатки; его производство сложное и трудное. Например, необходимым этапом в производстве вакуумного остекления является дегазация ; то есть нагревание для высвобождения любых газов, адсорбированных на внутренних поверхностях, которые в противном случае могли бы позже вырваться и разрушить вакуум. Этот процесс нагрева в настоящее время означает, что вакуумное остекление не может быть закалено или упрочнено термообработкой. Если требуется вакуумное безопасное стекло, стекло должно быть ламинированным. Высокие температуры, необходимые для дегазации, также имеют тенденцию разрушать высокоэффективные «мягкие» низкоэмиссионные покрытия, которые часто наносятся на одну или обе внутренние поверхности (т. е. те, которые обращены к воздушному зазору) других форм современного изоляционного остекления, чтобы предотвратить потерю тепла через инфракрасное излучение. Однако немного менее эффективные «твердые» покрытия все еще подходят для вакуумного остекления.
Кроме того, из-за атмосферного давления, присутствующего снаружи вакуумированного стеклопакета, его два стеклянных листа должны каким-то образом удерживаться врозь, чтобы предотвратить их сгибание и соприкосновение друг с другом, что свело бы на нет цель эвакуации блока. Задача удержания стекол врозь выполняется сеткой дистанционных рамок, которые обычно состоят из небольших дисков из нержавеющей стали, которые размещаются на расстоянии около 20 мм друг от друга. Дистанционные рамки достаточно малы, чтобы их было видно только на очень близком расстоянии, обычно до 1 м. Однако тот факт, что дистанционные рамки будут проводить некоторое количество тепла, часто приводит в холодную погоду к образованию временных сетчатых узоров на поверхности вакуумированного окна, состоящих либо из небольших кругов внутреннего конденсата, сосредоточенных вокруг дистанционных рамок, где стекло немного холоднее среднего, либо, когда снаружи есть роса, небольших кругов на внешней поверхности стекла, в которых роса отсутствует, потому что дистанционные рамки делают стекло рядом с ними немного теплее.
Теплопроводность между стеклами, вызванная дистанционными рамками, имеет тенденцию ограничивать общую изоляционную эффективность вакуумного остекления. Тем не менее, вакуумное остекление по-прежнему имеет такую же изоляционную способность, как и более толстые обычные двойные стекла, и имеет тенденцию быть прочнее, поскольку два составных листа стекла прижимаются друг к другу атмосферой и, следовательно, реагируют практически как один толстый лист на изгибающие силы. Вакуумное остекление также обеспечивает очень хорошую звукоизоляцию по сравнению с другими популярными типами оконного остекления.
Один из типов стекла для снижения тепла использует радиационное охлаждение. Это стекло включает в себя слой прозрачного радиационного охладителя (TRC) толщиной 1,2 микрона из кремния , оксида алюминия и оксида титана на стекле, покрытом полимером для контактных линз . Слой пропускает только видимый свет , сокращая расходы на охлаждение зданий на треть. Разработчики использовали машинное обучение и квантовые вычисления для быстрого тестирования моделей и определения лучшей альтернативы. [20]
Самым последним строительным кодексом, применяемым в большинстве юрисдикций в Соединенных Штатах, является Международный строительный кодекс 2006 года (IBC, 2006). Ссылки IBC 2006 года на издание 2005 года стандарта Минимальные проектные нагрузки для зданий и других сооружений, подготовленные Американским обществом инженеров-строителей (ASCE, 2005) для его сейсмических положений. ASCE 7-05 содержит особые требования к неструктурным компонентам, включая требования к архитектурному стеклу. [21]
При неправильном проектировании вогнутые поверхности с большим количеством стекла могут действовать как солнечные концентраторы в зависимости от угла падения солнца, что может привести к травмам людей и повреждению имущества. [22]
