В статье продемонстрирована актуальность использования светопрозрачных конструкций при архитектурном оформлении наземных и подземных сооружений. Подчеркивается, что использование светопрозрачных материалов вместо непрозрачных (армоцементных, металлических) водоотводящих зонтов при архитектурном оформлении подземных сооружений метрополитена позволит оптимизировать проведение визуальных осмотров несущих конструкций в процессе их содержания. Использование «умных» материалов с регулируемой прозрачностью и прозрачных сенсорных панелей позволит «настраивать» архитектурное оформление сооружений метрополитена, транслировать актуальную информацию для пассажиров. Проведен краткий обзор опыта использования светопрозрачных материалов в наземных сооружениях в России и мире, рассмотрены перспективы и ограничения реализации исследуемой идеи для подземных сооружений.

Пространственные конструкции

Сегодня архитекторы и инженеры многих стран мира ломают стереотипы формы и композиции, изобретают новые конструкции, экспериментируют с материалами. Современный архитектурный шедевр все чаще принимает весьма замысловатую криволинейную форму. Одним из способов создания нелинейных очертаний является использование покрытий на основе сетчатых оболочек. Оболочкой называют покрытие, представляющее собой тонкостенную пространственную криволинейную конструкцию, которая, в отличие от плоскостной конструкции, способна воспринимать нагрузку в обоих направлениях. Это позволяет добиться восприятия аналогичных усилий при меньших затратах материала, а следовательно, сократить расходы на строительство. Оболочковая конструкция позволяет перекрывать значительные площади без создания внутренних дополнительных опор, что увеличивает полезную площадь, а значит и активную часть сооружений. Развитие пространственных конструкций в целом значительно определяет развитие современной строительной отрасли. Особенности пространственных конструкций позволяют не только достичь необходимой формы сооружения, но и дают возможность использовать различные типы материалов и их сочетания. Это способствует достижению как функциональных, так и эстетических целей. появляется возможность создания прозрачных форм, что физически и психологически облегчает конструкцию, дает чувство единения с внешней средой, и, как следствие, новое сооружение становится представителем устойчивого строительства.

На метрополитене уже более 40 лет используются пространственные конструкции. Так, при разработке проектов станций и вестибюлей четвертого участка Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена было предложено архитектурное решение четырех наземных вестибюлей с перекрытием их пассажирских залов металическими перекрестно-стержневыми пространственными конструкциями с унифицированным модулем. В августе 1981 г. группе ленинградских инженеров за разработку и внедрение пространственных армоцементных конструкций в массовое строительство общественных зданий и сооружений была присуждена премия Совета Министров СССР [1]. Спустя 40 лет идея использования пространственных, в том числе перекрестно-стержневых конструкций, все еще перспективна – пространственные конструкции имеют огромный эстетический эффект, функциональность, экономичность, что в сочетании с возможностью их пространственной работы ведет к поддержанию идеи устойчивого строительства.

Армоцементные водоотводящие (водозащитные) зонты

Из практики метростроения известно [2], что пространственные армоцементные конструкции в виде водоотводящих (водозащитных) зонтов исторически применялись на наклонных ходах и глубоко заложенных станциях для отвода воды, проникающей в тоннели через швы или болтовые соединения сборных элементов станционной обделки; одновременно зонты служат для архитектурного оформления внутренней поверхности станций. Станционные водозащитные зонты выполнены из асбестоцементных листов толщиной 10–12 мм, водонепроницаемость которых обеспечивается покрытием их наружной поверхности горячей битумной мастикой или перхлорвиниловой эмалью. Асбестоцементный зонт состоит из секций, ширина которых равна ширине двух тюбингов чугунной или двух блоков железобетонной обделки; секции размещают по длине станционных тоннелей. Основным недостатком асбестоцементных зонтов является практическая необходимость оштукатуривать их внутреннюю поверхность. На станциях Ленинградского метрополитена широкое применение получили так называемые армоцементные зонты, состоящие из двух полуарок, представляющих собой оболочку двоякой кривизны. Наружная поверхность арок покрыта битумной пленкой, а внутренняя после затирки и заделки швов окрашена. Основным недостатком армоцементных зонтов является их волнообразная (в продольном направлении) поверхность, которая не может быть присуща любому архитектурному оформлению станции в той же мере, как гладкая.

Конструкция зонта, примененная на станциях Московского метрополитена советского периода, представляет собой складчатую ромбическую оболочку из стеклопласта, обладающую достаточной жесткостью. Зонт состоит из картин, образующих секции, закреплен шпильками к продольной стальной полосе, в свою очередь прикрепленной к тюбингам или блокам обделки. После сборки зонта и шпаклевки стыков его внутренняя поверхность покрыта слоем белой эмали. Такой зонт может быть изготовлен из других листовых и рулонных материалов, не подверженных коррозии (дюралюминий, винипласт и др.). Он обладает многими достоинствами, но имеет один недостаток – заранее заданную декоративную поверхность свода, что не позволяет ему стать универсальной конструкцией. В пределах проемной части станций пилонного типа картины зонтов боковых и среднего тоннелей соединяют с картинами зонтов пилонов и проемов и образуют единую водозащитную систему. Вода, стекающая с зонта, отводится по асбестоцементным желобам, которые подвешивают к станционной обделке. Желоба со стороны путевых стен обычно расположены над карнизами. Из желобов вода через воронки попадает в трубки, расположенные в шкафах в путевой стене и в торцах станции, а затем в дренажную систему станции [2]. Водоотводящие зонты на метрополитенах применяются не только для оформления станций – зонты эскалаторных тоннелей выполнены из сборных армоцементных деталей, они монтируются на внутренней поверхности тюбинговой обделки наклонного хода по верхнему полупериметру колец из отдельных элементов. Водоотводящие зонты включают панели из упругих плоских листов, соединенных по длинным сторонам между собой и с несущей конструкцией свода посредством замковых элементов с крепежными приспособлениями. В качестве материалов водоотводящих зонтов используются металл, армоцемент, алюминий, металлопластик и др.

В процессе содержания сооружений метрополитена, водоотводящие зонты подлежат регулярной влажной протирке с целью удаления пыли и грязи. В стыках между картинами армоцементных зонтов вследствие деформаций, появляющихся от вибраций и непостоянного температурного и влажностного режима на станциях, образуются трещины. Появившиеся трещины тщательно очищают, расшивают, проклеивают строительным бинтом (серпянкой) или стеклосеткой, после чего в несколько приёмов шпаклюют, шлифуют и закрашивают водоэмульсионными составами. При наличии водопроявлений выполняются работы по гидроизоляции.

При реконструкциях и капитальных ремонтах устаревшие разрушенные временем асбоцементные водоотводящие зонты заменяются современными, легкими и более надежными конструкциями, выполненными из алюминия, композитного листового материала. Порядок текущего содержания композитных зонтов определяется согласно рекомендациям завода-изготовителя и соответствующей технологической инструкции. В процессе содержания поверхности металлических водоотводящих зонтов по мере необходимости очищают от отставшей краски и продуктов коррозии, а затем окрашивают антикоррозионными декоративными составами. Отдельные коррозирующие элементы алюминиевых водоотводящих зонтов снимают для последующего анодирования или замены на новый элемент.

Одним важным недостатком водоотводящих зонтов, изготовленных из непрозрачных материалов, является то, что доступ к основным несущим конструкциям сооружения перекрыт. Возникает необходимость при визуальном и инструментальном обследовании строительных конструкций наклонных ходов или станций прибегать к частичному или полному вскрытию панелей зонтов для доступа.

Непрозрачные армоцементные, металлические и другие зонты несут потенциальную угрозу, когда сооружения метрополитена (наклонный ход или станция) испытывают деформации (например от нового строительства зданий на поверхности), но специалисты эти деформации зафиксировать не могут из-за отстутствия доступа к конструкциям. Частичные вскрытия зонтов (регламентируемые нормативами) при мониторинговых работах в таких случаях могут быть недостаточными.

Решением может являться идея использования панелей из светопрозрачных материалов, умных материалов с регулируемой прозрачностью и прозрачных сенсорных панелей вместо непрозрачных (армоцементных, металлических) водоотводящих зонтов.

Идея светопрозрачных и «умных» зонтов

Использование в качестве водоотводящих зонтов панелей из светопрозрачных материалов, «умных» материалов с регулируемой прозрачностью и прозрачных сенсорных панелей позволит «настраивать» архитектурное оформление сооружений метрополитена, транслировать важную информацию для пассажиров.

Развитие современных технологий изготовления строительных материалов в сочетании с особенностями конструкции пространственных покрытий позволяет создавать прозрачные формы конструкций для наземных сооружений. С практической точки зрения применение конструкций из современных прозрачных стеклянных и композиционных материалов дает возможность создания легких, прочных конструкций, в которых успешно реализованы принципы энергоэффективности.

Примеры использования прозрачных материалов для назменых сооружений

В качестве примера реализации похожей идеи, но для наземного сооружения, может служить здание аэропорта Чанги в Сингапуре, где была спроектирована металлическая купольная конструкция отрицательной кривизны с вставками из стекла. Данный проект поражает не только масштабами, но и тем, что архитекторы обыграли климатическую особенность этого района Азии, где идут частые дожди и грозы, так, что вся вода собирается в огромную воронку, что позволило создать крупнейший в мире искусственный водопад и подпитывать влагой все растения внутренних джунглей (рис. 1). Это иллюстрирует возможность применения в пространственных оболочковых конструкциях современных светопрозрачных материалов, выдерживающих серьезные влажностные и прочностные нагрузки.

Прототипом применения стеклянной облицовки могут служить оболочки двоякой кривизны на входных павильонах метрополитена, выполняющих несколько функций одновременно:открытие пассажирских спусков, световой фонарь над подземным пространством. Для павильонов метрополитена в разных странах применяются стекла с криволинейными плоскостями. Наиболее яркими примерами можно считать типовой павильон Нормана Фостера, разработанный им для метрополитена Бильбао, Испания (рис. 2), входы на станцию «Канери-Уорф» в Лондоне (рис. 3), павильон на станции «Сен-Лазар» в Париже (рис. 4), на станции «Айон Орчард» в Сингапуре и др.

Использование пространственной оболочки в качестве конструкции покрытия вестибюля станции метро позволяет превратить зачастую скучные и обыденные постройки в архитектурно выразительные. Ограждающая конструкция из металлических профилей с системой прижимных планок и уплотняющих резинок с зажатыми листами из светопрозрачных материалов позволит создать эффект присутствия в оранжерее, зимнем саду (при соответствующем внутреннем оформлении станции), а при использовании крупносегментной сетки разбивки – иллюзию нахождения под открытым небом.

Использование такой конструкции вызывает ряд вопросов, особенно в сфере энергоэффективности, целесообразности, т. к. не каждому региону подойдет данный проект. Разработка подобного варианта вестибюля требует детальной индивидуальной проработки исходя из климатических условий площадки застройки. Но с точки зрения конструкций стоит отметить, что на сегодняшний день промышленности удалось добиться успехов в создании прочных стеклянных и композитных светопрозрачных материалов, обладающих хорошими теплотехническими, звуко- и гидроизоляционными свойствами.

Примеры использования прозрачных конструкций для оформления наземных вестибюлей метрополитенов существуют и в отечественной практике.

Светопрозрачные материалы (в том числе и стекло) применены на вестибюлях Некрасовской и Большой кольцевой линии метрополитена в Москве. Вестибюль станции «Электрозаводская» со входом, выполненным в виде стеклянного портала, сделан полукругом, а из-за планировочных ограничений сзади он отрезан по прямой. В самом вестибюле синий потолок, символизирующий небесный купол, подчеркнут стенами из матового стекла, за которым встроены лампы, создающие ощущение пробивающегося дневного света» [3].

В Санкт-Петербурге на станции «Зенит» («Новокрестовская») организованы световые фонари на кровле подземных вестибюлей. Благодаря системе светоотражающих зеркальных плоскостей организовано естественное освещение подземных залов вестибюлей, а в темное время суток данные светоотражающие конструкции, установленные в наземных световых фонарях, отражают свет прожекторов, являясь частью системы искуственного освещения.

Примеры использования светопрозрачных материалов для подземных сооружений

Универсальность применения пространственных конструкций дает возможность использования их при строительстве метрополитена, причем как для наземных конструкций (вестибюлей, входов), так и для подземных (водоотводящие зонты станций, эскалаторных тоннелей и др.). Важной архитектурной предпосылкой для внедрения светопрозрачной облицовки является идея демонстрации тектоники несущих конструкций метрополитена – композиции тюбинговой обделки. Узлы сопряжения сборных элементов, массивные железобетонные и чугунные элементы формируют четкую и ясную конструктивную схему, позволяющую пассажирам чувствовать и понимать работу конструкций крепей подземных выработок. Идея демонстрации несущих конструкций в истории архитектуры имеет сотни направлений и воплощений в разных эпохах и разных стилях: каменная и кирпичная кладка на фасадах и в интерьерах стен и сводов, ажурные металлоконструкции с заклепками в архитектуре конца XIX – начала XX века, открытые бетонные и стальные элементы в современной архитектуре крупномасштабных общественных зданий и мостов.

При кажущейся простоте реализации, данная идея наталкивается на ряд проблем. Во-первых, применение светопрозрачной конструкции в первом приближении означает использование стекла и стеклянных материалов, что в соответствии с действующими нормативными документами в сфере проектирования метрополитена не допускается. Также встает вопрос о противопожарной надежности материала. Таким образом, формулируется проблема выбора материала, удовлетворяющего требованиям эксплуатирующей организации и действующего законодательства. Во-вторых, из заобделочной зоны тюбингов часто просачивается вода – присутствие воды с различными примесями в полностью прозрачной конструкции приведет к образованию подтеков, скапливанию конденсата. Это будет сказываться не только на состоянии конструкции, но и на эстетическом восприятии. Так, ставится вопрос о создании вентилируемой и влагопоглощающей конструкции, а также и о создании специальных водоотводящих каналов в конструкциях, системах очистки панелей с внутренней и наружной стороны. Несмотря на обозначенные проблемы, существуют проекты, в которых реализована идея открытия внутренних элементов конструкций. В Московском метро с 2018 г. эксплуатируется станция «Савёловская» с открытыми тюбингами на путевой стене и в пилонах за стеклянной отделкой (рис. 5).

В Будапеште пилонная станция «Келети пайаудвар» («Восточный вокзал») 1970 г., в которой промежуток между пилонами облицован гнутым стеклом, что позволяет видеть элементы конструкции (рис. 6)

Необходимо дополнительно подчеркнуть, что использование светопрозрачных материалов вместо непрозрачных (армоцементных, металлических) водоотводящих зонтов и облицовки станций полностью по всей поверхности или в местах наиболее ответственных узлов позволяет оптимизировать проведение визуальных осмотров несущих конструкций сооружений в процессе их содержания.

Для дальнейшего развития идеи и ее реализации необходимо решить ряд задач: подобрать такой светопрозрачный материал, который обладал бы удовлетворительными прочностными, энергоэффективными и противопожарными свойствами и который можно было бы применять при строительстве метрополитена.

В гражданском строительстве широкое применение имеет монолитный поликарбонат – материал, внешне ничем не отличающийся от обычного стекла. К достоинствам этого материала, помимо хороших светопропускающих свойств, малого веса, влагостойкости, гибкости, легкости обработки, относятся такие свойства, как сверхвысокая ударопрочность и повышенная тепло- и морозостойкость. Монолитный поликарбонат относится к категории антивандальных прозрачных материалов. Его ударопрочность в 250 раз превышает ударопрочность обычного стекла. Основной недостаток материала – его пожароопасность. Материал токсичен при горении и обладает дымообразованием, поэтому его применение в отделке метрополитенов, особенно на путях эвакуации, не допускается. Возможно, при перспективных модернизациях полимерных материалов будут созданы новые типы изделий, обладающие более высокой степенью пожарной безопасности, и их применение будет востребовано на метрополитене.

Вместе с тем, в рамках данной статьи были приведены примеры успешной реализации проектов с применением стекла, что дает возможность анализа опыта зарубежных коллег. Здание аэропорта Чанги показывает, что стеклянная оболочка способна выдерживать даже штормовые нагрузки, а стеклянные павильоны метро в Бильбао, Лондоне и Париже – возможность и безопасность использования стекла при строительстве сооружений метрополитена.

Перспектива перехода к Smart–технологиям

Еще одним аспектом в развитии идеи использования прозрачных конструкций для облицовки сооружений метрополитена является создание поверхностей с возможностями проекции или трансляции на них изображений и видеоряда. В таком случае в период работы станции на экраны будет передаваться тематическая подборка изображений, возможно, реклама, различные оповещения, направленные на информирование пассажиров, а в нерабочее время – предоставляться доступ к несущим конструкциям с целью визуального мониторинга их состояния. Идея использования сенсорных экранов позволила бы минимизировать негативное влияние обводнённости обделки, но ее реализация требует дополнительных исследований в сфере электротехники. Возможность реализации идеи поддерживает недавно вышедший на рынок прозрачный телевизор, презентованный китайским конгломератом. Тонкая, почти прозрачная конструкция OLED-экрана способна полноценно воспроизводить транслируемое изображение. Основной недостаток такого экрана – большая чувствительность к влаге, что, как уже было отмечено, является насущной проблемой и требует конструктивных решений по созданию соответствующей защиты.

Запущенный в Китае в декабре 2020 г. проект также демонстрирует перспективы дальнейшего развития и модернизации метрополитена будущего. Компания Wabtec (США) в сотрудничестве с метрополитеном Шэньчжэня и китайской компанией CRRC Nanjing Puzhen реализует пилотный проект так называемых умных окон (Smart Windows) на подвижном составе метро [4]. Такое окно представляет собой прозрачный сенсорный дисплей с матрицей из органических светодиодов и тонкопленочных транзисторов, формирующей контрастное изображение высокого разрешения. Пилотный проект согласуется с инициативой администрации Шэньчжэня по цифровизации города и общественного транспорта Smart City Smart Transport.

Актуальным может быть и применение технологий световодов для освещения пространства между стеклянной облицовкой и обделкой, торцевая подсветка стекол, а также использование «умных» стекол на основе электрохромных пленок и стекол smart-glass с регулируемой прозрачностью, когда под воздействием слабого электрического тока по скрытой проводке происходит поляризация микрочастиц и поверхность стекла может изменять свою светопропускную способность.

Выводы

Тенденции современного строительтва дают возможность проектировщикам и архитекторам создавать сооружения, несущие в себе иллюзию легкости, воздушности, невесомости, визуально расширять пространство. Этого эффекта можно добиться в первую очередь при применении светопрозрачных конструкций, особенно в сочетании с использованием параметрических форм конструкций, в частности, сферических, как наиболее органичных. Их применение весьма актуально при строительстве наземных сооружений метрополитенов в России и мире. Также существует возможность применения подобного рода конструкций и при возведении внутренних поверхностей подзменых сооружений метрополитенов, таких как водоотводящие зонты наклонных ходов и станций. И если при проектировании пространственной оболочковой конструкции наземного вестибюля основной является эстетичекая составляющая и возможность организовать естественное освещение пассажирского пространства, то в отношении внутренних поверхностей подземных сооружений на первый план выходит практический аспект – решение проблем невозможности сплошного контроля за физическим состоянием ответственных несущих конструкций и необходимости вскрытия армоцементных и металлических панелей при обследовании и мониторинге. Ячеистая структура с прозрачным заполнением создаст легкодоступность как для визуального, так и для инструментального обследования и контроля состояния обделки. Использование «умных» материалов с регулируемой прозрачностью и прозрачных сенсорных панелей позволит «настраивать» архитектурное оформление подземных сооружений метрополитена, транслировать актуальную информацию для пассажиров.

Реализация представленной концепции требует дополнительных исследований в области строительных материалов, а также более детального анализа примеров проектирования и строительства сооружений с использованием светопрозрачных материалов.

Автор статьи: 

Л. Р. Давиденко, Д. А. Бойцов, К. В. Романевич,
ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Список литературы

1. Архитекторы метро: связь поколений // Вестник. «Зодчий. 21 век». – 2020. N1 (Ян: варь). – С. 32–37.
2. Волков В. П., Наумов С. Н., Пирожкова А. Н., Храпов В. Г. Тоннели и метрополитены. – М., «Транспорт», 1975, – 551 с.
3. Александр Некрасов. Панорамные проемы и огромное панно: оформление станции «Электрозаводская» БКЛ метро. https://stroi.mos.ru/interviews/panoramnyie: proiemy:i:oghromnoie:panno:oformlieniie: stantsii:eliektrozavodskaia:bkl?from=cl.
4. В Китае на метрополитене Шэньчжэня испытывают технологию прозрачных ди: сплеев Smart Windows // Железные дороги мира. – 2020. – N 12 (Декабрь). – С. 17

Статья опубликована в журнале "Метро и тоннели" № 3 2021