Fasády výškových budov

Jedním z rozhodujících prvků novodobé výstavby a architektury jsou fasádní pláště objektů. Jsou součástí budovy a musejí splňovat několik, v mnoha případech i protichůdných funkcí. V rámci tohoto článku se zaměříme na fasádní plášť City Tower v Praze na Pankráci, nejvyšší budovy u nás, a na Burj Dubaj – Burj Chalífa v hlavním městě Spojených arabských emirátů, v současnosti nejvyšší budovy na světě.

Funkce, které musejí splňovat fasádní pláště objektů:

• uzavírat budovu (klimatická bariéra),
• zabezpečovat optický kontakt s vnějším prostředím,
• zajišťovat tepelnou ochranu budovy,
• propouštět denní světlo,
• propouštět sluneční záření (také i pro využití sluneční energie),
• chránit před slunečním zářením (v případě nadměrných tepelných zisků),
• zabezpečovat větrání,
• ochraňovat před hlukem,
• tvoří důležitý, někdy i základní architektonický prvek.

Důležitost těchto aspektů vzrůstá především u výškových budov, a především u těch nejvyšších.

Od těžkých zdí k zavěšeným plášťům
V architektuře a stavitelství je téma obalu budovy možné sledovat už od antiky. Dá se říci, že jsme trvalými svědky dvou názorových poloh. Je to jednak otázka architektonického výrazu odvíjejícího se od jasně patrné tektoniky a přehledné konstrukce, kdy obal – fasáda objektu – je toho podstatnou konsensuální součástí, a jednak otázka fasády jako zcela samostatné, na uvedených hlediscích nezávislé části budovy.

Zhruba do 20. let minulého století byla podstatnou, někdy zcela zásadní součástí konstrukce domu zděná nosná fasáda, jejíž vzhled s okenními otvory byl touto funkcí determinován. Se vznikem a zavedením ocelových nebo železobetonových nosných skeletů se uvedená prvořadá funkce fasády zásadně mění a stává se ­samostatnou, samonosnou konstrukcí nezávislou na vnitřním obsahu či struktuře budovy a spolu s úrovní dnešních mate­riálů i stavební techniky v podstatě s ne­omezenými možnostmi její formy a výrazu.

Protože zejména u výškových budov je základním momentem zajištění jejich stability (odolnosti proti namáhání větrem), což je vždy hospodárnější řešit jinými opatřeními (například tuhými jádry nebo zavětrovacími konstrukcemi) než vlastní hmotností budovy, přešlo se v konstrukcích fasád postupně od těžkých nosných zdí (zděných nosných fasád s okenními otvory) k neseným výplním většinou z lehčeného zdiva (plným parapetům a pásovým oknům) a nakonec (po druhé světové válce) k lehkým sklo-ocelovým zavěšeným plášťům (panelům, roštům).

Tento proces se promítl do stále častějšího používání skla jako základního materiálu pro fasády. Prvořadá vlastnost skla – transparentnost – se tak postupně stala tvůrčí součástí architektonické koncepce budov a získal se tím také mimořádný moment možnosti otevření budovy navenek, kdy vlastní vnitřní struktura budovy je navenek zčásti nebo zcela zřetelná. Tato specifická a pozitivní vlastnost skla má ovšem také svá negativa. Zejména kvůli průhlednosti skla byl v létě problematický přenos tepla ze slunečního záření dovnitř budovy a v zimním období velké tepelné ztráty pláštěm budovy. To vedlo, ruku v ruce s obrovským technickým pokrokem ve výrobě tabulového skla i hliníkových konstrukcí, ke vzniku izolačních dvojskel a skel s různými skladebnými vrstvami (s vnějším pokovením, vnitřním pokovením, odrazovými lepenými či stříkanými fóliemi, nanotechnikou apod..) a v poslední době pak k řešení různých typů dvojitých (klimatických) fasád i systémů stínění včetně integrace fotovoltaiky do fasádních ploch.

U vysokých a velmi vysokých budov se vyvíjely, ověřovaly a stále používají specificky řešené fasádní systémy zohledňující především statické a dynamické chování objektu při namáhání jeho konstrukce větrem (výkyvy) a teplem od nestejnoměrného ozařování sluncem v průběhu dne (kroucení), zvláště pak spolupůsobení obou těchto jevů a v neposlední řadě také bezpečnost (odolnost pláště proti tlaku větru, infiltrace), požární ochrana a bezpečnost osob. Samostatnou oblast, avšak nedílnou součást komplexu problematiky řešení fasád těchto budov, tvoří vlastní realizace na stavbě, zejména jejich doprava a montáž.
Podívejme se, jak se tyto aspekty promítly do řešení konkrétních staveb současnosti.

City Tower
City Tower, se svými 109 metry nejvyšší budova v České republice, vznikla rekonstrukcí nedokončené stavby Československého rozhlasu, která po rozdělení Československa začala být pro Český rozhlas naddimenzovaná. Dnešní podoba City Tower je dílem amerického architekta Richarda Meiera a společnosti SPOJPROJEKT PRAHA – Ateliér Aulický.

Zůstává ve stejné výšce jako původní rozhla­sová budova, má však upravené hmotové proporce (obdélníkový půdorys 79,0 m × 29,6 m, delší strany jsou orientovány na východ a západ); ve prospěch značného odlehčení výrazu se změnilo především její opláštění – dominují prosklené plochy z transparentního skla, zásadně vždy na celou výšku podlaží. Protože fasáda musí kromě jiného odolat namáhání slunečním zářením, větrem a zvládnout i veškeré projevy chování konstrukce budovy, představovalo toto opláštění náročný úkol, který byl ve fázi projektu svěřen specializované firmě TPF, s. r. o., a ve fázi dodávky firmě SIPRAL, a. s. Celý plášť je řešen jako ­soustava prefabrikovaných elementů 3 × 3,75 m zavěšovaných nezávisle na kotvách rektifikovatelných ve třech směrech. Elementy (moduly) jsou zcela prefabrikované a kompletizované fasádní prvky.

Velikost těchto montážních modulů byla stanovena nejen s ohledem na výrobní, manipulační, přepravní a montážní rozměry, ale především s ohledem na možné tolerance a dilatace hrubé stavby nejen užitným zatížením, ale i zatížením větrem. S ohledem na větší průhyby desek a pohyby objektu vlivem zatížení větru byly mezi jednotlivými elementy navrženy hlavní spáry o pohledové šířce 40 mm, aby byly schopny vykrýt dilatace mezi elementy ±20 mm. Příčník vložený do konstrukce většiny elementů zároveň s prosklenou výplní mezi ním a čistou podlahou plní funkci parapetu. V případech, kde jde sklo na celou výšku elementu bez vloženého příčníku, je na propadnutí dimenzováno celé sklo.

Umístění objektu na volném nekrytém prostranství s převažující okolní zástavbou do výšky 20 metrů a nepříznivá orientace vzhledem ke světovým stranám vystavují objekt jeho širší stranou v této oblasti převažujícímu a nepříznivému západnímu proudění větru. Na základě provedených měření a výpočtů byla stanovena maximální síla tlaku a sání na dimenzování nosné konstrukce 2,5 kN/m² a s tím se počítalo při návrhu jednotlivých fasádních konstrukcí, jejich výplní a kotvení. Členění hlavního fasádního rastru je rozděleno na pozice, které se skládají buď z jednoho, nebo dvou zrcadlových montážních elementů. Rozdělení pozic na dvojici elementů bylo provedeno nejen z důvodu manipulace a transportu, ale hlavně z důvodu eliminace úhlu natočení elementů vlivem průhybu stropních desek a roznesení váhy pozice do třech kotevních bodů.

V některých případech s většími deformacemi je kotvení elementů řešeno v jejich středu (takzvaně na ramínko), aby se pod vlivem průhybů nosné konstrukce nenatáčely elementy v rovině skla a nedeformovaly se elementy sousední. Na výškově a hloubkově vyrektifikované kotevní desky jsou zavěšeny jednotlivé elementy. Zavěšení elementů je provedeno jako nadvěšené z důvodu postupného zatěžování nosné konstrukce po výšce objektu a jejímu následnému stlačování. Závěsy elementů byly vybaveny rektifikačními stavěcími šrouby, kterými se nejen částečně vyrovnávaly elementy, ale tyto šrouby umožňovaly i postupné sedání nosné konstrukce.

U systému rámových konstrukcí jsou všechny profily tříkomorové s funkčním přerušením tepelného mostu izolátorem z Polythermidu/Polyamidu 6.6 s redukcí ochlazování interiérové části profilu sáláním. Izolační dvojskla s tloušťkou vnější tabule vesměs 12 mm mají nerezové distanční rámečky a převážná část skel je v bezpečnostním povedení. Všechna ­tvrzená skla mají proveden tzv. heat-soak test (zkouška skla na odolnost proti samoexplozi od pnutí vlivem slunečního záření). Celý objekt je vybaven sprinklerovým zařízením se skrápěním fasád. Fasádní panely se montovaly v třípatrových „vrstvách“; při jednom rohu budovy se instalovalo zdvihací zařízení a odtud se panely vodorovně přepravovaly v závěsu na montážní konzole postupně po obvodě podlaží budovy na místo osazení.

Hlavním záměrem architektonického vzhledu fasádních konstrukcí je provedení se skly bez výrazného zabarvení. Profily, pohledová zakončení a obkladové materiály (zavěšované hliníkové desky o tloušťce 4 mm s povrchovou úpravou práškováním) jsou v provedení v bílé barvě RAL 9010. Plné partie s přesklením jsou řešeny ve formě shadow-boxů (negativní kapsa s vnějším sklem vytvářející vzniklým vnitřním stínem iluzi kontinuální fasády).

Burj Dubaj – Burj Chalífa
Tato budova v hlavním městě Spojených arabských emirátů Dubaji, pojmenovaná podle vládce šejka Chalífa bin Zajdy Nehajána (burj znamená v arabštině věž), je se svými 828 metry (s anténou) a 162 patry momentálně nejvyšší budovou na světě.

Inspirací pro její podobu, která je dílem amerického architekta Adriana Smithe a společnosti Skidmore, Owings & Merril, byl nerealizovaný návrh mrakodrapu Illinois v Chicagu od Franka Lloyda Wrighta z roku 1953 vysokého 1 609 metrů; svůj vliv na koncept měly také prvky islámské architektury.

Půdorys má tvar třícípé hvězdy. Připomíná rozvinutou korunku místní květiny Hymenocallis – v podstatě jsou to tři křídla pevně spojena s vnitřním jádrem a postupně se ztenčující (uskakující) směrem k vrcholu, takže celkový tvar je skutečnou jehlou. Budova obsahuje 37 pater hotelu Armani a 49 pater kanceláří, v 78. patře je bazén, ve 124. patře vyhlídka. Ostatní patra jsou obytná.

Vezmeme-li v úvahu, že celková východní či západní fasáda City Tower na Pankráci má v podstatě celistvou a rovinnou plochu v rozsahu téměř 8 000 m², pak jednotlivé partie půdorysně i výškově členěné a odstupňované fasády s oblými nebo lome­nými prvky Burj Dubaj nepředstavují v principu příliš odlišný problém v řešení opláštění. Členitost a struktura celkové hmoty tohoto obřího mrakodrapu umožňuje – obdobně jako v případě mrakodrapu Taipei 101 na Tchaj-wanu (výška 508 m) nebo dvojice věží Petronas Towers v Kuala Lumpur (výška 452 m) – řešit tyto jednotlivé partie jako v podstatě samostatné díly.

Co je ovšem zcela mimořádně v jiné poloze, je účinek větru, a to z hlediska tlaku (v tomto případě 3,5 kN/m²) i sání (v tomto případě 5,5 kN/m²). Je to dáno především výškou budovy a také polohou u moře. Proto jedním z hlavních úkolů řešení fasády Burj Dubaj byly zkoušky namáhání vnějšího pláště budovy, protože v tomto zcela extrémním a dosud nerealizovaném případě jeho rozměry a tvar neumožňovaly využití běžných návrhových charakteristik. Projektanti a stavitelé přistoupili k testování fyzického modelu v měřítku 1 : 500 v aerodynamickém tunelu.

Na model věže bylo osazeno 1 140 snímacích bodů. Pro úplnost simulace bylo vymodelováno i nebližší okolí stavby. Model byl podroben testování větrem z 36 směrů podle meteorologických statistik za posledních 50 let. Bylo ovšem třeba testovat i jednotlivé panely a jejich sestavené dílce, bylo vytipováno pět kritických lokalit, ty byly sestaveny v měřítku 1 : 1 a podrobeny zvolenému namáhání větrem, ale i vodou, tedy hnaným deštěm. Specifickým problémem bylo stanovení infiltrace – průvzdušnosti fasádního pláště, což je při extrémní výšce rovněž podstatná hodnota. Zjištěné experimentální údaje byly využity při vývoji fasádního pláště jako celku, ale i k vyvinutí konstrukčních detailů.

Plášť je navržen jednak pro dálkové pohledy, kdy působí jako stříbřitý krystal v poušti, ale i v pohledech z úrovně lidského měřítka. Kompozice věžovité stavby je založena na přikládání hranolů na půdorysu sférického trojúhelníku. Ze spodní úrovně, kdy jsou k divákovi nejblíže spodní podlaží, je pravidelná struktura fasády zjemněna slunolamy.

Fasádní dílce se zde skládají z reflexního skla, vodorovných pásů z nerezavějící oceli a trubkovitých žeber. Celkem bylo použito 26 000 skleněných desek a 28 000 fasádních panelů. Montáž fasády probíhala (stejně jako v podstatě celá výstavba, na stavbě nebylo lešení!) zevnitř objektu, vždy v určitém patře byla zřízena výrobní dílna komponentů fasádního pláště, kam se vnitřkem dopravoval materiál a prvky pláště a kde se jednotlivé panely kompletizovaly do finální podoby a následně, rovněž z vnitřku, osazovaly.

Budoucnost v megastrukturách
V dalším vývoji výškových staveb lze sice očekávat další prestižní stavby; hlavním cílem bude výška, ale zároveň se čím dál tím více objevují a prosazují řešení, v nichž hlavním cílem není výškový rekord – většinou se pohybují v hladinách od 120 do 300 m, ale racionalita, inovace a ekologická ohleduplnost. Kromě úspory pozemku například ve prospěch zeleně tento přístup přináší zejména technologie inteligentních budov se zaměřením na úspory všech druhů energie (někdy až k vlastní produkci energie!), na řešení těchto budov ve formě polyfunkčních struktur (obchody, společenské a kulturní funkce, administrativa, bydlení, rekreace v jedné budově) s parkovými prostory a terasami, a dokonce s plochami pro pěstování ovoce a zeleniny.

Stavby tohoto druhu míří k vytváření v podstatě prostorových struktur až megastruktur. V návrzích se setkáváme s rotujícími objekty, s komplexy, jejichž součástí jsou větrné či solární elektrárny, biofarmy a další inovativní záležitosti.

Ing. arch. Václav Aulický

Autor je architekt společnosti SPOJPROJEKT PRAHA.

Článok bol uverejnený v časopise ASB.