建築用金属と高度な表面処理の概要

1989 年の地震により、サンフランシスコの MH デ ヤング記念博物館の構造的完全性が破壊された後、建築家のジャック ヘルツォークとピエール ド ムーロンは建物の再設計を任されました。 アイデアの 1 つは、近くのゴールデン ゲート パークの樹冠の緑の葉を反映する、可変穴あきスクリーンの外装の開発でした。 A. Zahner のエンジニアとソフトウェア スペシャリストは、スクリーンを作成するためのユニークな穿孔パターンとディンプル パターンを作成するシステムを開発しました。これは、博物館の屋外カフェを覆うこの天蓋で見ることができます。 これは、A. Zahner が Zahner Interpretive Relational Algorithmic Process (ZIRA Process) と呼んだものの最初の反復でした。

金属の美しさは商業建築物に隠されていることがよくあります。 ほとんどの場合、記録に残る最も印象的な建築作品の骨格システムを構成する構造用鋼材に気づく人は誰もいません。

ただし、常にそうとは限りません。 多くの建築家や芸術家は、金属が建築設計における機能的特徴だけでなく、装飾的特徴としても与える影響を認識しています。 味気なく退屈なものを好む人はいないため、建築用金属は建設プロジェクトに視覚的な興奮を加える方法の 1 つです。

A. Zahner Co. の社長兼 CEO である Bill Zahner は、文字通り金属表面 (鋼表面、銅、真鍮、青銅の表面、アルミニウム表面、ステンレス鋼表面、亜鉛表面) に関する本を執筆しました。 ビルの曽祖父が 1897 年に設立した A. Zahner Co. は、ミシシッピ川西側の小さな町中に建つ新しい商業ビルのコーニスを作ることから建築用金属の事業をスタートしました。 同社はミズーリ州ジョプリンで創業しましたが、後にミズーリ州カンザスシティに移転し、現在はそこにあります。 A. Zahner はカンザスシティとテキサス州グランドプレーリーの 2 つの工場を持ち、約 60 人のエンジニアと 100 人の製造従業員が世界中に送り出される金属製品の製造に取り組んでいます。

「私たちはあらゆる場所で働いています」とザーナー氏は語った。 「私たちはマイアミ、フェニックス、そしてニューヨークで作業を進めています。現在、私たちの最大のプロジェクトの1つは、コロラドスプリングスにある空軍士官学校の礼拝堂の修復を行っています。」

米国空軍士官候補生礼拝堂は、建築家以外の人にもよく知られています。 1962 年に建てられたこの礼拝堂には、高さ 150 フィートに達する 17 本の尖塔があります。2004 年には、米国国定歴史建造物に指定されました。

修復プロジェクトでは、元の構造の一部として使用されていたアルミニウム部分が取り外されて交換されるため、建物の内部を保護するために礼拝堂の周囲に一時的な密閉構造が建てられました。 （元の建物の設計では、雨樋の複雑なネットワークが必要で、当初は建物の外側のアルミニウムパネルの下に雨樋を含める予定でした。しかし、予算の都合で雨樋は廃止されました。その結果、礼拝堂にはアルミニウムとアルミニウムパネルの間をコーキングするだけになりました）既存のアルミニウム パネルは、元の美観に一致する新しいパネル システムの設置を可能にするために取り外されていますが、大幅に改善されています。交換される古いパネルよりもパフォーマンス機能が向上します。)

ザーナー氏は、プロジェクトの下請け業者として、同社は1960年代に礼拝堂の建設に使用された特定の合金を特定し、礼拝堂から外されるパネルに合わせて押し出し、圧延できるように特別に鋳造する必要があったと述べた。 目標は、パネルを修復することですが、漏れはありません。

「私たちの評判は、非常に複雑なプロジェクトに挑戦し、デザイナーがクライアントのためにそれを達成できるよう支援できるということです」とザーナー氏は語った。

A. Zahner の作品は、建築用金属で使用されている金属表面の傾向のいくつかを非常によく示しています。

「世界中を旅していると、コペンハーゲン、ロンドン、フランクフォートなどの場所で古い建物を目にすると思いますが、通常、古い酸化した銅の表面が最も識別しやすく、最も興味深いものです」とザーナー氏は語った。 「そうですね、ステンレス鋼でも同様のことができます。」

図 1. ステンレス鋼上の厚い酸化クロム層は、人間の目に見える色を生成するのに役立ちます。 これは、フロリダ州タンパにある科学産業博物館の外装に使用されているパネルで見ることができます。A. Zahner には、さまざまな金属の新しい色と仕上げのカスタム パレットの開発に専念するチームがあり、同社はこれを Zahner Surfaces と呼んでいます。生産ライン。

ステンレス鋼に着色を導入する 1 つの方法は、カナダの鉱山会社であり、20 世紀の大部分にわたって世界をリードするニッケル生産者である Inco Ltd によって 1970 年代に開発されたプロセスです。 化学酸浴はステンレス鋼の表面に厚い酸化クロム層を生成し、この層は人間の目に見える色の生成に役立ちます。

色を生み出す背後にある現象は薄膜干渉と呼ばれ、干渉発色へと進化しました。 酸化クロムの厚くなった層は、光が層を通過し、表面の金属に当たって反射して見る人に戻ってくるときに、色に影響を与えるのに役立ちます。 私道のモーターオイルと水の水たまりを太陽光が照らし、時折生じる虹の効果を考えてください。 この状況では、光の一部は油の最上層で反射され、一部はその層で屈折してから油の下の水の層で反射され、その後光は油の層を通過するときに再び屈折します。油。 水たまりでの反射光が虹を見せるのは、光にあらゆる波長の成分が含まれており、その状態が制御されていないためです。 後で酸化クロムを導入する電気化学プロセスを制御すると、特定の色を導入できます。 色を作り出すために顔料、インク、染料は使用されていません。

このタイプの干渉着色を使用した最初の主要プロジェクトの 1 つは、フランク ゲーリーによって設計され、1995 年にオープンしたカリフォルニア州アナハイムのチーム ディズニー ビルです。その後すぐにフロリダ州タンパの科学産業博物館 (MOSI) が続きました。 、同年に完成。

これらの青いパネルは三角形なので、視覚的に興味深いものになります (図 1 を参照)。 A. ザーナー氏と MOSI プロジェクトの建築家であるアントワーヌ プレドック氏は、建物のドームの球形を覆うために必要な、一度に 2 方向に曲がりにくい金属の性質に対抗するために、三角パネル システムの開発に協力しました。

「今日、外に出てみると、1990年代初頭に初めて行われたときとまったく同じように見えます。これはとても美しい宝石です」とザーナー氏は語った。

干渉着色では原色のみを表現できます。 物理蒸着 (PVD) 着色は、ステンレス鋼で色を生成する 2 番目の主要な方法であり、より多様なパレットを生成できます。

PVD プロセスでは、コーティングを蒸発させ、真空チャンバー内で加熱された金属表面に塗布します。 イオン化した金属蒸気が表面金属と結合すると、わずか数分子の厚さのコーティングが形成されます。 その結果、元の金属特性とは異なる表面が得られ、粉体塗装、電気メッキ、または陽極酸化よりも保護性が高くなります。

PVD プロセスに硝酸チタンを追加すると、金色になります。 炭化チタンにより深みのある黒を実現します。 どちらの例でも、干渉着色とは異なり、仕上げには色があります。 (PVD コーティングの薄さにより、光が透過して表面の金属で反射し、光の干渉が生じることに注意してください。) PVD ​​プロセスで生成できる他の色には、ブロンズ、青、赤などがあります。紫。

金属業界では誰もが COR-TEN が何であるかを知っています。 「風化鋼」と聞いて思い浮かべるものとほぼ同じです。

COR-TEN は、1930 年代に鉄鉱石や石炭の輸送に使用される鉄道車両の建設用に US Steel Corp. によって最初に開発され、以来、建築および美術用途の耐食鋼合金として販売されていますが、これらの分野に限定されません。 コールテンやその他の耐候性鋼には、相互作用して表面に独特の酸化物バリアを形成するいくつかの元素、最も重要なのは銅が含まれています。 このオキシ水酸化第二鉄が成長することにより、母材金属に耐食性が与えられます。 酸化層が成長すると、ほとんどの環境設定において、表面材料のさらなる変化がゆっくりと起こります。 耐候性鋼はアースカラーの仕上げを生み出すため、自然環境に溶け込みたい建物に人気があります。

図 2. マサチューセッツ州アマーストにあるアマースト大学の科学センターの外観は、自然の思索を待つことなく、風化前の外観を実現できる一例です。

A. Zahner 氏が認識した問題は、建築家やデザイナーが、腐食が発生して期待どおりの表面仕上げが得られるのを待つのに非常にイライラする可能性があるということです。 そこでプリウェザリングが役に立ちます。

「それが、私たちがテキサスの工場で行っていることの一つです」とザーナー氏は語った。 「私たちはコールテン合金を取り出して風化させます。私たちがやろうとしているのは、オキシ水酸化第二鉄が流出して、より安定したオキシ水酸化第二鉄に変わるところまで到達することです。」

A. Zahner では、プレウェザリングとは、COR-TEN やその他の高強度、低合金の耐候性鋼を使用し、金属表面を酸化剤にさらし、その後、一連の湿潤および乾燥サイクルを行うことを意味します。 同社は、プレウェザリングプロセスにより、これらの材料の表面が風雨の中で自然に老化するときに得られる黒く豊富なオキシ水酸化物に到達するのに役立つと考えています。

このタイプのプレウェザリングの例は、アマースト大学のサイエンス センターです (図 2 を参照)。 溶接および形成された鋼部分をブラストして徹底的に洗浄し、最初の酸化処理に備えて表面を準備しました。 乾燥したら、表面を還元剤である強力な電解質で処理し、酸化プロセスを開始します。 腐食の形跡があった場合は、表面を脱イオン水ですすぎ、乾燥させました。 金属を湿らせて乾燥させるというフォローアップ処理を行うと、金属表面に厚く黒い酸化物が形成されます。

誰でも穴あけができます。 A. Zahner は、そのパンチング マシンを初めて使用して画像を打ち抜きました (図 3 を参照)。

「私たちは、画像を取得して機械語に変換するというアプローチに初めて取り組んだのです」とザーナー氏は語った。 「そこで、私たちはパンチを使って表面の穴を制御することに手を出し始めましたが、その後、『機械をだまして穴を開けずに素材をぶつけてテクスチャを作成するさまざまな方法を作成するにはどうすればよいでしょうか?』と考え始めました。」

複数の金属パネルに画像を複製するために、さまざまなサイズの穴を正確に開けることから始まったものは、すぐにさらに複雑なものに発展しました。 ザーナー氏は、サンフランシスコの MH デ ヤング記念博物館がその好例であると述べました (図 4 を参照)。

この博物館は 1895 年に開館しましたが、1989 年のロマ プリエタ地震により大きな被害を受けました。 スイスの建築家、ジャック ヘルツォークとピエール ド ムーロンが 1990 年代後半に建物の再設計に選ばれました。

ヘルツォークとド・ムーロンは、近くのゴールデン ゲート パークの樹冠を模倣するために、穴の開いたスクリーンの外装のアイデアを思いつきました。 二人は、A. Zahner のエンジニアおよびソフトウェア スペシャリストと協力して、木々を通して見える光のパターンを再現する独自の穴あきパターンとディンプル パターンを作成する方法を開発しました。

その仕事は膨大なものでした。 110万ポンド強。 この作業には銅が使用されました。 これは、幅 1 メートル、長さ 34.6 マイルの銅板約 1 枚に相当します。

図 3. A. Zahner の ImageWall 穴あき金属パネルを使用すると、建築家はロビー、駐車場のファサード、または区切られた屋外スペースなどの場所に精巧な壁デザインを作成できます。 カナダのオタワにあるオフィスビルにあるこの特定のインスタレーションでは、1,563 平方フィートのカスタム穴あきアルミニウム パネルと関連するサブフレームを使用して、近くのパーラメント ヒルに隣接するオタワ川沿いの旅を紹介するウォール アートが作成されました。

製作に関して言えば、建物とその塔には、4 レベルのエンボスと 4 レベルの外面形状を含む、170 万個の穴と 150 万個の凹凸が表面にありました。

ザーナー氏によると、テクスチャードパネルの次の進化はロボット工学にさらに大きく依存する可能性が高いという。

「例えば、ニューヨークのブルームバーグセンターを見ると、金属を部分的に切断し、ロボットを使って選択的に曲げた」と同氏は語った。 (図 5 は、ニューヨーク市のコーネル工科大学ルーズベルト キャンパスにあるブルームバーグ センターの外壁を示しています。)

これは、建築メタルの世界で A. Zahner で起こっていることのほんの一部にすぎませんが、ステートメントを作成する際にメタルが見落とされやすいという事実を裏付けています。 あまりにも長い間、人々は表面を保護したり、金属表面に視覚的な魅力を与えるために単にペイントを使用することに問題はありませんでした。 そうである必要はありません。

ザーナー氏は、A. ザーナー氏は、手作業ではほぼ不可能な質感のある形状を金属に実現するロボット工学の研究を継続すると述べた。 同氏はまた、材料を保護し、時間の経過とともに金属により予測可能な仕上げを与えるナノコーティングが出現するとも述べた。