Facebook

Ku szczytom innowacji

Z:A 78

KATEGORIA: Temat wydania

Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie tworzyw sztucznych pozwalają na uzyskanie unikalnych właściwości użytkowych i innowacyjne zastosowania architektoniczne. Z punktu widzenia projektanta to surowce wielozadaniowe, które sprawdzą się na wielu frontach. Wykorzystanie tworzyw sztucznych w budownictwie pozwala na oszczędność energii, obniżenie kosztów eksploatacji, a także zwiększa możliwości kształtowania formy architektury.

W ostatnich latach powraca zainteresowanie tworzywami sztucznymi w architekturze i budownictwie. Oprócz oczywistych zastosowań w postaci składowych instalacji technicznych czy izolacji tworzywa te są coraz częściej wykorzystywane jako materiały strukturalne i okładzinowe o wysokiej wydajności. Rozróżnia się tutaj nośne i nienośne elementy budowlane. Te drugie odnoszą się głównie do wyposażenia wnętrz – mowa w szczególności o zewnętrznych okładzinach w postaci paneli elewacyjnych lub komponentów, które często mają postać niezwykle złożonych, precyzyjnych modułów geometrycznych wytwarzanych przy użyciu wysoce zautomatyzowanych technik. W przypadku konstrukcji nośnych nadal najczęściej stosowaną opcją są tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami. Obszary wykorzystania tego typu materiałów obejmują także struktury budynków oraz konstrukcje inżynierskie, np. mosty.

Eden Project, Cornwall, proj. Grimshaw Architects, fot. Grimshaw

Innowacje materiałowe – poduszki ETFE

ETFE to jeden z najbardziej innowacyjnych materiałów współczesnej architektury. Jest on kopolimerem powstałym z połączenia PTFE (politetrafluoroetylenu) z etylenem, a jego właściwa nazwa chemiczna to poli (etylen-co-tetrafluoroetylen). Folia ETFE jest wykorzystywana jako zamiennik PVC w konstrukcjach pneumatycznych i membranowych. Sam materiał jest niezwykle trwały, wytrzymały, elastyczny i o wysokiej odporności ogniowej, samogasnący, jego powierzchnia jest odporna na działanie promieni słonecznych oraz zabrudzenia. Membrana ETFE jest kilkadziesiąt razy lżejsza od szkła, co przekłada się na znacznie mniejsze obciążenia własne na konstrukcji nośnej. Podstawowa wersja folii ETFE jest przezroczysta. W celu ograniczenia ilości przepuszczanego światła stosuje się nadruk wzorów lub dodaje pigment zabarwiający folię na wybrany kolor. Poprzez połączenie ze sobą jej kilku warstw i wprowadzenie sprężonego powietrza można otrzymać strukturę o lepszych właściwościach termoizolacyjnych. Takie poduszki wykorzystywane są jako świetliki lub fasady budynków. ETFE jest także materiałem o minimalnym zużyciu energii w produkcji, transporcie i montażu, co w połączeniu z możliwością recyklingu sygnalizuje jego wielki potencjał stosowania w obiektach niskoenergetycznych (nZEB).

Pierwsze użycie ETFE na dużą skalę to zespół kopuł geodezyjnych w ogrodzie botanicznym Eden Project w Wielkiej Brytanii (2001), projektu Grimshaw Architects i Arup International, które pokryto przepuszczającymi światło poduszkami ETFE. Realizacja ta odbiła się szerokim echem i ukazała potencjał materiału na dużej powierzchni. Z kolei Allianz Arena w Monachium (2005), zaprojektowana przez Herzog&de Meuron i Arup International, była pierwszym stadionem i pozostaje do tej pory największym budynkiem świata pokrytym ETFE. W projekcie pływalni olimpijskiej w Pekinie (2008), autorstwa konsorcjum PTW Architects Arup International, CSCEC i CCDI, wykorzystano konstrukcję membranową składającą się z poduszek ETFE, która zapewniła izolację termiczną i stabilność strukturalną pod obciążeniem wiatrem lub śniegiem. Na obu arenach poszczególne poduszki podświetlane są zmieniającymi kolor diodami LED. Projekcja medialna na fasadzie obiektu odzwierciedla wydarzenia sportowe odbywające się w środku. Innym przykładem zastosowania ww. tworzywa są obiekty zaprojektowane przez biuro SalgasCaño Architects: pawilon Serpentine Gallery (2015) pomyślany jako amorficzne tunele złożone ze stalowych ram owiniętych kolorowymi poduszkami ETFE, Centrum Kongresowe i Audytorium Plasencia w Kartagenie (2017).

Centrum kongresowe i audytorium Plasencia, Hiszpania, proj. Salgas Caño Architecture, fot. Iwan Baan

ETFE + PV / ETFE + MFM
ETFE można określić jako materiał wielozadaniowy, który sprawdza się na wielu frontach. Zadaszenie parkingu AWM w Monachium (projektu Ackermann und Partner Architekten BDA, 2011) jest przykładem kombinacji poduszek powietrznych z ETFE oraz BIPV (ang. building integrated photovoltaics). Zbudowane zostało z 220 poduszek (wym. 11 x 3,3 m każda) o łącznej powierzchni ok. 9 tyś m2 i stanowi jedną z większych tego typu realizacji na świecie, łącząc możliwości materiałowe ETFE i konwersję energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną dzięki systemom BIPV. Dwuwarstwową folię ETFE w połączeniu z organiczną fotowoltaiką OPV (ang. organic photovoltaic) o łącznej powierzchni 300 m2 wykorzystano również w Pawilonie Niemieckim w strukturach przestrzennych Solar Trees (projektu Schmidhuber + Partner, 2015), które zaprezentowano podczas wystawy światowej Expo Mediolan 2015. W Darmstadt – w ramach współpracy OPVIUS GmbH i Taiyo Europe GmbH – zrealizowano energooszczędną membranową fasadę na bazie ETFE i OP, wykorzystując przy tym możliwości kolorowego zadruku. Fasadę budynku Merck KGaA (projektu HENN Architects, 2018) wykonano w oparciu o NOWOFLON ETFE wraz ze 158 zintegrowanymi modułami OPV. Warto także wspomnieć o koncepcji ETFE-MFM – wielofunkcyjnego modułu integrującego różne technologie: ETFE, fotowoltaiczną, urządzenia oświetleniowe oraz elastyczne układy scalone, które mogą stanowić zarówno system autonomiczny, jak i podłączony do sieci. Energia słoneczna dostarczana do układów oświetleniowych stwarza możliwości oświetlenia elewacji opartą na technologiach LED-RGB i OLED, wbudowanych w moduł.

W 2016 roku zaprezentowano prototyp modułu ETFE-MFM w budynku CENER (Narodowe Centrum Energii Odnawialnej) w Hiszpanii. Projekt ten realizowany jest od 2013 roku przez multidyscyplinarny zespół jako innowacja dla tradycyjnych rozwiązań wykorzystujących rozdzielnie różnych systemów.W odniesieniu do realizacji krajowych tworzywo ETFE zostało użyte jako powłoka stanowiąca pokrycie dachu Afrykarium – Oceanarium we Wrocławiu (projektu ArC2 Fabryka Projektowa, 2014) i jako membrana dachu Dworca Tramwajowego Centrum w Łodzi (projektu FOROOM na podstawie koncepcji Jana Gałeckiego, 2015).

Kopuła w Sztokholmie, proj. Atelier Kristoffer Tejlgaard, fot. Piotr Żabicki

Innowacje materiałowe – tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami naturalnymi

Rozwój budownictwa i inżynierii materiałowej wymaga wprowadzania nowych rozwiązań mających na celu zwiększenie trwałości i niezawodności powstających obiektów. Nowoczesne technologie umożliwiają produkcję materiałów kompozytowych z termoplastów (głównie z polietylenu i polipropylenu), wypełnianych elementami organicznymi, np. mączką drzewną lub włóknami lignino-celulozowymi. Włókna roślinne stanowią ekologiczną alternatywę dla włókien szklanych i sztucznych przy wytwarzaniu materiałów kompozytowych, o czym decydują ich duża dostępność, niska cena, mała gęstość, optymalne właściwości mechaniczne, a przede wszystkim odnawialność. Mogą one śmiało konkurować z włóknami szklanymi pod względem wytrzymałości czy modułu w przeliczeniu na gęstość (dotyczy to zwłaszcza lnu, juty, konopi, sizalu).

Kompozyty z włókien naturalnych i tworzyw sztucznych charakteryzują się stosunkowo dużą rozmaitością i wszechstronnością. Decyduje o tym fakt, że dzięki współczesnej technice można wyprodukować materiał o pożądanych parametrach. Umiarkowane własności mechaniczne włókien naturalnych często ograniczają ich zastosowanie, jednak stosunek wytrzymałości i sztywności do ciężaru kompozytu jest bardzo korzystny. Najczęstsze realizacje, wykorzystujące walory tego materiału, to wykończenie powierzchni tarasów, ścian oraz dachów.

Bioplastik, druk 3D i algi

Materiały syntetyczne wywierają duży wpływ na uwolnienie formy budynku, która dzięki nowym możliwościom jest w stanie przybierać rozmaite kształty, a ograniczeniem staje się jedynie ekonomia i poziom kreatywności projektanta. Coraz częściej pojawiają się tworzywa sztuczne, w których przeważającym składnikiem są materiały pochodzenia naturalnego. Urban Cabin – dom nad kanałem Buiksloter w Amsterdamie o powierzchni 8 m2, zaprojektowany przez duński start-up projektowo-architektoniczny DUS/3D Print Living Lab – jest jednym z przykładów wykorzystania bioplastiku (olej lniany stanowi 75% jego składu) w technologii druku 3D. Realizacja ta jest wynikiem interdyscyplinarnych badań nad kompaktowymi i jednocześnie zrównoważonymi rozwiązaniami mieszkaniowymi w środowiskach miejskich, a także alternatywą dla tymczasowych schronień w przypadku katastrof. Bioplastik zapewnia poszczególnym komponentom stabilność i trwałość, równocześnie – w następnym etapie – może być on rozdrobniony, poddany recyklingowi i przedrukowany ponownie w innych projektach. W 2016 roku DUS zrealizował kolejny obiekt o jeszcze większej kubaturze – Europe Building w Amsterdamie, który demonstruje możliwości druku 3D z wykorzystaniem bioplastiku w skali XXL.

Wśród innowacji w dziedzinie tworzyw sztucznych warto również wymienić demonstracyjny projekt Algae Curtain. Algowa kurtyna miejska została zaprezentowana w Dublinie podczas szczytu innowacji klimatycznych Climate Innovation Summit 2018. Jej koncepcja była efektem współpracy ecoLogicStudio przy wsparciu Urban Morphogenesis Lab – UCL i Synthetic Landscapes Lab Uniwersytetu w Innsbruku. Konstrukcję składającą się z 16 modułów o wymiarach 2 x 7 m wykonano z bioplastiku i wypełniono żywymi kulturami mikroalg. Stanowiła ona fotobioreaktor-inkubator, do którego wtłaczano od dołu powietrze w celu wychwycenia i magazynowania CO2. Sprawność procesu sekwestracji dwutlenku węgla to ok. 1 kg CO2 dziennie, co odpowiada 20 drzewom. Wcześniejszym projektem londyńskiego ecoLogicStudio był prototyp dla miejskiej hodowli alg Urban Algae Folly (Canopy) zaprezentowany na Expo 2015. Jest on przykładem zastosowania systemu powłok ETFE i kultur mikroalg jako prototypu przekrycia, które jednocześnie przekształcało energię promieniowania słonecznego w biomasę i tlen.

Ocean odpadów plastikowych – ocean możliwości

Przedmiotem konkursu Plastic Monument zorganizowanego w 2019 roku przez YAC (Young Architects Competitions) była mobilna instalacja architektoniczna, której budulec miały stanowić odpady z tworzyw sztucznych. Konkurs miał na celu zwiększenie świadomości projektantów, podkreślenie zgubnego oddziaływania obecnych metod gospodarowania odpadami z tworzyw sztucznych na stan środowiska naturalnego oraz zasygnalizowanie potrzeby intensyfikacji badań nad innowacyjnymi i zrównoważonymi sposobami produkcji czy przetwarzania ww. odpadów. Architekci mają bowiem duży wpływ na podniesienie poziomu powszechnej świadomości, stając się ambasadorami działań prośrodowiskowych, wdrażania różnych metod i koncepcji.

Recykling, upcykling i plastik

Zmniejszenie zużycia surowców oraz ilości odpadów to cel odnoszący się do zastosowania materiałów recyklowanych i recyklowalnych. Założeniem recyklingu jest maksymalizacja ponownego użycia tych samych tworzyw oraz minimalizacja nakładów na ich przetwarzanie. Wiele surowców jest recyklowalnych, natomiast spora ich część nie jest poddawana temu procesowi ze względu na brak odpowiedniej infrastruktury czy zapotrzebowania na takie materiały. Jednym z przykładów działań upcyklingowych, koncepcji wtórnego przetwarzania odpadów, w wyniku której powstają produkty o wyżej wartości, np. estetycznej czy funkcjonalnej przy jednoczesnym dbaniu o środowisko, może stanowić niepozorny panel okładzinowy. Zastosowano go w tymczasowym pawilonie People Pavilion (projektu bureau SLA & Overtreders W), prezentowanym podczas Dutch Design Week (DDW) 2017 w Eindhoven, oraz w pawilonie muzycznym przy szkole Sint Oelbert (projektu Grosfeld Bekkers van der Velde Architecten) z 2020 roku. Wykorzystane w obu przypadkach panele nazywane przez ich twórców „Pretty Plastic” nadają wyrzuconym plastikowym odpadom oraz materiałom budowlanym z PVC drugie życie – jest to swoiste „piękno z odpadów”. Tworzą elewacje o niepowtarzalnych kolorach i przyczyniają się do popularyzacji koncepcji gospodarki o obiegu zamkniętym (ang. circular economy), która minimalizuje produkcję odpadów, wykorzystując surowce wielokrotnego użytku. Pierwszy obiekt został wzniesiony na DDW z materiałów wypożyczonych od producentów i dostawców, a materiałem zastosowanym do produkcji elewacyjnych paneli okładzinowych były plastikowe odpady z gospodarstw domowych, podarowane przez mieszkańców Einhoven. Pawilon był nominowany do nagrody New Material Award 2017.

People Pavilion – tymczasowy pawilon wystawowy na Dutch Design Week 2017, Eindhoven proj. bureau SLA & Overtreders, fot. Filip Dujardin

Misja architektów

Jednym z głównych działań na rzecz poprawy funkcjonalności i środowiskowych wyników tradycyjnych materiałów może być użycie nowoczesnych technologii. Najwyższa pora, aby równie ważnym kryterium decydującym o specyfikacji surowców budowlanych była jakość zamieszkiwanego przez nas wszystkich środowiska naturalnego. Produkcja materiałów w duchu zrównoważonego rozwoju powinna się charakteryzować procesami wytwarzania niestanowiącymi zagrożenia dla ludzkiego zdrowia i otoczenia.

Tworzywa sztuczne, choć nie zawsze jest to widoczne na pierwszy rzut oka, są wszechobecne we współczesnej architekturze. Bazujące na nich materiały termoizolacyjne umożliwiają ogromne oszczędności energii poprzez poprawę efektywności energetycznej budynku. Ocenia się, że izolacja z tworzywa sztucznego oszczędza 250 razy więcej energii niż zużyto do jej wyprodukowania.

Eden Project, Cornwall, proj. Grimshaw Architects, fot. Grimshaw

Specjalne elementy budowlane o złożonej geometrii to kolejny obszar, w którym tworzywa sztuczne są niezastąpione. Materiały te umożliwiają wytwarzanie bardzo zróżnicowanych elementów w dużych ilościach z zachowaniem niezbędnej precyzji i tolerancji. Jest to szczególnie istotne w przypadku systemów modułowych. Niski ciężar własny surowca jest szczególną zaletą w transporcie. Stosunkowo wysokie nakłady inwestycyjne wymagane do produkcji są rekompensowane możliwościami ilościowymi. Ponadto tworzywa sztuczne odgrywają ważną rolę w konserwacji konstrukcji, np. polimery wzmocnione włóknem węglowym służą do naprawy i wzmacniania struktur betonowych.

Zaskakujące jest to, że tworzywa sztuczne są powszechnie uważane za substytut o niskiej jakości. W rzeczywistości jest odwrotnie – to produkty zaawansowane technologicznie i możemy spodziewać się ich dalszego rozwoju. Pogłębienie wiedzy o inżynierii materiałowej wśród projektantów jest warunkiem koniecznym powstania innowacyjnej architektury, wykorzystującej różnorodne właściwości nowoczesnych tworzyw sztucznych. Celem długofalowym powinna być stopniowa ewolucja rynku materiałów budowlanych. Istotna jest popularyzacja problemów energo- i materiałochłonności procesów produkcji oraz użycie instrumentów polityki budowlanej do kształtowania preferencji nabywców. Architekci mogą stać się heroldami tej zmiany lub być kontynuatorami modelu „business as usual”.

Justyna Juchimiuk
Justyna Juchimiuk
Architekt IARP

członek MAOIA RP, SARP, Polskiego Towarzystwa Energetyki Słonecznej, Grupy Zadaniowej ds. Inteligentnego i Zrównoważonego Rozwoju Miast i Społeczności przy PK; prowadzi badania dotyczące m.in. efektywności energetycznej i zastosowania OZE w architekturze; pracownik Instytutu Architektury i Urbanistyki WBAiIŚ UZ

reklama

Warto przeczytać