Facebook

Murowana przyszłość

Z:A 78

KATEGORIA: Temat wydania

Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat ceramiczne elementy murowane przeszły niewyobrażalną ewolucję technologiczną. Przystosowanie nowoczesnego sposobu obróbki do wymagań cegły, a także do zmian klimatu zmusza technologów i producentów do poszukiwania coraz nowych rozwiązań.

Podstawowe właściwości cegły jako materiału budowlanego, takie jak wytrzymałość, trwałość i odporność na warunki atmosferyczne, pozostają niezmienne od lat. Klasyczny proces produkcji wyrobów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu odpowiednich surowców, ich uformowaniu, wysuszeniu i wypaleniu (jednokrotnym lub wielokrotnym). Wypalanie odbywa się w piecach o kontrolowanej atmosferze przy temperaturze od 900°C. Współczesna cegła produkowana na skalę przemysłową jest wynikiem szeregu procesów technologicznych – poczynając od nowoczesnych technik wydobycia surowca, a skończywszy na całkowicie zautomatyzowanej produkcji.

Współczesna obróbka materiału

Znakiem postępu technologicznego w przypadku materiałów ceramicznych jest wprowadzanie na rynek surowców coraz wyższej jakości, które zachowują cechy rodzimych minerałów. Obecnie pustaki ceramiczne o bardzo dobrych parametrach izolacyjności termicznej dają możliwość wybudowania domu energooszczędnego w technologii ściany jednowarstwowej. Coraz bardziej popularne są produkty wypełniane naturalnym materiałem izolacyjnym, takim jak wełna mineralna lub perlit, który dodatkowo zwiększa ich izolacyjność. Zmianie ulega też sposób obróbki. Nowoczesna produkcja ceramiczna często wymaga dokładniejszego przetworzenia pierwotnych surowców mineralnych metodami chemicznymi i fizyczno-chemicznymi. W przypadku ceramiki poryzowanej, inaczej niż przy tradycyjnej, w tym procesie występuje dodatkowy etap. Glina, zanim trafi do urządzeń formujących, jest mieszana z mączką drzewną lub trocinami, które ulegają spaleniu, pozostawiając w spieczonej glinie mikropory. Dzięki nim pustaki są lżejsze i mają lepszą izolacyjność cieplną niż tradycyjna ceramika. Poryzacja pozwala także utrzymać stabilną wilgotność powietrza w pomieszczeniu na poziomie zbliżonym do warunków naturalnych. Metody produkcji cegieł różnią się w zależności od użytych surowców. Cegła silikatowa powstaje z wapna i piasku, a jej produkcja nie wymaga wypalania, ponieważ poddawana jest działaniu pary wodnej pod wysokim ciśnieniem.

Prefabrykacja elementów

Produkcja ceramiki budowlanej już w dawnych czasach opierała się na zasadzie prefabrykacji. Cegłę można więc uznać za pierwszy materiał prefabrykowany. Wiąże się z tym specyfikacja wymiarów i innych jej cech. Gotowe elementy budowlane z ceramiki mają różne formy – od małych, takich jak parapety czy nadproża, po konstrukcje obejmujące gzymsy albo całe ściany. Na północnej fasadzie Kantonalnego Muzeum Sztuk Pięknych w Lozannie znalazły się rozmieszczone symetrycznie prefabrykowane ceglane żaluzje. Pionowe osłony z cegły klinkierowej, każdy o grubości zaledwie 24 cm, zostały wyprodukowane z około 5700 m² ceramicznych cegieł klinkierowych. Łącznie powstało 338 prefabrykatów o szerokości 1,5 do 4,5 m i wysokości od 2 do 6,7 m.

Kantonalne Muzeum Sztuk Pięknych w Lozannie, projektu Barozzi Veiga. fot. dzięki uprzejmości Roben

 

Gliniane historie 3D

PolyBrick: Variegated Additive Ceramic Component Manufacturing (ACCM) to pierwszy krok w integracji projektowania, prototypowania, cyfrowego wytwarzania i produkcji ceramiki. Projekt pierwszych drukowanych cegieł wykorzystuje algorytmiczne techniki projektowania, które można zastosować przy produkcji niestandardowych elementów do montażu bezzaprawowego. Druk cegły 3D ma taką zaletę, iż w odróżnieniu od innych rozwiązań nie wymaga wielkich maszyn i nowej infrastruktury budowlanej. Elementy powstają w standardowej drukarce i składane są na miejscu budowy.

Ceramic Constellation Pavilion zaprojektowany przez naukowców z Wydziału Architektury HKU, przy współpracy z Sino Group, został zbudowany z około 2000 glinianych cegieł mocowanych do drewnianej podkonstrukcji. Każdy z pojedynczych elementów struktury jest wyjątkowy i został wyprodukowany przy użyciu druku 3D, co pozwoliło na wygenerowanie różnego stopnia przezroczystości. W obecnym kontekście, który został w znaczącej mierze ukształtowany przez standaryzację i masową produkcję, projekt stara się przezwyciężyć ograniczenia poprzez wprowadzenie konstrukcji wykonanej w całości z nietypowych elementów. W ciągu 3 tygodni około 700 kg gliny zostało przetworzone na pojedyncze cegły, które następnie wypalono w temperaturze 1025ºC. Czas wydruku jednego elementu wynosił 2–3 minuty. Chociaż cegły same w sobie są materiałem prostym w formie, to obiekty konstruowane i wytwarzane za ich pomocą cyfrowo przybierają coraz bardziej swobodne formy. Pawilon jest jednym z pierwszych tego rodzaju na świecie, w którym zastosowano ten specyficzny system.



 Ceramic Constellation Pavilion fot. Christian J. Lange

Cegła i nie tylko

Cegła to nie tylko ceramika budowlana. Można jej używać na dziesiątki sposobów i z jej pomocą kreować wyjątkowe obiekty. Przystosowanie istniejącej technologii obróbki do wymagań ceramiki, a także zagrożenia środowiska i tym samym potrzeba zrównoważonego rozwoju pozszerzają potencjalny rynek tych materiałów budowlanych. Te najnowocześniejsze  skupiają w sobie wszystkie najlepsze cechy ceramiki, a innowacyjne technologie produkcji wydobywają z nich dodatkowe walory.

Z dzisiejszego punktu widzenia największą wadą cegły jest konieczność wypalania jej w wysokiej temperaturze. To rodzi ogromne zapotrzebowanie na energię, a przez to wytwarza się dużą ilość dwutlenku węgla. Około 36% emisji CO2 na świecie to produkty sektora budowlanego1. Poprzez zmniejszenie tego wskaźnika w trakcie produkcji materiał konstrukcyjny ma być przyjazny dla środowiska i spełniać odpowiednie normy jakościowe. Klasyczna cegła jest wciąż niezastąpiona i pozostaje najczęściej używanym materiałem budowlanym na świecie, ale w trosce o naturalne środowisko projektanci coraz częściej sięgają po takie, które zużywają mniej energii w procesie cyklu życia. Przyglądając się naturze, znajdujemy odpowiednie alternatywy.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) opracowali cegłę z odpadów przemysłowych, którą można produkować na zimno, bez potrzeby wypalania w wysokiej temperaturze. Projekt Eco BLAC brick powstał w Indiach w ramach MIT’s Tata Center for Technology and Design i jest tanią oraz niskoemisyjną opcją dla tradycyjnych cegieł. Nową „cegłę” wyróżnia nie tylko jej czarny kolor, ale także ekologiczny sposób wytwarzania. Dzięki zastosowaniu reakcji chemicznej materiał uzyskuje wytrzymałość w temperaturze otoczenia. Jej skład to w 70%popiół z kotłów pracujących w papierniach. Aby skleić z nich cegłę, naukowcy użyli węglowodór sodu oraz niewielką ilość gliny. Powstała z tego mieszanka charakteryzuje się bardzo niską przewodnością cieplną, podobną do przewodności izolatora cieplnego. Wyeliminowanie energochłonnego procesu wypalania spowodowało, że koszt jej produkcji jest niższy niż w przypadku klasycznych cegieł.

Ze względu na wciąż rosnące zanieczyszczenia środowiska alternatywne cegły powstające z recyclingu stają się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem. Clay Red Mud Burnt Bricks (autorstwa CBRI) to materiał wytwarzany z odpadów z przemysłu wydobywczego i hutniczego, który wykazuje wszystkie właściwości fizyczne klasycznej cegły, przy czym składa się głównie z tlenku glinu (który stwarza poważne problemy po uwolnieniu do otoczenia w ilościach przemysłowych) z dodatkiem żelaza i tytanu. Pomagając rozwiązywać problem z usuwaniem odpadów i zanieczyszczeniem środowiska, przy okazji swoim wyglądem przyciąga oko. Ze względu na oryginalne odcienie koloru sprawdza się jako cegła licowa.

Cegły ByFusion z kolei powstają z oceanicznego plastiku, w technologii opracowanej przez Petera Lewisa. Nie wymagają wstępnej segregacji i cechują się świetnymi właściwościami izolacyjnymi w zakresie ciepła i dźwięku, a proces ich produkcji jest w pełni ekologiczny i emituje o 95% mniej gazów cieplarnianych niż w przypadku betonowych bloczków. Obecnie elementy te wykorzystuje się głównie do budowy murów oraz barier przy drogach, gdzie szczególnie przydatne są ich dźwiękochłonne właściwości.

Coraz częściej we współczesnej architekturze słyszymy też o wykorzystywaniu technologii zaawansowanej biologicznej. Cegła organiczna Hy-Fi powstaje z elementów, których podstawę stanowią grzybnia i odpady rolnicze. Z materiału tego zbudowano przykładowo pawilon letni Hy-Fi (projektu The Living). Szczytowe warstwy struktury obiektu wykonano ze stalowych form wykorzystanych do „wyhodowania” cegieł. Proces produkcji ekologicznego budulca trwał w tym przypadku 5 dni. Phillip Ross współtwórca MycoWorks, stworzył technologię procesu wytwarzania cegieł z wykorzystaniem grzybni, której używa do wyrobu tanich i lekkich cegieł. Grzyby w budownictwie nie wywołują dobrych skojarzeń, w tym wypadku jednak wykorzystywane zostały ich walory, m.in. jako środka klejącego.

Bez zaprawy też się da

Inne podejście do tematu stanowi cegła modułowa zbudowana z mieszanki cementu, gruntu i wody, którą układa się w specjalny sposób i prasuje ręcznie lub mechanicznie, przyjmując do 6 ton nacisku, silnie wiążąc ziarno i eliminując proces spalania. Do układania tych produktów nie trzeba używać zaprawy murarskiej, co może zrewolucjonizować budownictwo. Cegła ekologiczna to znacznie więcej niż zwykła cegła wypełniająca ścianę – dzięki właściwościom fizycznym zapewnia oszczędność poprzez zminimalizowanie czasu oraz metod pracy. Te modułowe elementy pozwalają na szybką i tanią budowę domów.

W obiekcie HERMES klasyczna ceglana elewacja płynnie przechodzi w szklaną replikę. Aby stworzyć ten efekt, pracownia MVRDV we współpracy z TU Delft, inżynierami ABT i wykonawcą przeprowadziła intensywne badania. Uzyskanie efektu całkowitej przezroczystości przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości stanowiło największe wyzwanie przy opracowaniu tego połączenia. Innowacyjny system konstrukcyjny fasady z pustaków szklanych sposób spełnił oba kryteria. Szklane „cegły” zostały sklejone bezbarwnym klejem utwardzanym promieniami UV, zapewniającw ten sposób maksymalną przezroczystość na całej powierzchni. Pożądane właściwości konstrukcyjne można było uzyskać wyłącznie w systemie murowym, bez podkonstrukcji, która zaburzałaby efekt „ceglanej ściany”.

Crystal House, proj. MVRDV fot.  © MVRDV - materiały prasowe

 

Małe jest (nie tylko) piękne

Tworzenie nanomateriałów o właściwościach sięgających zaledwie miliardowych części metra wymaga niezwykłej precyzji. Znany jest pomysł użycia cegieł do gromadzenia ciepła pochodzącego ze słońca. W nieco zmodyfikowanych, zwykłych cegłach można magazynować energię elektryczną produkowaną w ogniwach słonecznych. Przy takim rozwiązaniu ściany budynku mogą działać jak akumulator. W tym celu opracowana została specjalna powłoka zbudowana z przewodzącego polimeru o nazwie PEDOT, która składa się z nanowłókien wnikających w pory cegły. Polimer zostaje umieszczony wewnątrz elementu i działa jak gąbka gromadząca jony, przechowująca oraz transportująca elektryczność. Dla wytworzenia superkondensatora z cegły niezbędny jest (nadający jej czerwony kolor) tlenek żelaza, czyli rdza. To ona rozpoczyna reakcję polimeryzacji i powstawanie powłoki. Cegły z innowacją PEDOT to idealne elementy budowlane, które przy połączeniu z ogniwami słonecznymi mogą zapewnić zasilanie np. dla oświetlenia awaryjnego obiektu.

Kolejnymi przykładami budowlanych materiałów ceramicznych, w których zastosowano nanomateriały, są gresy, terakota, cegły elewacyjne. Ich optymalizacja polega na dodaniu do ceramiki rozdrobnionego TiO2 lub pokryciu powierzchni gotowego wyrobu cienką warstwą tlenku. Rozdrobniony nanomateriał sprawia, że pokryte nim powierzchnie wykazują efekt samooczyszczenia.

Ponad schematem

Corocznie przyznawane są nagrody najlepszym budynkom wykorzystującym cegłę w innowacyjny sposób. Jedna z kategorii w konkursie Brick Award Building Outside The Box poświęcona jest w całości koncepcjom wychodzącym poza schemat zarówno w sposobach wytwarzania materiałów ceramicznych użytych w projekcie, jak i w zastosowaniu specjalnych rozwiązań. Przybliżymy kilka takich realizacji.

Rwanda Cricket Stadium (projektu Light Earth Designs, 2017) jest wynikiem pięcioletniej współpracy między architektami i fundacją Rwanda Cricket Association (RCA), podczas której skoncentrowano się na wykorzystaniu lokalnych materiałów i użyciu rodzimych technik budowlanych. Unikając w ten sposób importu, przyczyniono się do obniżenia śladu węglowego. Podczas gdy dynamiczna forma stadionu obrazuje wydajność strukturalną, jego materiały nawiązują do historii miejsca i ludzi, którzy przy nim pracowali. Co ważne, jest to obiekt wykonany przez Ruandyjczyków.  Peter Rich wraz z Timothym Hallem i inżynierem Michaelem Ramage’em opracowali pionierskie sklepienia z prasowanych cegieł ziemnych (CSEB). Płytki, które były prasowane hydraulicznie z niewielkim dodatkiem cementu, nie wymagały wypalania i zostały wyprodukowane na miejscu przy użyciu lokalnej ziemi. Kolejne warstwy układano za pomocą cienkiej zaprawy wapienno-cementowej, inkrustowanej przez geokratę na tymczasowym szkielecie drewnianym. Kładzione warstwami cegły stworzyły sklepienia o rozpiętości 16 m i wysokości 8 m. Aby określić optymalną formę parabolicznych łuków, uwzględniającą obszar aktywności sejsmicznej, system został opracowany przy użyciu analizy strukturalnej.
W tym projekcie niedoskonałości się celebruje – jako ludzkie i piękne. Wykorzystując suszone na powietrzu, ręcznie prasowane cegły, produkowane przy użyciu miejscowej siły roboczej, uzyskano efekt innowacyjny, opłacalny i piękny.

 Rwanda Cricket Stadium, proj. Light Earth Designs fot. dzięki uprzejmości Wienerberger

 

 W lepszej formie

Cegła jest materiałem prostym w formie, jednak w Münster w Nadrenii Północnej-Westfalii budynek Północno-Zachodniego Stowarzyszenia Przemysłu Włókienniczego i Odzieżowego prezentuje ten materiał w innej odsłonie. Szeroka na 70 metrów fasada obiektu (projeku Behet Bondzio Lin Architekten) sprawia wrażenie, jakby została owinięta materiałem. Z pomocą specjalnego oprogramowania wygenerowano model 3D oraz taki sposób rozmieszczenia elementów, który pozwolił osiągnąć pożądany efekt. Forma samej cegły też została zmieniona. Na tą potrzebę opracowane zostało sześć jej modeli o niestandardowym kształcie. Wszystkie są pięciokątami, w których kąty proste dłuższych boków zostały poszerzone nawet o 2,5 stopnia, przy czym najostrzej zakończona cegła miała kąt 105 stopni. Oznacza to, że ich krawędź jest prosta z jednej strony i jednocześnie wydłużona z drugiej, co sprawia, że ​​wyglądają, jakby były skręcone lub obrócone. To kreatywne podejście do murowania tworzy wyrafinowaną grę światła i cienia, która przywodzi na myśl falującą na wietrze tkaninę. Aby wyprodukować łącznie 74 000 cegieł o tym nietypowym kształcie, trzeba było opracować specjalne formy do prasy obrotowej. Obliczono dokładną liczbę potrzebnych modeli oraz sporządzono szczegółowy plan ich ułożenia dla murarzy pracujących przy budowie.

 

ProjektVerwaltungsgebäude Textilverband in Münster, Architekt Behet Bondzio Lin Architekten, Münster fot. dzięki uprzejmości Wienerberger

 

Budynek Pond Society (projektu Archi-Union Architects) pokazuje świat przyszłości i najnowocześniejszych technologii tworzenia. To przykład wykorzystania technologii prototypowania obiektu 3D, co umożliwia pracę na poziomie szczegółowości dotychczas nieosiągalnym. Wcześniej nie można było precyzyjnie osiągnąć murowanej struktury o swobodnej formie za pomocą tradycyjnych metod. Przy użyciu ramienia mechanicznego uzyskano efekt swobodnej nieregularnej bryły, tak trudny do osiągnięcia w klasycznej, ciężkiej masywnej technologii murowania. Fasady były wykonywane przez maszyny na podstawie cyfrowo zaprojektowanych wzorów. Wygenerowana komputerowo nieregularna faktura ściany obrazuje ekspresję architektoniczną oraz nowe możliwości warsztatowe

 

Pond Society,(proj. Archi-Union Architects) fot. James Florio

 

Miano najlepszej realizacji architektonicznej z cegły w ramach konkursu Brick Award w kategorii Building outside the box zdobył budynek biblioteki – Maya Somaiya Library – wzniesiony w miejscowości Kopargaon w Indiach, według projektu tamtejszej pracowni Sameep Padora & Associates. Na realizację obiektu przeznaczono wąski plac między istniejącą zabudową. Architekci zaprojektowali obiekt, którego kształt wydaje się wyrastać naturalnie z ziemi. Za inspirację posłużyły im wzory tradycyjnych XVI-wiecznych katalońskich sklepień oraz metody murowania zaczerpnie z pracy Eladio Dieste'a z połowy XX wieku. Optymalny kształt swobodnej struktury skorupy ceglanej wyliczono, korzystając z najnowocześniejszego oprogramowania komputerowego Rhino Vault, opracowanego przez Block Research Group z ETH. Ten „ceglany krajobraz” obrazuje połączone możliwości materiału i konstrukcji. Sklepiona konstrukcja, rozciąga się na prawie 45 m szerokości na 8 m długości i ma zaledwie 10 cm grubości. Cienka skorupa została podparta w pięciu punkach. Dzięki tej prostej konstrukcji Biblioteka Maya Somaiya jest w stanie unieść swoje własne obciążenie, a także wędrujących po niej ludzi. Obiekt jest nie tylko wypadkową wniosków wyciągniętych z lokalnego budownictwa, lecz także lekcją historii. Lokalne umiejętności zostały wsparte poprzez rozszerzone możliwości globalne.

Podsumowanie

Dobra innowacyjna architektura wykorzystuje lokalny kontekst, inspiruje się kulturą otoczenia i jego tradycją. Kiedyś cegła wykorzystywana była do wznoszenia solidnych, jednolitych murów i ścian. Od kilku już lat tworzy się z niej niestandardowe, ażurowe konstrukcje i łączy się ją z lekkimi materiałami. Wyzwania środowiska wciąż inspirują nas do poszukiwania lepszych rozwiązań. Współczesne technologie pozwalają na nowe wykorzystanie dobrze znanych nam materiałów, nadając im nową wartość.

Marta Gołębiowska
Marta Gołębiowska

architekt, doktorantka na Wydziale Architektury w Szczecinie, zajmuje się tematyką stosowania cyfrowych narzędzi parametrycznych w systemie projektowym, redaktor prowadząca Z:A

reklama

Warto przeczytać