PROJEKTOWANIE DLA ODZYSKU
Problem odpadów i szkodliwych oddziaływań stanowi rzeczywiste wyzwanie dla współczesnych gospodarek. Budować postępowo – oznacza budować ze znaczącym wykorzystaniem surowców odnawialnych – tym właśnie zajmuje się architektura cyrkularna.
Architektura cyrkularna to taki sposób projektowania, w wyniku którego powstają budynki odpowiadające zasadom gospodarki obiegu zamkniętego (inaczej: ekonomii cyrkularnej), czyli nowemu odnawialnemu modelowi gospodarczemu. Ekonomia cyrkularna syntetyzuje takie koncepcje, jak: teoria gospodarki funkcjonalno-usługowej (Stahel, 2006), filozofia projektowania Cradle-to-Cradle (Brangaurt, McDonough, 2002), biomimikra (Benyus, 1998), ekologia przemysłowa (Lifset, Graedel, 2001), kapitalizm naturalny (Lovins i in., 2000) i system błękitnej gospodarki (Pauli, 2010). Koncepcja ta dąży do przekształcenia produktów i usług w sposób, który pozwoli wyeliminować problem odpadów i szkodliwych oddziaływań. Korzysta z odnawialnych źródeł energii i materiałów, zamkniętych obiegów substancji oraz kapitału społecznego i środowiskowego (Fundacja Ellen McArthur, 2015). Rozdziela rozwój społeczno-gospodarczy od konsumpcji surowców nieodnawialnych. Dąży do minimalizacji działań produkcyjnych poprzez efektywne wykorzystanie lokalnie dostępnych zasobów, korzystanie ze źródeł odnawialnych oraz surowców biodegradowalnych lub recyklingowalnych. Zachowuje i wzbogaca kapitał naturalny poprzez kontrolę ograniczonych zapasów i równoważenie strumieni zasobów odnawialnych. Architektura zgodna z założeniami ekonomii cyrkularnej dąży do ograniczenia zużycia surowców naturalnych, zmniejszenia ilości odpadów i redukcji oddziaływania budynków na środowisko. W budynkach projektowanych zgodnie z zasadami gospodarki obiegu zamkniętego nie tylko stosowane są materiały wtórne, lecz również całe obiekty kształtowane są w sposób umożliwiający odzysk ich elementów w przyszłości.
Potencjał
Materiały są odzyskiwane w budownictwie od czasów starożytnych. Pojawiały się zarówno w budynkach reprezentacyjnych (np. świątynia Ise w Japonii), trwałych (np. łuk Konstantyna w Rzymie), jak i w obiektach tymczasowych (np. konstrukcje namiotowe) oraz mobilnych (np. Dymaxion House w Stanach Zjednoczonych). Stosowane są w projektach uwzględniających parametr czasu oraz cykl życia materiałów budowlanych. Żywotność elementów budynku i zapewnienie dostępu do nich jest podstawą kształtowania obiektu zgodnie z Teorią Warstw (Brand, 1994), a odzysk determinuje formę
obiektu w procesie projektowania dla demontażu (Crowther, 2000) czy odwracalności konstrukcji (Ruby, 2010). Współcześnie materiały wtórne znajdują zastosowanie w obiektach tymczasowych (np. papierowe rury z recyklingu jako konstrukcje budynków typu Paper Log, dla ofiar katastrof naturalnych, proj. S. Ban), wykorzystujących prace manualne i lokalne techniki rzemieślnicze (plac zabaw w Limie, proj. Basurama) oraz niskotechnologiczne metody budowlane zgodne z zasadami kształtowania architektury alternatywnej (budynki mieszkalne typu „Earthship” w Nowym Meksyku, proj. M. Reynolds). Standardowe (np. cegła rozbiórkowa, gruz budowlany) i nietypowe (np. maszyny przemysłowe, turbiny wiatrowe) materiały z odzysku pojawiają się często w projektach adaptacyjnych (np. muzeum Tate Modern w Londynie, proj. Herzog, de Meuron). Według koncepcji 3R (Petzet, 2012) nieużytkowane elementy konstrukcji lub inne odpady budowlane wykorzystuje się, adaptując projekty tak, aby ograniczyć działania budowlane do niezbędnego minimum. Ponowne wykorzystanie odpadów w budownictwie generuje nową wartość – popularnym przykładem upcyklingu jest wtórne wykorzystanie kontenerów transportowych (np. do budowy domów jednorodzinnych typu „Cargotecture”, proj. Hybrid Architects). Nieużytkowane jednostki transportowe są przystosowywane do nowych funkcji za pomocą prostych modyfikacji (np. wycięcie otworów okiennych) lub z wykorzystaniem zaawansowanych technologii (np. przekształcenie kontenerów w jednostki mieszkalne w zakładach produkcyjnych). W różny sposób przekształca się również lokalnie pozyskane materiały wtórne według prośrodowiskowej koncepcji Superuse (van Hinte i in., 2007) – służą one do modernizacji lub budowy nowych obiektów. Realizowane w ten sposób budynki powstają w Holandii, m.in. w Rotterdamie (np. klub muzyczny WORM), Dordrechcie (np. przestrzeń wystawowa Dordyart) czy Maastricht (np. centrum recyklingu Kringloop Zuid) – wszystkie zaprojektowane przez Superuse Studios. Odzysk materiałowy stanowi podstawę koncepcji Metabolizmu Miasta (Wolman, 1964), według której wszystkie materiały i substancje nieustannie krążą w przestrzeni miejskiej. Zrównoważony metabolizm miasta odchodzi od modelu liniowego, wykorzystując procesy odzysku, i zamyka przepływy materiałowe w mieście. Przykładem idealnego metabolizmu kołowego jest teoria Cradle-to-cradle (Braungart, McDonough, 2002), według której wszystkie materiały w mieście krążą w nieskończonych obiegach biologicznych i technologicznych. Cyrkulacja taka sprawia, że każdy odpad staje się surowcem dla nowego produktu.
Materiały wtórne
Wymienione koncepcje projektowe i przykłady pokazują, że problem zastosowania materiałów wtórnych i projektowanie dla odzysku jest zagadnieniem ciągle aktualnym. W budownictwie stosuje się takie materiały wtórne, jak: beton (np. istniejąca konstrukcja betonowa w budynku przy Brunnerstasse 9 w Berlinie, proj. Arno Brandlhuber), wielka płyta (np. galeria Plattenpalast w Berlinie, proj. Hopp Wiewiorra Architekten), cegła rozbiórkowa (np. Muzeum Sztuki w Ravensburg, proj. Lederer Ragnarsdottir Oei Architekten), wyroby ceramiczne (np. wykończenie wewnątrz 26 House w Santa Monica, proj. R.& Kappe Architects), gruz budowlany (np. elewacje Muzeum Historycznego w Ningbo, proj. W. Shu), kamień (np. kamienne elementy peronów jako wzmocnienie skarpy obok Dworca Głównego we Wrocławiu, proj. Grupa 5 Architekci), stal (np. elewacje z blachy stalowej w centrum recyklingu Kringloop Zuid w Maastricht, proj. Superuse Studios) i inne metale (np. aluminiowe panele elewacyjne w bibliotece w Magdeburgu, proj. Karo Architekten), drewno (np. elewacje z drewna ze szpul kablowych w projekcie Villa Welpeloo w Enschede, proj. Superuse Studios), materiały drewnopochodne (np. okładzina ścian i podłóg wewnątrz w galerii Dordyart w Dordrechcie, proj. Superuse Studios), tworzywa sztuczne (np. toalety umieszczone w pojemnikach z tworzyw sztucznych w klubie WORM w Rotterdamie, proj. Superuse Studios), guma (np. ściany nośne z opon w budynku Earthship w Zwolle, proj. Superuse Studios), szkło (np. szyby samochodowe tworzące fasadę Glass Chapel w Masons Bend, proj. Rural Studio), maszyny przemysłowe (np. urządzenia dawnego Młyna w Zabierzowie), detale architektoniczne (np. okna klasztorne wmurowane w nowe ściany apartamentowca Klostergarten Lehel w Monachium, proj. Hild und K Architekten), oświetlenie (np. lampy przemysłowe w klubie WORM), przewody instalacyjne (np. pozostawione jako dekoracja w Fabryce Trzciny w Warszawie, proj. Kulczyński Architekt), znaki drogowe (np. detale elewacji Muzeum Transportu w Lozannie, proj. Gigon Guyer Architekten), turbiny wiatrowe (np. tworzące ławki miejskie Re-wind w Rotterdamie, proj. Superuse Studios) oraz odpady konsumpcyjne (np. kolektor powietrzny z puszek aluminiowych w Młynie Zabierzów). Wykorzystuje się je jako elementy konstrukcyjne, wykończeniowe, dekoracyjne oraz meble. Produkowane są nowe materiały z odpadów szklanych (np. Foamglass+), kamiennych (np. Stonecycling), metalowych (np. Allusion), asfaltowych (np. Plasphalt), papierowych (np. Newspaperwood) i z tworzyw sztucznych (np. RecyBlock). Jednak materiały wtórne stosowane są w obiektach architektonicznych rzadko, a tylko nieliczne obiekty architektoniczne projektowane są w sposób umożliwiający odzysk ich elementów w przyszłości. Przykłady architektury cyrkularnej przedstawiono poniżej i mogą być one inspiracją do wdrażania tego typu rozwiązań w budownictwie.
Earthship, Zwolle, Holandia
Budynek wystawowy o powierzchni 400 m2 zaprojektowany przez Superuse Studios zrealizowano w 2009 r. według modelu budynku naturalnego Earthship (M. Reynolds), czyli obiektu samowystarczalnego, niskoenergetycznego, wykorzystującego materiały naturalne i odpadowe – standardowe rozwiązania zostały dostosowane do warunków holenderskich. Obiekt pełni funkcję gastronomiczną, w którym ogólnodostępna część barowa oddzielona jest od zaplecza, sanitariatów i magazynu centralnym holem wejściowym. Od strony północnej budynek ma formę nasypu ziemnego, wzmocnionego oponami i porośniętego zielenią, przez co naturalnie wpisuje się w krajobraz okolicznego parku. Od strony południowej pomieszczenia połączone są szklarnią i ogrodem zimowym. Otwarcie obiektu w kierunku południowym umożliwia gromadzenie zysków cieplnych, a stała temperatura ziemi stabilizuje parametry klimatyczne wewnątrz. Źródłem energii elektrycznej są zamontowane na dachu ogniwa fotowoltaiczne oraz turbina wiatrowa umieszczona przy wejściu do obiektu. Woda deszczowa zbierana jest w 2000-litrowych zbiornikach i następnie odzyskiwana w obiegu szarej wody w toaletach. Ze względu na wysoki poziom wód gruntowych konieczne było posadowienie budynku na poziomie terenu, na betonowym fundamencie, a nie jak w tradycyjnych rozwiązaniach – w wykopie. Ponadto, ze względu na przepisy holenderskiego prawa budowlanego, wejście do obiektu nietypowo znajduje się od strony północnej, a budynek podłączony jest do miejskiego systemu kanalizacji i wody. Masywne ściany konstrukcyjne wykonano z 1000 zużytych opon samochodowych wypełnianych i osypywanych ubitą ziemią oraz cementem. Grubość muru zapewnia dobrą izolację termiczną. Ściany niekonstrukcyjne wykonano z 6000 puszek aluminiowych i 7000 butelek szklanych zatopionych w cemencie. Ponadto do wykończenia wnętrz restauracji, holu wejściowego i łazienek użyto potłuczonych płytek ceramicznych zastosowanych w formie mozaiki. Według studium przeprowadzonego przez Nederlands Instituut voor Bouwbiologie en Ecologie1 (2009) Earthship charakteryzuje się dziewięciokrotnie niższym oddziaływaniem na środowisko niż budynek wykonany w technice tradycyjnej.
Dom R128, Stuttgart, Niemcy
Czterokondygnacyjny budynek mieszkalny o powierzchni 200 m2 wpisany został przez projektanta (W. Sobek) w porośniętą drzewami skarpę. Transparentne ściany otwierają dom na otoczenie i sprawiają, że okoliczna zieleń tworzy tło dla życia wewnątrz. Budynek o szklanej elewacji wsparty jest na lekkiej konstrukcji stalowej. Modularność wszystkich elementów budynku powoduje, że są one łatwe w prefabrykacji, montażu i demontażu, co w efekcie skraca czas budowy i umożliwia całkowity recykling budynku w przyszłości. Szklane, wypełnione gazem panele elewacyjne zapewniają ochronę przed przegrzaniem i mrozem, a otwieralne panele okienne umożliwiają naturalne przewietrzanie budynku. Ponadto dom wyposażono w czterdzieści sześć kolektorów słonecznych i pompę ciepła, dzięki czemu jest on samowystarczalny pod względem energetycznym. Konstrukcję obiektu stanowi czterokondygnacyjny ruszt z elementów stalowych o wysokości 11,2 m. Wszystkie połączenia konstrukcji wykonano jako łączenia typu wpust–wypust lub za pomocą śrub oraz precyzyjnie zaprojektowanych otworów, co zapewniło szybkość montażu (4 dni) i łatwość demontażu oraz pozwoliło zredukować ilość użytego materiału. Zgodnie z koncepcją odwracalności konstrukcji wszystkie zastosowane w budynku materiały: stal, aluminium, szkło i drewno – podlegają recyklingowi.
Villa Welpeloo, Enschede, Holandia
Villa Welpeloo jest jednorodzinnym budynkiem mieszkalnym z niewielką przestrzenią wystawową (powierzchnia: 312 m2). Zaprojektowana została przez Superuse Studios i zrealizowana w 2009 r. Na parterze budynku umieszczono garaż, pokój gościnny, kuchnię oraz dwupoziomowy salon wraz z częścią wystawienniczą. Na pierwszym piętrze znajdują się sypialnie i łazienka. W Villa Welpeloo 60% wszystkich użytych materiałów stanowią materiały wtórne, w większości będące odpadami poprzemysłowymi z lokalnych przedsiębiorstw (w promieniu 15 km). Okładzinę elewacyjną budynku wykonano z drewnianych desek, które pierwotnie stanowiły części ogromnych szpul kablowych, odpadu z pobliskiej fabryki kabli. Sosnowe drewno desek wymagało jedynie impregnacji, którą zapewniono poprzez zastosowanie metody termicznej obróbki Plato wykorzystującej energię odpadową i nieużywającej jakichkolwiek substancji chemicznych. Konstrukcję budynku wykonano w 90% z belek stalowych pochodzących z odzysku – z dawnej maszyny z fabryki tkanin. Izolację termiczną budynku wykonano z paneli polistyrenowych pochodzących z wyburzanego budynku fabrycznego. Okładzinę ścian łazienki zaprojektowano w formie paneli z przetopionych jednorazowych kubków. Zastosowano takie materiały wtórne, jak: szkło z odzysku (Pilkington), znaki budowlane jako półki i podnośnik z budowy jako dźwig między piętrami. Budynek został zaprojektowany i wykonany
w sposób świadczący o świadomości cyklu życia obiektu oraz materiałów. Sposób łączenia elementów konstrukcyjnych (śruby zamiast spawania) czy połączenia desek elewacyjnych umożliwiają łatwy demontaż obiektu i wymianę elementów. Zastosowanie materiałów wtórnych przyniosło korzyści ekologiczne. Podczas wykonania elewacji wygenerowano tylko 5% ilości emisji CO2, która powstałaby przy użyciu nowych materiałów. Podobnie zredukowana została ilość emisji CO2 dzięki ponownemu wykorzystaniu elementów konstrukcyjnych (12%). Modyfikowalny budynek zaprojektowany ze świadomością cyklu życia umożliwia łatwe naprawy i demontaż obiektu, co sprzyja przyszłemu odzyskowi materiałowemu.
3D-Printed Canal House, Amsterdam, Holandia
Celem projektu jest wyprodukowanie typowego amsterdamskiego domu nad kanałem, wykorzystując technologię druku trójwymiarowego. Powstający w ramach programu „Research and do”2, projektowany przez Dus Architects budynek drukowany jest od 2014 r. w specjalnie w tym celu wybudowanej sześciometrowej drukarce 3D. Obiekt drukowany jest w trzynastu częściach odpowiadających poszczególnym pomieszczeniom oraz elementom fasady, które następnie zostaną połączone, tworząc całość. Eksperymentalne zastosowanie druku 3D umożliwia łatwe wyprodukowanie skomplikowanych detali architektonicznych oraz wprowadza możliwość wielokrotnego wariantowania finalnego elementu (przy wykorzystaniu metod programowania parametrycznego). Osobny wydruk każdego z pomieszczeń umożliwia natychmiastową ocenę projektu, jego szybką modyfikację, dostosowanie do indywidualnych potrzeb przyszłych użytkowników oraz łatwy montaż i demontaż obiektu. Drukowane trójwymiarowo ściany wyposażone są w elementy łączące konstrukcję, instalacje, kable. Nowatorskie rozwiązania konstrukcyjne są opracowywane i testowane we współpracy z firmą Tentech. Konstrukcję obiektu stanowi modyfikowalna trójwymiarowa siatka, którą można wypełniać np. betonem. Nakładające się na siebie elementy siatki zwiększają wytrzymałość konstrukcji i wraz z zawartymi między nimi pustkami tworzą wzmocnienie całego budynku. Innowacyjne rozwiązania materiałowe opracowywane są we współpracy z firmą Henkel. Celem jest stworzenie zdrowego, odnawialnego, zrównoważonego, wytrzymałego i estetycznego materiału, który mógłby konkurować z istniejącymi technikami budowania. Obecnie filament, materiał do druku trójwymiarowego, wykonywany jest z roztapianych bioplastików (80%). W przyszłości zakłada się możliwość wykorzystania granulatu z tworzyw sztucznych z recyklingu. Podejmowane są próby wykorzystania materiałów naturalnych, takich jak np. mączka ziemniaczana lub bambus. Dla wzmocnienia i łączenia drukowanych elementów opracowywany jest również beton ekologiczny „Ecoconcrete”. Budynek znajduje się w fazie testów materiałowych – optymalny materiał nie został jeszcze zdefiniowany. Szklenia wydrukowanych otworów okiennych będą wypełniane szkłem produkowanym ręcznie – w ten sposób dom ma łączyć standardowe techniki rzemieślnicze z przyszłościową technologią druku 3D.
Podsumowanie
Przedstawione w artykule przykłady pokazują odmienne sposoby kształtowania budynków z wykorzystaniem materiałów wtórnych oraz projektowania dla odzysku. Prezentowane obiekty różnią się zarówno pod względem stosowanych materiałów (od tworzyw sztucznych do wielkiej płyty), jak również sposobu ich przekształcania (od rozwiązań niskotechnologicznych do tych wymagających wykorzystania wysokich technologii i druku trójwymiarowego) oraz kształtowania obiektu (warstwowość, odwracalność połączeń, modułowość). Jednak – pomimo tych różnic – można wyszczególnić pewne cechy wspólne architektury cyrkularnej, zarówno na poziomie materiału, formy, jak i procesu projektowego. Materiały dobierać należy z uwzględnieniem sposobu i czasu użytkowania, a także ich przetworzenia i wtórnego użycia. Powinny być monostrukturalne, nietoksyczne, zdrowe, modyfikowalne, bezpieczne, odpowiednio oznakowane (łatwa identyfikacja składu) oraz podlegające recyklingowi. Preferuje się formę budynku otwartą, adaptowalną, mobilną, modułową, estetyczną, o ograniczonej ilości materiałów i połączeń, z łącznikami mechanicznymi oraz pośrednimi. Struktura elementów obiektu powinna być zaplanowana hierarchicznie z uwzględnieniem uwarunkowań montażowych, transportowych i demontażowych. Proces projektowy musi ewoluować w kierunku zintegrowanym, elastycznym i interdyscyplinarnym. Rozbudowana faza wstępna procesu uwzględnia badania, konsultacje oraz testy materiałowe. Istotną różnicą w procesie projektowo-budowlanym jest konieczność zdefiniowania źródeł materiałów wtórnych, wprowadzenia selektywnej zbiórki odpadów budowlanych oraz zachowawczej rozbiórki budynków w celu zapewnienia dobrej jakości surowców do powtórnego wykorzystania. n
1. Nederlands Instituut voor Bouwbiologie en Ecologie (hol.) – Holenderski Instytut Biologii i Ekologii Budynku (NIBE). 2. Research and do (ang.) – „Badaj i rób”.
Architektura cyrkularna: zastosowanie odpadów. (Projektowanie dla odzysku.) Abstrakt: Architektura zgodna z założeniami ekonomii cyrkularnej wykorzystuje materiały wtórne oraz umożliwia odzysk elementów budynku w przyszłości. Projektowanie obiektów, w których stosowane są odpady budowlane, wymaga poszukiwań i testów materiałowych, elastycznego procesu projektowego oraz licznych konsultacji eksperckich. Odzysk elementów budowlanych należy uwzględnić na etapie projektu – budynki takie powinny być kształtowane warstwowo, a scenariusze ponownego użycia trzeba zdefiniować na początku procesu projektowo-budowlanego. W artykule przedstawiono teorie projektowe, wybrane przykłady oraz cechy obiektów projektowanych zgodnie z założeniami ekonomii cyrkularnej. Circular architecture: the reuse of building materials. (Designing for reuse.) Abstract: Architecture, which conforms to the principles of circular economy, reuses construction waste and enables the future reuse of building materials. Working with waste requires research, material tests, consultations and the flexible design process. The reuse of building materials should be considered in the beginning of the design process. It is necessary that buildings are planned according to the lifecycles of their elements. Moreover, the reuse scenarios need to be defined in the conceptual phase of the project development. In this paper, adequate theories and case studies are presented. Furthermore, some general rules concerning the form, materials and the design process are established. Słowa kluczowe: materiały wtórne, odzysk, projektowanie dla odzysku, ekonomia cyrkularna Key words: reused materials, reuse, construction waste, design for reuse, circular economy.
dr inż. arch. Urszula Koźmińska Wydział Architektury, Politechnika Warszawska / Aarhus School of Architecture
