STAL W ARCHITEKTURZE

Celem artykułu jest zdefiniowanie estetycznej roli stali w architekturze przy jednoczesnym uwzględnieniu jej specyfiki technicznej.

Wykorzystanie stali w architekturze sięga XIX wieku, choć początkowo dotyczy głównie mostów czy hal fabrycznych, które w ówczesnym rozumieniu są obiektami inżynieryjnymi – niegodnymi konkurowania z dziełami architektury [1]. Techniczne walory stali dostrzega się niemal natychmiast. Stal przyczynia się do boomu budowlanego miast amerykańskich, głównie Chicago, a potem Nowego Jorku. Wraz z wynalezieniem windy architektura amerykańska pnie się w górę. Zachwyt nad technicznymi możliwościami stali nie idzie jednak w parze z postrzeganiem jej estetyki. W uznawanym za pierwszy wielopiętrowy budynek o szkielecie stalowym Gmachu Towarzystwa Ubezpieczeń w Chicago (1883-85, arch. William Jenney) nowatorska konstrukcja zostaje ukryta pod „maską” neorenesansu włoskiego. Podobnie nieco późniejsze drapacze chmur, zwłaszcza autorstwa F. Adlera i L.H. Sullivana – reprezentantów tzw. szkoły chicagowskiej, posiadają jeszcze często cechy historyzmu europejskiego. Symbolem wykorzystania stali staje się jednak budowla europejska. Paryska wieża Eiffla została wybudowana z okazji wystawy światowej w 1889 roku i osiągnęła niebotyczną jak na owe czasy wysokość 300 metrów. Obiekt stanowił demonstrację możliwości technicznych ówczesnego świata budowlanego i jest uważany za arcydzieło myśli inżynierskiej. Jak pisze Tadeusz Broniewski: „linie sił tej (…) budowli objawiają się nieskazitelnie w jej sylwecie”1. Ażurowa konstrukcja kratowa waży zaledwie 7300 ton z 10100 ton wagi całkowitej. Pomimo technicznych zalet obiekt nie zyskał aprobaty ówczesnych środowisk twórczych, w tym architektonicznych. Krótka geneza stali w architekturze skłania do przyjrzenia się jej wykorzystaniu w czasach współczesnych.

Forma przestrzenna

Charakterystyczną cechą stali jest duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie, której nie ma beton. Jest przy tym relatywnie lekka. Walory te sprawiają, że z punktu widzenia konstrukcyjnego znakomicie nadaje się do przekryć wielkoprzestrzennych, znajdując zastosowanie w halach fabryk, magazynów, budynkach użyteczności publicznej, budowlach sportowych itd. Z perspektywy architektonicznej tego typu zastosowania mają szczególną siłę oddziaływania, gdy konstrukcja stalowa tworzy nie tylko element strukturalny budynku, ale jednocześnie kreuje jego wizerunek estetyczny, wpływając bezpośrednio na formę przestrzenną lub, szerzej, formę architektoniczną. Jednym z najbardziej rozpoznawalnych przykładów takiego wykorzystania stali w architekturze współczesnej stała się główna hala dworca lotniczego i kolejowego Saint Exupery w Lyonie (1994, arch. Santiago Calatrava), a dokładniej – s talowy 180-metrowy łącznik pomiędzy dworcem a terenami lotniska. Stanowi go hala główna z ważącym 1300 ton dachem o wymiarach 120 x 100 metrów, maksymalnej wysokości 40 m i rozpiętości 53 m. Konstrukcja stalowa przekrycia została w dużej mierze wyeksponowana na zewnątrz, kształtując dwie zorientowane ku górze płaszczyzny dachowe. Tworzą one charakterystyczne dla stylu Calatravy odwołania do szkieletu zwierzęcego, przypominając skrzydła ptaka wzbijającego się do lotu [2]. Stal jako materiał konstrukcyjny pozwala realizować śmiałe wizje architektoniczne dotyczące kształtu budynku. Jest materiałem, który znajduje częste zastosowanie w dążeniu do uzyskiwania form dynamicznych, przykładowo – oderwanych od gruntu, silnie nadwieszonych lub pochylonych – rzec można: w kształtowaniu form przestrzennych, które mają niejako zaprzeczać prawu grawitacji. Interesującym przykładem obrazującym takie podejście projektowe jest budynek Dockland Office w Hamburgu (2005, arch. BRT – Bothe Richter Teherani). Forma przestrzenna tego obiektu, który usytuowany jest na terenach portowych, nieprzypadkowo nawiązuje do kadłuba nowoczesnego statku lub jachtu, posiadając niezwykle silnie pochylone krótsze ściany elewacyjne (odchylenie od pionu wynosi 66 stopni). Wysunięcie górnej krawędzi elewacji w stosunku do krawędzi stycznej z gruntem wynosi 47 metrów. Uzyskanie takiego kształtu było możliwe dzięki zastosowaniu belek stalowych tworzących skratowania na całej wysokości dwóch dłuższych elewacji. Konstrukcja stalowa odpowiedzialna jest za przenoszenie obciążeń poziomych na kierunku podłużnym. W miejscu, w którym tworzy wystający „dziób” budynku, została wykonana jako jednoelementowy prefabrykat i przetransportowana rzeką bezpośrednio na teren budowy, a następnie przymocowana do żelbetowej konstrukcji budynku (trzony i stropy żelbetowe przenoszą siły poziome działające w kierunku poprzecznym). W warszawskim wieżowcu Cosmopolitan (2013, arch. Helmut Jahn) stal została wykorzystana w konstrukcji podwieszanej (wantowej) (rys., fot. 1.). Konstrukcja ta umożliwiła uzyskanie unikalnej formy przestrzennej budynku, cechującej się silnym podcięciem w dolnej partii bryły. Z punktu widzenia konstrukcyjnego podcięcie to stanowi wspornik o wysunięciu 11,7 m, który podtrzymuje 30 kondygnacji wykonanych w konstrukcji żelbetowej sprężonej. Przeniesienie obciążeń umożliwiają zespoły want mostowych osadzonych na 3 poziomach, do których podwieszonych jest po 10 kondygnacji (rys.). Wanty (wieszaki) nachylone zostały pod kątem 76 stopni. Każda z nich, o długości około 35 m, wykonana została z 75 bądź 109 lin ze stali wysokiej wytrzymałości (1860 MPa) umieszczonych w rurze osłonowej.Zalety stali w omawianym aspekcie wiążą się również z jej mniejszym niż żelbet ciężarem. Może mieć to znaczenie w nadawaniu nowych, śmielszych form przestrzennych w ramach przekształcania budynków istniejących. W modernizacji budynku biurowego przy ul. Modlińskiej w Warszawie (2018, arch. Janusz Marchwiński, konstr. Bronisław Karcz, Studio Budowlane Unity) zaproponowana została zmiana partii dachowej. Nowo projektowany dach nad nadbudowanym istniejącym budynkiem miał mieć 2-metrowy wspornik od strony północnej, a od strony frontowej (wschodniej) wspornik wysunięty na ok. 3 metry i podparty w narożniku zewnętrznym trzema rurami stalowymi – fot. 2a i 2b. Z uwagi na konstrukcję murowaną istniejącego budynku oraz jego kilkudziesięcioletnią eksploatację podjęto decyzję o wykonaniu lekkiej konstrukcji dachu. Mimo iż żelbetowa płyta stropowa mogłaby spełnić oczekiwania koncepcji architektonicznej, ze względu na ciężar własny została odrzucona. Płyta stropowa przy grubości stropu 20 cm ważyłaby 500 kg/m2, a dla całego stropu o powierzchni 168,4 m2 ciężar wyniósłby 84200 kg. Spowodowałoby to duże obciążenia istniejących ścian budynku oraz fundamentów, co wymagałoby znacznych nakładów finansowych na ich wzmocnienie. Z tych powodów podjęto decyzję o wykonaniu dachu nad budynkiem istniejącym w konstrukcji stalowej. Konstrukcja ta zmniejszyła trzykrotnie ciężar dachu względem konstrukcji żelbetowej, a wzrost obciążenia na fundamenty nie przekroczył 20%.

Estetyka elewacji budynków

Architektura współczesna często nazywana jest architekturą szkła i stali. Choć z pewnością stwierdzenie to jest dużym uproszczeniem, niewątpliwie, przyglądając się drogim komercyjnym realizacjom, zwłaszcza miejskich budynków biurowych, hotelowych i użyteczności publicznej, należy przychylić się do tezy, że materiały te należą do jednych z najczęściej wykorzystywanych. Stal dobrze uzupełnia się ze szkłem zarówno pod względem technicznym, jak i estetycznym, czego potwierdzeniem są przeszklone ściany kurtynowe, choć w ich konstrukcji stal często zastępowana jest aluminium. Nie dotyczy to jednak kształtowania elewacji przeszklonych, które same w sobie stanowią element strukturalny budynku. Znakomitym przykładem obrazującym wykorzystanie stali w konstrukcji przeszklonych ścian elewacyjnych jest budynek hotelowy w Macau (2018, arch. Zaha Hadid). W obrębie istniejącego, opuszczonego budynku, którego regularny plan był już wcześniej zdefiniowany, Zaha Hadid zaproponowała zewnętrzną stalowo-szklaną konstrukcję elewacyjną nazwaną exoskeleton. Jest to bowiem szkielet stalowy wyeksponowany na zewnątrz i obłożony panelami aluminiowymi. Konstrukcja nadała budynkowi unikalny amorficzny kształt. Powłokę tę tworzą powyginane profile stalowe wypełnione szkleniem elewacyjnym, ułożone w trójkątne i romboidalne pola. Poza walorami estetycznymi konstrukcja elewacji sprawiła, że wewnętrzna przestrzeń przyelewacyjna mogła zostać pozbawiona słupów, co zwiększyło jej elastyczność funkcjonalną. Mimo iż stal kojarzona jest głównie z materiałem konstrukcyjnym, rośnie jej rola jako elementu okładzinowego stosowanego na elewacjach. Zastosowanie znajduje głównie stal nierdzewna, która poza odpornością na korozję posiada walory estetyczne nadające elewacjom charakterystyczny metaliczny połysk – kojarzony z luksusem, nowoczesnością, zaawansowaniem technologicznym, industrialnością. Taki też był zamysł pierwszego w architekturze zastosowania okładzin ze stali nierdzewnej w słynnej dekoracji art deco ozdabiającej wieżę budynku Chryslera w Nowym Jorku (1931, arch. W. van Alen, Reinhard, Hofmeister & Walguist). Materiał ten upodobali sobie architekci wywodzący się z postmodernistycznego nurtu high-tech, jak m.in. Norman Foster, Nicolas Grimshaw czy Richard Rogers. Ten ostatni jest twórcą projektu położonego w sercu Londynu budynku biurowego Lloyds (1986), jednej z ikon architektury high-tech i jednej z najbardziej rozpoznawalnych elewacji „ze szkła i stali”. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na potencjalne problemy natury urbanistyczno-użytkowej związane z niekontrolowanym odbiciem promieniowania słonecznego przez okładziny ze stali nierdzewnej na dużych powierzchniach elewacyjnych. Wynikają one ze stosunkowo wysokiego stopnia refleksyjności tego materiału (wartości albedo stali nierdzewnej wynoszą min. 65%) [4] i co oczywiste – dotyczą budynków w gęstej tkance zabudowy. Problematyka ta staje się coraz silniej rozwijaną dziedziną wiedzy w ramach badań nad zrównoważonym rozwojem miast1. W nowszych realizacjach, obok tradycyjnych – pełnych okładzin ze stali nierdzewnej – spotyka się okładziny ażurowe. Oryginalne rozwiązanie elewacyjne zastosowano w modernizacji dwóch odmiennych stylowo budynków Ministerstwa Kultury w Paryżu (2005, arch. Francis Soler, Frederic Druot). Elewacje budynków zostały obłożone ażurowymi panelami ze stali nierdzewnej, które, odstając od elewacji, tworzą rodzaj oplatającej jej siatki, zgodnie z intencją twórców projektu – spajającej oba obiekty w jedną kompozycyjną całość. Perforacja okładzin sprawia, że elewacje budynków zmieniają się w ciągu doby pod wpływem „gry światła i cienia”. Odmienną estetyką cechują się coraz popularniejsze, choć wciąż relatywnie mało znane okładziny z blachy stalowej corten. Jest to materiał, który wyglądem przypomina miedź lub stal pokrytą rdzą, w rzeczywistości – pod wpływem warunków atmosferycznych powstaje na niej warstwa patyny, która spowalnia proces korozji. Materiał ten należy izolować od innych materiałów podatnych na korozję – z tego powodu wymagany jest montaż na podkonstrukcji (łącznikach) nierdzewnej. Z uwagi na ściekający rdzawy nalot należy chronić elewacje przed zabrudzeniem, wskazane są także aplikacje w pozycji wertykalnej. Stal corten wymaga też świadomego stosowania w aspekcie estetycznym. Ten charakterystyczny materiał, kojarzony głównie ze światem przemysłu, ma z tego powodu ograniczenia, niemniej trafnie użyty – potęguje siłę niewerbalnego przekazu. Taką rolę estetyczno-metaforyczną materiał ten spełnia w budynku Europejskiego Centrum Solidarności w Gdańsku (2014, arch. FORT Architekci). Znaczny udział blachy corten w elewacjach budynku ma, zgodnie z wolą projektantów, symbolicznie i wizualnie korespondować ze stoczniowym otoczeniem – surowym industrialnym krajobrazem. Przywołuje też skojarzenia z budową kadłuba statku – fot. 3. W otwartym dwa tygodnie później krakowskim Ośrodku Dokumentacji Sztuki Twórczości Tadeusza Kantora zwanym Cricoteką (2014, arch. Wizja i nsMoon Studio) elewacje budynku zostały pokryte perforowaną blachą corten. Rozwiązanie to spowodowało, że obiekt, zwłaszcza przy oświetlonych wnętrzach, nabrał wizualnej lekkości. Budynek, który powstał w ramach rewitalizacji starych zabudowań elektrowni Krakowa Podgórze, stanowi czytelną symbolikę dialogu świata przemysłu ze światem sztuki. Podobną ideą kierował się autor artykułu wraz z zespołem w konkursowym projekcie Ośrodka Ruczaj – filii Centrum Kultury Podgórza w Krakowie (2017, arch. Studio Budowlane Unity: Janusz Marchwiński, Gerard Jeleń, współpraca Michał Dołbniak – II nagroda). Charakterystyczną cechę projektu stanowi autorska koncepcja elewacji z perforowanej blachy stalowej corten inspirowana ludowymi motywami stroju krakowskiego, która w tym przypadku ma stanowić symboliczny dialog kultury krakowskiej z przemysłowym charakterem dzielnicy – fot. 4 a i b.

Podsumowanie

Wykorzystanie stali od czasów pierwszych jej aplikacji w architekturze przeszło gruntowną ewolucję. Stal została zaakceptowana na gruncie architektury rozpatrywanej w kategoriach estetycznych – stała się pełnowartościowym składnikiem dzieła architektonicznego. Nie ulega wątpliwości, że stal jako materiał budowlany i konstrukcyjny jest obecnie jednym z najbardziej popularnych materiałów stosowanych w budynkach. n
1) Piszą o tym np. B. Givoni, Climate Considerations in Building and Urban Design, Willey@Sons New York, 1998; K. Zielonko-Jung, Kształtowanie przestrzenne architektury ekologicznej w strukturze miast, OWPW Warszawa 2013.

Abstract: Steel in architecture. The aim of the article is to define the aesthetic role of steel in architecture while taking into account its specificity. In the article some selected examples of contemporary buildings (completed and designed) as well as references to the historical solutions have been included. In summation it has been concluded that the use of steel comes down to the direct and indirect role in shaping the spatial forms of buildings and it may bring new aesthetics in contemporary architecture. Key words: contemporary architecture, steel in architecture, architectural form, aesthetic function
Bibliografia Publikacje [1] Broniewski T., Historia architektury dla wszystkich, wyd. Ossolineum, 1990. [2] Jodidio P., Contemporary European Architects vol. III, wyd. Taschen, 1995. [3] Mielczarek Z., Nowoczesne konstrukcje w budownictwie ogólnym, Wydawnictwo Arkady 2001. [4] Lisik A. (red.), Odnawialne źródła energii w architekturze, OWPŚ, Gliwice 1995. [5] Zielonko-Jung K., Kształtowanie przestrzenne architektury ekologicznej w strukturze miast, OWPW Warszawa 2013.

doc. dr inż. arch. Janusz Marchwiński Wydział Architektury, Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania w Warszawie