20 LAT INNOWACJI W BUDOWNICTWIE
Kreowanie innowacji w budownictwie jest jednym z podstawowych obszarów zainteresowania jednostek badawczych. Osiągnięcia budownictwa, a w szczególności sektora produkcji wyrobów budowlanych, w ostatnim dwudziestoleciu pozwalają na pozytywne podsumowanie tego okresu.
Kompleksowość budownictwa ma decydujący wpływ na funkcjonowanie mechanizmu tworzenia i przejmowania wartości uzyskiwanych z wdrażania innowacji, którego cechą charakterystyczną jest zintegrowanie w skutkach – przy rozproszeniu – działań służących wdrożeniom nowych rozwiązań w łańcuchu wartości, który obejmuje projektowanie, wytwarzanie wyrobów budowlanych oraz wznoszenie obiektów budowlanych. Głównymi beneficjentami innowacji są zwykle firmy dysponujące największą przewagą konkurencyjną i przez to dysponujące największym wpływem na inne podmioty. W budownictwie, co jest charakterystyczne w odniesieniu do branż wymagających dużych inwestycji, najwyższą pozycję konkurencyjną uzyskują podmioty odpowiadające za finalny produkt i na ogół przejmują one największą wartość z innowacji.
Polskie budownictwo w UE
Sektor budownictwa odpowiada za około 10 proc. łącznej wartości PKB wszystkich krajów Unii Europejskiej, na który składa się około 3 milionów przedsiębiorstw, mających blisko 30-procentowy udział w całkowitymzatrudnieniu w przemyśle. Udziałrocznego globalnego zapotrzebowania na surowce do wznoszeniaobiektów budowlanych stanowi niemal 50 proc. łącznego światowegozużycia o wartości ponad 100 Gt. Budownictwo, wraz z użytkowaniembudynków, odpowiada za około 40 proc. globalnej konsumpcji energii i wynikającej z niej emisji CO2. Ze względu na swoją skalę innowacyjność sektora budownictwa odgrywa znaczącą rolę w globalnym rozwoju społecznym i gospodarczym.
Ostatnie dwie dekady stanowią okres znacznych zmian w polskim budownictwie, na które istotny wpływ miały inwestycje i modernizacja, związane z funkcjonowaniem Polski w Unii Europejskiej, oraz ciągły rozwój gospodarczy kraju, jak również zjawiska o globalnym charakterze, takie jak postępująca urbanizacja oraz zmieniające się potrzeby społeczne, w szczególności związane ze starzejącym się społeczeństwem europejskim. W ostatnich latach deficyt pracowników i luka kompetencyjna wynikająca z pogłębiającego się kryzysu edukacyjnego wymuszają industrializację budownictwa. Jednocześnie rośnie potencjał innowacji związanych z rozwojem technologii cyfrowych. Wiele krajowych firm wykorzystało w tym zakresie potencjał własnych metod i organizacji produkcji, postępujących zmian procesu budowlanego i zwiększyło zasięg oraz wielkość swojej obecności na rynkach zagranicznych.
Standardy budownictwa zrównoważonego
W pierwszych dekadach XXI wieku mocno wzrosło na forum międzynarodowym znaczenie idei zrównoważonego rozwoju i jej głównego postulatu, aby zaspokajać obecne potrzeby z poszanowaniem potrzeb przyszłych pokoleń, wraz z ograniczaniem negatywnego wpływu na środowisko naturalne. W szczególnym stopniu dotyczy to kwestii wykorzystania w budownictwie zasobów materiałowych i energetycznych oraz związanego z tym oddziaływania na środowisko.
Obiekty budowlane, które wznosi się z przeznaczeniem do użytkowania w okresach co najmniej kilkudziesięcioletnich, w szczególny sposób wymagają też zapewnienia odporności i adaptacji do zmian klimatu. Z punktu widzenia wartości materialnej stanowią jeden z najważniejszych składników majątku narodowego, a z czasem niektóre z nich zyskują znaczenie niematerialne, stając się istotną częścią dziedzictwa kulturowego.
Współczesne międzynarodowe standardy dotyczące zrównoważonego budownictwa odnoszą się do holistycznego projektowania obiektów budowlanych z uwzględnieniem trzech grup zagadnień:
• społecznych: bezpieczeństwo, odporność, higiena, zdrowie, komfortużytkowania, dostępność, potencjał adaptacji, zapewnienie zaopatrzenia w nośniki energii, wodę,oddziaływanie na sąsiedztwo, zachowanie ładu przestrzennego, zachowanie dziedzictwa kulturowego, potencjał tworzenia miejsc pracy i społecznego zaangażowania;
• środowiskowych: wykorzystanie zasobów energetycznych (odnawialnych i nieodnawialnych) oraz materiałowych (surowców pierwotnych i wtórnych), wody, powstawanie odpadów, zanieczyszczeń, ścieków, wykorzystanie terenu, wpływ na zmiany krajobrazu i bioróżnorodność;
• ekonomicznych: łączne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, przychody i wartość rynkowa.
Jednym z głównych celów dotyczących projektowania zrównoważonych obiektów budowlanych jest uzyskanie optimum spełnienia kryteriów zagadnień społecznych przy najniższym możliwym koszcie środowiskowym i ekonomicznym.
Główne trendy zmian i innowacji w budownictwie
W ostatnim dwudziestoleciu zarysowały się trzy główne trendy zmian i innowacji w budownictwie, wynikające:
• ze wzmożonego zainteresowania oszczędnością energii i efektywnym wykorzystaniem surowców;
• z potrzeby redukcji śladu węglowego;
• z industrializacji i rozwoju technologii cyfrowych.
Energooszczędność
Wprowadzanie na rynek nowychwyrobów budowlanych jest najbardziej efektywne w warunkach braku ustalenia się dominującego standardu. Na początku XXI wieku w Europie dominowała tematyka ograniczenia wykorzystania energii ze źródeł nieodnawialnych. Istotną rolę w kształtowaniu tego kierunku w budownictwie odegrała m.in. dyrektywa europejska w sprawie charakterystyki energetycznej budynków, która wprowadziła konieczność stopniowego wdrożenia w poszczególnych krajach Unii Europejskiej nowych, bardzo rygorystycznych wymagań w odniesieniu do budynków. Konieczność ustanawiania wymagań energetycznych na poziomie optymalnym ekonomicznie, z uwzględnianiem łącznych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, spowodowała zarówno obniżenie dopuszczalnego rocznego zapotrzebowania nowych budynków na energię, jak i znaczne zaostrzenie wymagań w odniesieniu do izolacyjności cieplnej przegród, w tym również w budynkach użytkowanych poddawanych renowacji.
Zmiany wymagań wpłynęły na zwiększenie grubości stosowanych izolacji cieplnych przegród, w niewielkim tylko stopniu przyczyniły się do zmian w zakresie stosowanych materiałów o bardzo niskich wartościach współczynnika przewodzenia ciepła, np. wykorzystujących jako materiał izolacyjny aerożel krzemionkowy, chociaż rozwiązania takie były dostępne na rynku. Nowe wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej wpłynęły natomiast istotnie na rozwój wyrobów murowych, głównie ceramicznych i z betonu komórkowego, oraz sposobów murowania, np. z wykorzystaniem cienkowarstwowych spoin, a później pian montażowych.
Znaczące zmiany nastąpiły w sektorze okien, drzwi i przeszklonych ścian osłonowych, których współczynniki przenikania ciepła zbliżyły się do poziomu przegród nieprzeziernych. Dzięki temu możliwe stało się stosowanie większych powierzchni przeszkleń, bez szkody dla bilansu cieplnego pomieszczeń. Uzyskano taki efekt, wprowadzając zarówno nowe termoizolacyjne rozwiązania elementów konstrukcyjnych (ram), jak i wcześniej niestosowane rodzaje szyb zespolonych, z powłokami izolacyjnymi i wypełnieniem przestrzeni międzyszybowej gazami szlachetnymi. Warto zauważyć, że ten trend został dobrze wykorzystany i przyczynił się do sukcesu polskich producentów, którzy obecnie stali się światowymi liderami eksportu w tym segmencie rynkowym. Wielu producentom udało się uzyskać wysoką pozycję na rynku międzynarodowym na podstawie własnej myśli technicznej, unikając pułapki budowania pozycji rynkowej wyłącznie przez atuty cenowe. Znaczący postęp dokonał się również w zakresie nowych rozwiązań technicznych tzw. ciepłego montażu, zapewniającego wysoką izolacyjność cieplną, szczelność i trwałość wbudowania tych komponentów. W ten sposób wyeliminowano ten powszechny mankament dawnego budownictwa tradycyjnego.
Zupełnie nowym rodzajem wyrobów, który pojawił się na rynku, a obecnie jest powszechnie stosowany w budownictwie, były termoizolacyjne wyroby konstrukcyjne, umożliwiające zachowanie wysokiej izolacyjności cieplnej w połączeniach elementów konstrukcji żelbetowych, np. łączniki zbrojenia z izolacją cieplną, oraz w konstrukcjach metalowych i innych połączeniach wykonywanych przez warstwę izolacji cieplnej budynku.
Kolejny obszar rozwoju i popularyzacji efektywnych energetycznie rozwiązań technicznych stanowią elementy systemów technicznych budynków, w szczególności źródła energii, np. pompy cieplne, PV oraz systemy wentylacji z odzyskiem ciepła, przy czym znalazły one zastosowanie prawie wyłącznie w indywidualnym budownictwie oraz w mniejszym stopniu w budynkach użyteczności publicznej, gdzie wdrożono również wiele innowacji z zakresu inteligentnego sterowania wykorzystaniem energii.
Upowszechniło się stosowanie izolacji cieplnej przewodów i elementów systemów grzewczych i chłodzących. W wielorodzinnych budynkach mieszkalnych znalazły zastosowanie nowe, energooszczędne rozwiązania techniczne wentylacji hybrydowej.
Redukcja emisji CO2
Kolejną fazą omawianego trendu, szczególnie widoczną w ostatnich latach, jest wzmożone zainteresowanie rozwiązaniami charakteryzującymi się niską emisją CO2. Wprowadzenie i rozwój systemu handlu emisjami, wzrost cen emisji, nowelizacja dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków oraz wprowadzenie tzw. europejskiej taksonomii w zakresie inwestycji zrównoważonych środowiskowo przyczyniły się do wielu zmian technologicznych.
Istotny wpływ na emisję wbudowaną obiektów budowlanych i zastosowanych w nich wyrobów ma ilość i rodzaj użytych materiałów oraz energochłonność i emisyjność ich wytwarzania. Za największy udział w zakresie emisji CO2 w odniesieniu do budownictwa odpowiadają stal i cement. W odniesieniu do budynków kolejne udziały przypadają na szkło, aluminium, tworzywa sztuczne. Budownictwo odpowiada za wykorzystanie około 0,8 Gt z 1,8 Gt rocznej globalnej produkcji stali, w tym na budynki przypada 0,5 Gt, a na pozostałe obiekty budowlane 0,3 Gt, z czego wynika 1,6 Gt CO2e emisji. Roczna globalna produkcja cementu wynosi około 4,2 Gt, odpowiadając za 2,5 Gt CO2e emisji. Zmiany technologiczne mające na celu ograniczenie emisji gazów cieplarnianych dotyczą sposobów wytwarzania opartych na wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych, uzyskania wyższych sprawności energetycznych oraz zwiększenia udziału surowca wtórnego. W przypadku cementu wprowadza się surowce odpadowe pochodzące z innych działów gospodarki, zmniejszające udział klinkieru. Wprowadzenie zmian materiałowych rodzi konieczność sprostania nowym wyzwaniom zapewnienia trwałości konstrukcji wykonanych z nowych materiałów, za czym stoi potrzeba przeprowadzenia obszernego programu badawczego dotyczącego nowych betonów niskoemisyjnych. W tym nurcie znajdują się też innowacje dotyczące stosowania nowych, alternatywnych kruszyw do betonu, np. z recyklingu. Szczególnym osiągnięciem ostatnich lat jest opracowanie kruszyw zawierających wbudowane CO2 pozyskiwane z powietrza, dzięki czemu możliwe stało się uzyskanie betonów na bazie takich kruszyw, charakteryzujących się ujemnym śladem węglowym.
Innowacje dotyczące redukcji emisji są wprowadzane również w odniesieniu do wytwarzania innych materiałów stosowanych w budownictwie, np. wyrobów ceramicznych, betonów komórkowych, szkła, aluminium oraz tworzyw sztucznych.
Szczególnym segmentem rynku są wyroby na bazie surowców odnawialnych pochodzenia biologicznego, zarówno w mniej przetworzonej postaci, np. izolacji cieplnych z włókien naturalnych czy wyrobów podłogowych, jak i np. w postaci tworzyw sztucznych stosowanych w budownictwie, wytwarzanych z biokomponentów, jako alternatywa dla pochodnych przetwarzania ropy naftowej.
Na szczególną uwagę zasługuje rozwój w obszarze konstrukcji drewnianych, w przypadku którego wprowadzenie na rynek np. wyrobów z drewna klejonego znacząco poszerzyło możliwości techniczne wznoszenia obiektów budowlanych z wykorzystaniem tego surowca. Korzystny wpływ na rozwój budownictwa drewnianego w wielu krajach ma również fakt, że drewno cieszy się rosnącą popularnością i zainteresowaniem społecznym.
Industrializacja, prefabrykacja, automatyzacja, cyfryzacja
Trzecim głównym trendem zmian innowacyjnych budownictwa ostatniego dwudziestolecia są postępujące industrializacja, prefabrykacja, automatyzacja i wykorzystanie technologii cyfrowych. Wskazać można kilka przyczyn tego zjawiska, np. formalne wymogi stawiane w wielu krajach, polegające na konieczności realizacji niektórych inwestycji budowlanych z wykorzystaniem metod BIM, czyli modelowania informacji o budynku (building information modelling) i zarządzania informacją obudynku (building information management). Metody wykorzystaniatechnologii informacyjnych i komunikacyjnych stosuje się nie tylko w odniesieniu do budynków, ale równieżinnych obiektów budowlanych i infrastrukturalnych oraz w pokrewnychobszarach geodezji i zagospodarowania przestrzennego.
Realizacje inwestycji budowlanych często mierzą się z deficytem dostępnej wykwalifikowanej kadry do wykonania tradycyjnych robót budowlanych. Wiele innowacyjnych modyfikacji wyrobów budowlanych i techniki budowlanej opiera się na wprowadzeniu ułatwień i uproszczeń, umożliwiających prostsze wykonanie robót. Znajdujemy przykłady takich rozwiązań technicznych w wyrobach do pokrycia dachów lub konstrukcji murowych, gdzie w odniesieniu do tradycyjnych robót dekarskich i murarskich wymagane jest uzyskanie względnie dużego doświadczenia, wynikającego z długotrwałej praktyki.
Największe oddziaływanie na rynek miała prefabrykacja wielkowymiarowych elementów lub modułów budynków, która umożliwia przeniesienie produkcji do korzystniejszych warunków fabrycznych, pozwalających również na automatyzację i uzyskanie lepszej kontroli jakości wykonania elementów budynku. W tym segmencie rynku znajduje się szczególnie duży potencjał wykorzystania nowej wiedzy technicznej w zakresie projektowania robót budowlanych, na podstawie własnych metod i organizacji procesu budowlanego. Równolegle wciąż rozwija się technologia wykorzystania w budownictwie druku 3D.
O coraz częstszym stosowaniu systemów prefabrykowanych może decydować również atut szybszej realizacji inwestycji i mniejszej uciążliwości budowy dla otoczenia, zwłaszcza przy realizacji inwestycji budowlanych w centrach dużych miast. W przypadku polskich przedsiębiorców mamy przykłady wykorzystania własnych nowoczesnych prefabrykowanych rozwiązań technicznych okonstrukcji betonowej, staloweji drewnianej. Podobny rozwój obserwuje się od lat w odniesieniu do prefabrykacji powszechnie stosowanychna świecie ścian osłonowo-szklanych. Produkcja krajowa znajduje zastosowanie nie tylko na rynku europejskim, ale np. również w Ameryce Północnej. Wielką korzyścią takiego podejścia jest możliwość realizacji zleceńna rynku globalnym z zachowaniemmożliwości wytwarzania komponentów w kraju. Innowacyjne połączenieprojektowania BIM z prefabrykacjąspowodowało znaczące skróceniełącznego czasu potrzebnego na projektowanie i wytworzenie komponentów do konkretnej inwestycji.
Kreowanie innowacji w budownictwie
To misja i zadanie, które są jednymi z podstawowych obszarów zainteresowania jednostek badawczych. W Europie wiodącą organizacją zrzeszającą takie instytucje jest Europejska Sieć Instytutów Badawczych Budownictwa (ENBRI), w której przedstawicielem Polski jest Instytut Techniki Budowlanej, pełniący obecnie prezydencję. ITB prowadzi również aktywną działalność w zakresie wprowadzenia innowacyjnych wyrobów budowlanych na rynek Unii Europejskiej poprzez współpracę w Europejskiej Organizacji ds. Oceny Technicznej (EOTA). W zakresie deklaracji środowiskowych EPD, szczególnie istotnych w odniesieniu do nowoczesnych wyrobów zrównoważonych środowiskowo, globalnym liderem jest ECOPLATFORM, którego współzałożycielem jest ITB. Osiągnięcia budownictwa, a w szczególności sektora produkcji wyrobów budowlanych, w ostatnim dwudziestoleciu pozwalają na ogólnie pozytywne podsumowanie tego okresu. Biorąc pod uwagę obecną dynamikę zmian globalnych, trudno o precyzyjne sformułowanie przewidywań. Można jednak spodziewać się, że dalsze kierunki rozwoju, poza przedstawionymi trendami, w większym stopniu mogą dotyczyć potrzeb w zakresie zapewnienia odporności, trwałości i adaptacji do zmian klimatu obiektów budowlanych, zarówno projektowanych, jak i użytkowanych. W ramach zorganizowanej przed kilku laty przez ITB konferencji pt. „Innowacyjne wyzwania techniki budowlanej” zidentyfikowano również niedoszacowanie znaczenia zagadnień związanych z bezpieczeństwem, które zamanifestowało się wyraźnie w obecnej sytuacji międzynarodowej. Może to również wiązać się z rodzącą się potrzebą wykraczania poza klasyczne rozwiązania architektoniczne, jako odpowiedzią na szybką urbanizację, a dla techniki budowlanej – z koniecznością zmierzenia się z wyzwaniami rosnących oczekiwań i wymagań.
