Architektura i powietrze

Architektura pneumatyczna
W 1968 roku projektanci z austriackiego biura Coop Himmelb(l)au zaprezentowali manifest architektoniczny pod nazwą Chmura – studium żywych form przyszłości, gdzie architektura jest zawartością, nie powłoką, a materiałami budynku są powietrze i dynamika. Konstrukcje pneumatyczne, w których używa się sprężonego powietrza do podtrzymania zewnętrznej „skóry”, zyskały popularność w latach 70. Pierwsze takie realizacje o dużej skali to m.in. pawilon Stanów Zjednoczonych z 1970 roku na EXPO w Osace, zaprojektowany przez Davida H. Geigera i zrealizowany na tę samą wystawę pawilon japoński autorstwa Kawaguchi Mamoru. W 1971 roku architekci z wiedeńskiego Haus-Rucker-Co. stworzyli pneumatyczne przekrycie nad muzeum Haus Lange Haus Esters (proj. Ludwig Mies van der Rohe, 1928-1930) w niemieckim Krefeld. W ich portfolio znajdują się też inne powietrzne "rozbudowy" pomieszczeń. W 1972 roku Graham Stevens przedstawił manifest ekologicznego budownictwa w postaci Pustynnej chmury (Desert Cloud). W konstrukcji „chmury” wykorzystał odpowiednio dobrane materiały (transparentne, refleksyjne, i pełne – o różnej absorpcji cieplnej) i w efekcie – różnicę temperatur, a za tym ciśnienia, na zewnątrz i wewnątrz struktury. Interesującym, późniejszym przykładem jest Biosfera II z lat 1987-1991 w Oracle w Stanach Zjednoczonych, mająca służyć do badania możliwości kolonizacji kosmosu przez stworzenie i podtrzymanie samowystarczalnego ekosystemu (il. 1). Pierwszą trwającą dwa lata misję z udziałem ośmioosobowej załogi rozpoczęto tam w 1991 roku. Jedno z licznych wyzwań inżynierskich stanowiło zmieniające się naprężenie konstrukcyjne wynikające z różnicy ciśnień w ciągu dnia i nocy. W budynku zrealizowano innowacyjny system „płuc”, składający się z elastycznej membrany i podwieszonego do niej wielotonowego stalowego sufitu. Takie rozwiązanie umożliwiało strukturze rozszerzanie się i kurczenie z zachowaniem pełnej szczelności, a więc w izolacji od środowiska zewnętrznego.

W marcu 2001 roku otwarto Project Eden autorstwa Nicholasa Grimshawa. Na ogród botaniczny w Kornwali składają się dwa środowiska: biom tropikalny wilgotny i tropikalny suchy. Całość zadaszona jest ażurowymi kopułami wykonanymi z elementów stalowych (o polach głównie sześciokątnych), które wypełniono uszczelnioną po obwodzie „poduszką” z membrany ETFE (polymer of tetrafluoroethylene and ethylene – polimer na bazie fluoru). To samonośna struktura o kształcie kopuły geodezyjnej i o zróżnicowanej wielkości pól konstrukcyjnych (największe z nich mają do 9 m długości). Jedną z najbardziej rozpoznawalnych realizacji, w której wykorzystano powietrze jako „materiał budowlany” jest Allianz Arena HdM w Monachium (proj. Herzog & de Meuron Architects i Arup Sport, 2002-2005). Poduszki ETFE zastosowano na elewacjach i w zadaszeniu stadionu. Podobne rozwiązanie pojawiło się m.in. w późniejszej pływalni olimpijskiej na igrzyska z 2008 roku w Pekinie (proj. PTW Architects, CSCEC, CCDI, Arup) czy kampusie Solarlux w niemieckim Melle (proj. DIA179, 2016). W budynku Media-TIC, zaprojektowanym przez Enrica Ruiz-Geliego i biuro Cloud 9 (2010), w eksperymentalnej barcelońskiej dzielnicy 22@, południowo-zachodnia fasada również zrealizowana jest w systemie poduszek powietrznych ETFE z dodatkową możliwością zmiany ich transparentności (il. 2). Wprowadzono do nich rodzaj mgły na bazie azotu. Zmieniając jej gęstość, można regulować przezroczystość przegrody. Zimą jest ona transparentna, zapewnia dostęp promieni słonecznych do środka budynku i pozwala akumulować ciepło, latem natomiast staje się nieprzezroczysta, zacienia pomieszczenia i chroni je przed przegrzaniem.

Naturalna wentylacja
Naturalna wentylacja to bezpłatny i zdrowy sposób pozwalający uzyskać korzystny mikroklimat. Możemy wyróżnić trzy główne jej systemy: naturalna wentylacja krzyżowa, naturalna wentylacja indukcyjna/efekt komina oraz chłodzenie wyparne. Przykładem zastosowania tej pierwszej jest Lee House w brazylijskim Porto Feliz (proj. Studio MK27 – Marcio Kogan; Eduardo Glycerio, 2008-2012, il. 3-4). Po przeciwległych stronach pokoju dziennego wstawiono tu duże przesuwne przeszklenia, które umożliwiają otwarcie powierzchni ściany i naturalny przepływ powietrza na przestrzał, dzięki czemu temperatura w środku się obniża. Imponujące, otwierane przeszklenia daje efekt zatarcia granicy między wnętrzem i zewnętrzem, zapewniając skuteczną wentylację domu. Podobny zabieg, zrealizowany na elewacji o większej skali, znajdziemy w budynku Inselparkhalle w Hamburgu (proj. Allmann Sattler Wappner Architekten, 2013). Ruchoma ściana, składająca się z paneli poliwęglanowych, pełni funkcję kolektora cieplnego, kiedy jest w pozycji zamkniętej, po otwarciu zmienia obiekt w otwartą, zewnętrzną pływalnię. W naturalnej wentylacji indukcyjnej mamy do czynienia z masami powietrza o różnych temperaturach. Różnica temperatur wywołuje jego ruch (ciepłe powietrze jest lżejsze niż zimne), który z kolei wykorzystywany jest do wentylacji obiektu. Czerpnie, zlokalizowane z reguły w niższych partiach budynku, doprowadzają chłodne powietrze. Wyrzutnie, znajdujące się w wyższych partiach, umożliwiają odprowadzenie tego ogrzewającego się i unoszącego. Taki system wykorzystano choćby w budynku szpitala Sarah Kubitschek w brazylijskim mieście Salwador (proj. João Filgueiras Lima, 1994).

Jednym z klasycznych przykładów zastosowania wentylacji naturalnej na zasadzie efektu komina jest kopuła na siedzibie niemieckiego parlamentu zaprojektowana przez pracownię Foster + Partners (1992-1999). Analogiczne rozwiązanie pojawia się w realizowanym obecnie Domu Robaczku autorstwa polsko-niemieckiego architekta Piotra Kuczi (il. 5). Powietrze dostaje się do środka w niższych partiach przez duże, harmonijkowe przeszklenie, ogrzewa się i, unosząc, przepływa na wyższy poziom budynku (po przeciwległej stronie), a następnie wyrzucane jest na zewnątrz uchylnymi świetlikami. W Robaczku pojawia się dodatkowo membrana na zewnątrz, a powietrze służy jako warstwa izolacyjna. W budynku Uniwersytetu Technologicznego Nanyang Learning Hub (proj. Heatherwick Studio, 2015, il. 6) pomieszczenia i ciągi komunikacyjne zlokalizowane są wokół wielokondygnacyjnego, otwartego atrium. Unoszące się powietrze wentyluje wnętrze, pozwalając uzyskać korzystny mikroklimat. Takie rozwiązanie zapewnia optymalne warunki do pracy i nauki, sprawia, że nie potrzeba dodatkowych, często głośnych urządzeń. Learning Hub uzyskał najwyższy możliwy standard środowiskowy dla tego typu budynków w Singapurze – Green Mark Platinum – przyznawany przez Building and Construction Authority. Wentylacja naturalna jest stosowana z powodzeniem w realizacjach o największej skali. Raffles City Hangzhou, zaprojektowane przez pracownię UNStudio (2008-2017) w chińskim Qianjiang, jest kompleksem składającym się z dwóch sześćdziesięciopiętrowych wież o wysokości ok. 250 m, ustawionych na szeciopiętrowym podium (il. 7-11). W całym założeniu zlokalizowano funkcje o sumarycznej powierzchni prawie 400 tys. m². Raffles City Hangzhou mieści pierwsze centrum handlowe w Chinach, w którym zastosowano naturalną wentylację na tak dużą skalę. Powietrze jest przeciagane przez siedem kondygnacji od wejść do centralnego i bocznych świetlików. Chińska realizacja holenderskiego biura uzyskała certyfikat Gold LEED. Ostatni z przytoczonych systemów – na zasadzie naturalnego chłodzenia wyparnego – zastosował m.in. Le Corbusier w Pałacu Zgromadzenia w Czandigarh (1951-1962). Wykorzystał lustra wodne w otoczeniu budynku, które umiejscowione są od strony dominującego kierunku wiatru. Wiatr, omiatający zbiornik wodny, dostarcza świeże i chłodne powietrze do środka, dodatkowo zwiększając wilgotność powietrza. Z kolei wokół Water-Cooled House w Singapurze (proj. Wallflower Architecture + Design, 2009) zrealizowano zbiornik, który stanowi nietypową przegrodę budynku, a jednocześnie pomaga regulować wahania temperatury wewnątrz. W luksemburskiej Galeries Lafayette autorstwa biura Foster + Partners (2019) jako pasywny system wentylacji zastosowano natomiast tzw. labirynt termiczny. Powietrze doprowadzone jest do betonowej labiryntowej komory mieszczącej się pod płytą piwnicy. Beton, dzięki swojej wysokiej masie termicznej, wychładza znajdujące się w tej przestrzeni powietrze, które następnie dostarczane jest do pomieszczeń i pomaga uzyskać pożądaną temperaturę.

Responsywne systemy
Interesującym kierunkiem rozwoju dla naturalnej wentylacji mogą być rozwiązania bazujące na rozszerzalności termicznej materiałów, np. system przesłon elewacyjnych Snapping Facade autorstwa Dioinno Architecture PLLC Jin Young Song, oparty na odkształceniach podkonstrukcji stalowej lub aluminiowej fasady. Podobny charakter mają projekty Doris Kim Sung z DOSU Studio Architecture – to tzw. termobimetale, materiały kompozytowe składające się z warstw metali o różnej rozszerzalności cieplnej (il. 12-14). Ogrzewany materiał odkształca się w zaprojektowany i kontrolowany sposób, otwierając lub zamykając powłokę budynku. Umożliwia w ten sposób pasywną wentylację lub zacienianie. Eksperymentalne projekty dotyczące procesów termodynamicznych w budynkach powstają m.in. w Katalońskim Instytucie Zaawansowanych Technologii w Architekturze (IAAC, Institute for Advanced Architecture of Catalonia). Wśród nich zastosowanie znajdują m.in. hydroceramika – kompozytowe materiały składające się z hydrożelu, rozciągliwej tkaniny oraz właśnie ceramiki, regulujące temperaturę pomieszczenia w procesach parowania i transpiracji. Hydrożel to polimer, który rozszerza się w wodzie. Jego wyjątkową cechą jest możliwość wchłonięcia takiej jej ilości, że jego pierwotna objętość zwiększa się czterysta razy. W efekcie materiał może składać się w 98% z wody, która z kolei w efekcie parowania oddaje zakumulowane ciepło na zewnątrz budynku. W badaniach i projektach IAAC znajdziemy też przykłady wykorzystania hydromembran czy tzw. miękkiej robotyki (Soft Robotics), bazującej na materiałach o dużej elastyczności.

Budulec architektury
Niektóre obiekty architektoniczne sprawiają wrażenie składających się wyłącznie z powietrza. Projektanci korzystają z niego niczym z materiału budowlanego. Minimalne zużycie materiału i przekrycie maksymalnej powierzchni były jednymi z kluczowych założeń projektowych Freia Otto. Jedną z najważniejszych realizacji architekta i inżyniera jest niemiecki pawilon Expo z 1967 roku (we współpracy z Rolfem Gutbrod), a tą najbardziej rozpoznawalną – zadaszenie kompleksu olimpijskiego w Monachium z 1972 roku (we współpracy z Behnisch and Partners). Ażurowa konstrukcja, składająca się ze słupów, systemu linowych cięgien i wypełnień ze szkła akrylowego, stanowi zadaszenie o sumarycznej powierzchni niemalże 75 tys. m². W ciekawy sposób wykorzystano żywioł, jakim jest powietrze w kompleksie Jewel Changi Airport (2014-2019) – centrum rozrywkowym i handlowym związanym z portem lotniczym w Singapurze. Projekt był wynikiem współpracy wielu firm pod kierownictwem izraelskiego architekta Moshe Safdiego. Szklana kopuła, składająca się ze stalowej przestrzennej kratownicy, wydziela z przestrzeni kubaturę o imponujących rozmiarach. Jedną z głównych atrakcji założenia jest Dolina Leśna Shiseido – wewnętrzny ogród, gdzie rośnie ok. 3 tys. drzew i 60 tys. krzewów, w tym 120 gatunków występujących w lasach tropikalnych. W centralnym miejscu kompleksu znajdziemy najwyższy na świecie 40-metrowy sztuczny wodospad. Podczas częstych i silnych burz woda przepływa w nim z szybkością ok. 38 tys. litrów na minutę, tworząc zjawiskowy spektakl, a jednocześnie chłodząc wnętrze i wspomagając jego wentylację.

Konstrukcje FiDU
W Polsce na uwagę zasługuje rewolucyjna technologia FiDU (Freie Innendruck Umformung) autorstwa projektanta i architekta Oskara Zięty. FiDU pozwala na przekształcenie dwuwymiarowych arkuszy (ze stali, miedzi, aluminium) w trójwymiarowy element konstrukcyjny. Proces polega na wdmuchiwaniu powietrza pod ciśnieniem do środka dwu połączonych ze sobą i uszczelnionych na krawędziach części. W efekcie powstaje trójwymiarowy element, pusty wewnątrz. Jest on trwały, lekki i zapewnia możliwość pełnego recyklingu. Przykładowe realizacje w tej technologii to m.in. Wir – samonośna struktura o wysokości 24 m, ważąca zaledwie 900 kg w warszawskiej Galerii Północnej (2017, il. 15-16) oraz Nawa zrealizowana na Wyspie Daliowej we Wrocławiu, składająca się z zaprojektowanych parametrycznie elementów łukowych (2016). Każdy z 60 elementów wykonany został z materiału o grubości jedynie 2 mm, a najcięższy z łuków waży tylko 450 kg.

Na czas pandemii W 2020 roku budynki i przestrzenie publiczne na całym świecie opustoszały. Powietrze bywa też nośnikiem patogenów. Epidemia koronawirusa COVID-19 przełoży się bez wątpienia na sposób myślenia o architekturze, miejscach pracy i odpoczynku. Wiele biur architektonicznych włączyło się w walkę o zdrowie i bezpieczeństwo, m.in. przez produkcję elementów potrzebnych pracownikom służby zdrowia. Włoskie biuro Carlo Ratti Associati, we współpracy z Italo Rotą i międzynarodową grupą ekspertów, zaproponowało rozwiązanie z wykorzystaniem kontenerów morskich (CURA – Connected Units for Respiratory Ailments, il. 17). Moduły są szczelne i pracują w trybie podciśnienia – powietrze jest zasysane do środka i przemieszcza się tylko w jednym kierunku, wyrzutnie są skierowane poza strefę, w której przebywa personel. Umożliwia to kontrolowaną wymianę, bez ryzyka, że zakażone powietrze dostanie się do wspólnych pomieszczeń. Podobne rozwiązania to właściwie już standard w projektowaniu wnętrz szpitalnych, jednak skala pandemii przerosła możliwości istniejących obiektów. Za przykład bazujący na zjawisku nadciśnienia może posłużyć dmuchane pomieszczenie autorstwa niemieckiej grupy Plastique Fantastique (il. 18). W projekcie Przenośnej Osobistej Przestrzeni Ochronnej dla Lekarzy (Mobile PPS – Personal Protective Space for Doctors) ruch powietrza odbywa się tylko z wnętrza na zewnątrz, co zapewnia ochronę pracownikom służby zdrowia. Do środka doprowadzane jest ono przez wentylatory zewnętrzne.

Wspólna odpowiedzialność
Obawy dotyczące jakości powietrza, które towarzyszą nam co najmniej od lat 70. XX wieku, są wciąż niepokojąco aktualne w 2020 roku. Czy będzie ono zagrożeniem, czy też może szansą, zależy od nas wszystkich; od tego, jakie decyzje podejmiemy. Światowa Organizacja Zdrowia ocenia, że 91% populacji żyje na obszarach z przekroczonym dopuszczalnym stężeniem zanieczyszczeń w atmosferze. Architektura nie może pełnić już jedynie funkcji ochronnej bariery, drugiej skóry człowieka, lecz powinna aktywnie włączać się w poprawę jakości życia w mieście, kształtując pożądany mikroklimat, minimalizując zużycie energii oraz surowców i właśnie – oczyszczając powietrze. Ostatni przykład to „pawilon, który oddycha”, dzieło austriackiej grupy projektantów Breathe Earth Collective stworzone na mediolańskie EXPO w 2015 roku (il. 19-20). Budynek został wypełniony różnorodną roślinnością – sumaryczna powierzchnia liści w jego wnętrzu została oszacowana na ok. 43 tys. m². Dzięki roślinom pawilon produkował 62,5 kg tlenu w ciągu godziny, co stanowiło ilość wystarczającą dla 1800 odwiedzających.