Innowacyjna architektura drewniana: nowe możliwości zastosowania drewna w architekturze

Spis treści

1. Ślad węglowy a nowe technologie
2. Odporność drewna
3. Drewniane biurowce APA Wojciechowski 
4. Światowe projekty i realizacje z drewna
5. Drewniane innowacje

Beton i stal to dziś materiały bardzo szeroko wykorzystywane do realizacji budynków, szczególnie wielokondygnacyjnych. Trzeba sobie jednak uświadomić, że konstrukcje żelbetowe związane są z dużym nakładem pracy, częstymi transportami półproduktów, a także emisją bardzo dużej ilości dwutlenku węgla. Wyprodukowanie jednej tony cementu to uwolnienie do atmosfery ok. 800-900 kg CO2. Zakładając, że każdego roku powstaje na świecie ponad 6 mld metrów kwadratowych powierzchni w nowych budynkach z użyciem ogromnych ilości cementu, dochodzimy do niepokojących danych. Szacuje się że sektor budowlany jest odpowiedzialny za ponad 30% emisji gazów cieplarnianych, do czego również w sporej częśći przyczynia się właśnie beton, bez którego trudno wyobrazić sobie współczesną architekturę. Alternatywą dla technologii żelbetowej jest drewno – znane i wykorzystywane w budownictwie od setek lat. Do wznoszenia, domów, kościołów, obiektów gospodarczych, mostów czy budowli obronnych stosowano kiedyś drewno lite, jedynie wstępnie obrobione. Wysoka wilgotność tego materiału skutkowała niestabilnością wymiarową w trakcie użytkowania. Budownictwo drewniane kojarzy nam się również niestety z wielkimi pożarami miast, chociażby Londynu w 1666 roku, Chicago w 1871 roku, czy Tokio w 1923 roku, kiedy ogień z łatwością przenosił się z jednego budynku na drugi. Na świecie widać dziś jednak (począwszy od rozwoju nowej technologii drewnianej w latach 1990-2000) wyraźny trend powrotu do tego materiału, ale nie jest to już ta sama forma drewna, którą pamiętamy z przeszłości.

Ślad węglowy a nowe technologie

Jeśli zbuduje się 20-piętrowy wieżowiec z cementu i betonu, spowoduje to emisję ok. 1200 ton dwutlenku węgla. Drewno, dla porównania, związałoby ok. 3100 ton tego gazu – różnica netto wynosi więc 4300 ton. Biuro architektoniczne Skidmore, Owings & Merrill (SOM) obliczyło, że ślad węglowy 42-piętrowego budynku mieszkalnego w Chicago z 1965 roku byłby o 60 do 75% niższy, gdyby wykonano go z masywnego drewna – czytamy w piśmie „Technologist” z 2017 roku. Pojawiają się zatem obecnie badania, wdrożenia, a w końcu systemy, które umożliwiają wznoszenie nawet wieżowców w konstrukcji drewnianej. Drewno jest bowiem materiałem odnawialnym o znacznie mniejszym negatywnym oddziaływaniu na środowisko, w tym emisji CO2 i innych gazów cieplarnianych niż beton i stal. Sam przemysł emituje mniej spalin i odpadów podczas produkcji komponentów i ich instalacji na placu budowy. Obecnie mówi się o tym materiale jako nowym rodzaju budulca, w formie wysoko przetworzonych – struganych, suszonych i klejonych lub mechanicznie łączonych – elementów o wyższej wytrzymałości i szerszej gamie przekrojów w porównaniu do tradycyjnego drewna litego (engineered wood products). Postępy inżynierii materiałowej zapewniają szerokie spektrum produktów mających zupełnie nowe właściwości. Warto wspomnieć chociażby o kilku przykładach, jak fornir klejony warstwowo (LVL), wyroby oparte o wióry (LSL i PSL), belki i słupy glulam, drewno klejone krzyżowo (CLT), drewno łączone mechanicznie (NLT) czy drewno konstrukcyjne (KVH).

Odporność drewna

Zgodnie z wytycznymi ITB, odporność ogniowa drewna klejonego warstwowo w pierwszym etapie klasyfikuje się jako SRO – słabo rozprzestrzeniające ogień przy szerokości elementu poniżej 12 cm, natomiast klasyfikacja zmienia się na NRO – nierozprzestrzeniające ognia przy szerokości od 12 cm, lub poniżej 12 cm przy dodatkowej impregnacji środkiem ogniochronnym. Odporność ogniową R15, R30, R60 w drewnie klejonym uzyskuje się już na etapie projektowania poprzez odpowiednią analizę statyczną oraz dobór przekrojów, a nie poprzez impregnację chemiczną, która, zawierając kleje z formaldehydem (np. kleje Muf), ma negatywne oddziaływanie na zdrowie użytkowników. Warto wspomnieć o licznych zaletach związanych z funkcjonowaniem budynków wznoszonych z drewna klejonego.

Stabilna i przewidywalna w zachowaniu konstrukcja charakteryzuje się dużą wytrzymałością i nośnością. Ognioodporność, uzyskana przy zastosowaniu technologii drewna krzyżowo lub warstwowo laminowanego, pozwala na uzyskanie bardzo dobrych parametrów. Podczas działania ognia elementy z drewna klejonego palą się wolniej, wolniej tracą nośność (na przykład w zestawieniu ze stalą) i płoną także w sposób bardziej przewidywalny (0,6-0,7 mm/min) w porównaniu do tradycyjnych elementów z drewna litego. Początkowe powierzchniowe zwęglenie zmniejsza pole nośne przekroju, co zostaje przewidziane na etapie obliczeń projektowych. Zwęglona wierzchnia warstwa drewna zacieśnia się dookoła rdzenia i nie przepuszcza do niego tlenu, a więc temperatura wewnątrz przekroju rośnie dużo wolniej. Podsumowując: drewno pod wpływem bezpośredniego działania płomienia kurczy się, traci część swojej masy konstrukcyjnej, ale po usunięciu źródła ognia wygasa samoczynnie.

Wspomniana technologia płyt drewnianych warstwowych zwana CLT (cross-laminated timber lub X-LAM) to drewno klejone warstwowo z cienkich wyselekcjonowanych lameli/desek najczęściej naprzemiennie pod kątem 90° w 3-9 warstwach. Tak powstaje bardzo stabilny i lekki materiał konstrukcyjny o parametrach wytrzymałościowych porównywalnych do żelbetu. „Przekładanka” kierunku włókien każdej z warstw panelu CLT pozwala utrzymać jego stabilność wymiarową, ponieważ drewno w swojej pierwotnej postaci jest materiałem anizotropowym (niejednorodna budowa powoduje, że to wzdłuż włókien ma największą wytrzymałość na ściskanie). Najczęściej stosuje się w produkcji płyt CLT świerk, jodłę czy sosnę, klejąc kolejne warstwy klejami pur (poliuretanowymi) lub muf (melaminowymi). Budynki wznoszone w tej technologii są prefabrykowane i – co pokazują światowe przykłady – często hybrydowe, ponieważ podziemie i niekiedy trzon wykonuje się z żelbetu, a w przypadku wymaganych stężeń z glulam lub stali.

Gotowe panele CLT przyjeżdżają na budowę i w szybki sposób są montowane. Specyfika tej technologii, której elementy w większości są każdorazowo dopasowane do projektu, pozwala działać w duchu dostaw just in time. Odpowiednio planując harmonogram, wiemy w jakim czasie poszczególne części będą nam potrzebne – jest to pomocne szczególnie w sytuacji, kiedy na placu budowy nie ma wystarczająco dużo miejsca lub warunków do składowania. Czas wznoszenia takiego budynku może być krótszy nawet o połowę w porównaniu do obiektu w konstrukcji żelbetowej, która wymaga użycia bardziej skomplikowanego transportu, większej ilości urządzeń, ludzi i szalunków. Drewno klejone, dzięki odpowiednio obliczonym przekrojom elementów oraz opisanemu wcześniej procesowi, zwanemu pirolizą, podczas pożaru zwęgla się powierzchniowo, ale wewnątrz elementu utrzymuje pełną, zaprojektowaną wytrzymałość. Dodatkowo, przy zastosowaniu drewna warstwowo klejonego, uzyskuje się większą wytrzymałość oraz sztywność poszczególnych elementów, w związku z czym można zredukować ich przekroje. Budownictwo drewniane to być może architektura przyszłości – nie narusza równowagi ekologicznej oraz zapewnia odpowiednią izolację termiczną i wilgotność, a więc zdrowy mikroklimat we wnętrzach. Niewielka waga budynków z drewna pozwala na ograniczenie kosztów związanych z budową fundamentów, a dobrze przemyślana konstrukcja umożliwi przeprowadzenie w prosty sposób przebudowy, modernizacji lub rozbiórki obiektu.

Drewniane biurowce APA Wojciechowski 

W pracowni APA Wojciechowski Architekci o architekturze myślimy nie tylko jak o biznesie, ale również dziedzinie sztuki. Myślimy o pięknie, jakości, trwałości i elastyczności budynków przy jednoczesnej trosce o mądre wykorzystanie zasobów naturalnych. Nie chcemy zostawiać przyszłym pokoleniom szkodliwych odpadów, powstających po wznoszeniu, remontach i rozbiórce. Stawiamy na przemyślane obiekty, które można stosunkowo szybko złożyć w całość i rozmontować. Wspomagamy w ten sposób podejście zero waste już na etapie produkcji elementów budowlanych. Poszukując nowych technologii i rozwiązań przyjaznych środowisku, podjęliśmy się zaprojektowania budynków biurowych w konstrukcji drewnianej. Zaczęło się od tego, że do naszej firmy zgłosiło się dwóch klientów, którzy po krótkiej namowie, byli skłonni zrealizować dla siebie takie obiekty. Miały być zlokalizowane na prawie przeciwległych krańcach Polski: w Wieliczce i Gdańsku.

Kompletnie inny jest charakter obu działek: nachylony zielony teren w Wieliczce, w spokojnej części niewielkiego miasta, i żywa dzielnica biznesowa w Gdańsku. Jednak nie tylko lokalizacje są odmienne – inne były też motywacje stojące za decyzją o wzniesieniu biurowca w konstrukcji drewnianej. Rezultaty są więc bardzo różne, mimo że obu zamawiających łączyła chęć postawienia obiektów niezwykłych, ekologicznych i nowatorskich. Prawie cała konstrukcja budynku biurowo-magazynowego w Wieliczce powstała z drewna: słupy i belki z drewna klejonego glulam i współpracujące z nimi stropy z CLT. Obiekt miał pełnić rolę reprezentacyjnej siedziby klienta, dzięki czemu uwolniliśmy się od reżimu stosowania typowych modułów biurowych 8.1 x 8.1 m. Rozpiętości belek w zasadniczej części budynku nie przekraczają 6 m. Wyjątek to oczywiście przestrzenie holu i część konferencyjna, gdzie są one większe. Tu, by nie zwiększać wysokości belek, stosujemy ich specjalny układ i odpowiednie zagęszczenie.

Mniejsze rozpiętości oraz istnienie ścian nieprzeziernych, które też mogą stanowić usztywnienie, bardzo ułatwiło zapewnienie sztywności ustroju. Wyzwaniem było również zaprojektowanie instalacji, które chcieliśmy elegancko wpisać w rytm dźwigarów. Wbrew naszym pierwotnym obawom, zapewnienie ochrony przeciwpożarowej przy ograniczeniu wysokości do 12 m, a więc w kategorii budynków niskich, nie stanowiło większego problemu. Podczas projektowania pojawiły się jednak inne wyzwania.

Budynki drewniane w pełni przeszklone charakteryzują się bardzo małą bezwładnością cieplną, co oznacza, że przy dużym nasłonecznieniu, po chłodnej nocy, wnętrza nagrzewają się bardzo szybko. By zachować komfort termiczny, instalacja klimatyzacyjna musi odebrać to ciepło. Istniało więc zagrożenie, że zakryje ona piękno konstrukcji drewnianej, a bilans energetyczny dla budynku będzie daleki od wstępnych założeń projektowych. Wszelkie kanały rozprowadzające umieściliśmy zatem pod podłogą podniesioną, a pod sufitem znalazła się jedynie niezbędna część instalacji końcowych. Pozwoliło to też na ograniczenie ilości przebić w elementach konstrukcyjnych i „odkryło” drewnianą konstrukcję. Odpowiednio dobrane parametry szkła zdecydowanie poprawiły wyniki bilansu energetycznego całego obiektu.

Budynek biurowy w Gdańsku zaprojektowany został w zagłębiu biurowym przy ruchliwej alei Grunwaldzkiej. Motywacją klienta, polskiej wysokotechnologicznej firmy z branży IT, była potrzeba pozycjonowania się jako innowacyjna i otwarta na potrzeby pracowników. Powstać miał zatem budynek wyjątkowy, ale nie ekstrawagancki, zaawansowany inżyniersko, ale ekologiczny, emanujący atmosferą kreatywności, ale ujętej w technologiczną dyscyplinę.

Przy projektowaniu musieliśmy brać pod uwagę także i taką możliwość, że firma z budynku „wyrośnie„, staraliśmy się zatem, by obiekt był atrakcyjny dla standardowego najemcy. Założyliśmy zdyscyplinowaną, charakterystyczną dla komercyjnych biurowców siatkę konstrukcyjną 8.1 x 8.1 m, z centralnym trzonem wykonanym w konstrukcji żelbetowej. Bryła to przeszklony prostopadłościan o wysokości 12 m z kwadratowym wewnętrznym atrium – sercem budynku, które stanowi reprezentacyjny hol wejściowy, punkt spotkań i miejsce relaksu. Proponujemy zasadzenie w jego środku dużego drzewa oliwnego, bezpośrednio w gruncie. Umieszczenie go w centrum założenia stanowi nawiązanie do głównego budulca. Kondygnacja podziemna to klasyczny żelbetowy parking, tak jak i trzony oraz klatki schodowe. Pozostała konstrukcja tej hybrydy jest w pełni drewniana. Jej podstawowe elementy to ramy z drewna klejonego, przekryte stropami wykonanymi w technologii CLT.

Tak jak w projekcie dla Wieliczki, tu również zależało nam na tym, by konstrukcja drewniana była widoczna z zewnątrz. Obiekt obudowany jest całkowicie przeszkloną elewacją kurtynową. Opakowanie budynku drewnianego szkłem stało się największym wyzwaniem projektowym. Drewno klejone żyje, pracuje i ugina się (aczkolwiek w mniejszym stopniu niż lite), szkło jest sztywne i nie znosi żadnych ugięć. Ze względu na duży, wynikający z postulowanej elastyczności funkcji, rozstaw elementów konstrukcyjnych dla budownictwa drewnianego, usztywnienie trzonami okazywało się niewystarczające. Nie chcieliśmy wprowadzać skośnych elementów usztywniających. Dopiero wspomniana kombinacja ustawionych prostopadle ram z drewna klejonego, wprzęgnięcie do układu drewnianych stropów w technologii CLT, przemyślane rozmieszczenie trzonów oraz niestandardowe rozwiązania fasadowe dały oczekiwany rezultat. Pionowe elementy mocowane były na sztywno jedynie na poziomie dachu, na pozostałych poziomach dopuszczone były przesunięcia. Umożliwiło to zminimalizowanie naprężeń, np. w sytuacji gdy dach ugina się pod ciężarem śniegu, a stropy poniżej są nieużytkowane, a więc niedociążone.

Zaprojektowanie instalacji było jeszcze trudniejsze niż w biurowcu w Wieliczce. Przestrzenie, a zatem przekroje instalacyjne, były większe, ponadto potrzeby technologicznej firmy IT i priorytet komfortu pracowników wymagały takiej rozbudowanej infrastruktury. Projekt był przygotowany tak, by uzyskać poziom Platinum w systemie certyfikacji LEED. Nie chodziło jednak tylko o samą certyfikację, ale i o to, że kwestie ekologii były ważne dla klienta i jego pracowników. Stąd wyszła pierwotna decyzja o użyciu drewna ze źródeł certyfikowanych, poddającego się łatwo recyklingowi i stanowiącego rezerwuar zgromadzonego dwutlenku węgla. Dodatkowo pojawiły się takie rozwiązania, jak: pełne przystosowanie budynku do potrzeb rowerzystów, kolektory słoneczne na dachu, wykorzystanie wody szarej, dach zielony pokryty roślinnością o ograniczonym zapotrzebowaniu na podlewanie oraz szkło fasadowe o najwyższych parametrach termicznych. Obecnie projekty wykonawcze obu biurowców, które czekają na realizację.

Światowe projekty i realizacje z drewna

Opracowanie nowoczesnej technologii drewna krzyżowo-laminowanego wpływa na coraz większe zainteresowanie tego typu rozwiązaniami. Duńskie studio architektoniczne 3XN pokazało w ubiegłym roku wizualizacje budynku biurowego T3 Bayside w konstrukcji CLT. Wieżowiec o wysokości 42 m powstanie w pobliżu Toronto i jeziora Ontario. Charakterystycznym elementem tego projektu są duże przeszklone okna. Na parterze będą mieścić się ogólnodostępne lobby i lokale usługowe. Innymi przykładami są zrealizowany w 2016 roku projekt wieży obserwacyjnej Periscope Tower nad jeziorem Seinäjoki w zachodniej Finlandii autorstwa Anssiego Lassili (OOPEAA) oraz projektowany przez architektów z biura Perkins+Will budynek mieszkalny River Beech Tower w Chicago, który ma mieć 228 m wysokości. Jego schemat składa się z trzystu jednostek dwupoziomowych, opartych na zewnętrznym systemie zwanym diagrid, wykorzystującym naturalną wytrzymałość osiową drewna. Cechą charakterystyczną projektu są siły nacisku wielokrotnie niższe niż na przykład w pobliskiej słynnej Sears Tower, do której budowy zużyto 80 mln kilogramów stali.

Jeszcze niedawno najwyższym drewnianym budynkiem na świecie, wzniesionym w technologii CLT, był 18-piętrowy dom studencki Brock Commons Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, stojący w Vancouver w Kanadzie. Konstrukcja jest tu oparta na betonowej podstawie obejmującej parter i pierwsze piętro. Dach został wykonany z ram stalowych. Budynek jest odporny na trzęsienia ziemi i wiatr – struktura z drewna klejonego to wiele połączeń pomiędzy elementami, co okazuje się bardzo pomocne w płynnym przenoszeniu wszelkich ruchów sejsmicznych.

Obecnie najwyższą na świecie realizacją w całości wykonaną z drewna jest Mjøstårnet zlokalizowany w Brumunddal w Norwegii. Autorami tego ponad 80-metrowego wieżowca są projektanci z biura Voll Arkitekter. Wykorzystali oni drewno również do budowy ścian, klatek schodowych, a nawet szachtów windowych. Beton został użyty tylko do fundamentów i częściowo na wyższych poziomach do usztywnienia konstrukcji. Budynek ma wysoką klasę ognioodporności (dla konstrukcji głównej jest to 120 minut, dla drugorzędnej, np. ścian – 90 minut). Najniższych dziesięć poziomów przeznaczono na hotel i biura, wyższe kondygnacje mają funkcję mieszkaniową. Miejscowość Brumunddal otoczona jest gęstymi lasami, a w okolicy mocno rozwinięty jest przemysł drzewny, co pozwoliło na wzniesienie konstrukcji budynku z lokalnych materiałów. Znacząco obniżyło to koszty budowy i ograniczyło negatywne oddziaływanie transportu na środowisko.

Drewniane innowacje

Trwają badania, które mają prowadzić do zastąpienia tworzyw sztucznych właśnie drewnem. Jako materiał ekologicznie zrównoważony, ograniczający emisję CO2, może być ono wykorzystywane nie tylko w architekturze, ale i na przykład w konstrukcjach pojazdów. W Japonii opracowywany jest projekt tego rodzaju auta, którego premierę zaplanowano na 2020 rok. Innym, bardziej radykalny przykładem są badania dotyczące tzw. drewna przezroczystego. Pracują nad nim już od kilku lat naukowcy ze sztokholmskiego Centrum Nauki o Drewnie im. Wallenberga (Wallenberg Wood Science Center – WWSC). Przejrzystość uzyskują przez odciąganie pigmentów, a parametry techniczne tego materiału mogą pozwolić na zastąpienie nim szkła, np. w szybach, zwłaszcza że ma lepsze właściwości izolujące i cieplne.

Dodatkowo, w przeciwieństwie do tworzyw sztucznych, łatwo ulega biodegradacji. W drodze dalszych badań do przezroczystego drewna naukowcy dodali polimer zwany glikolem polietylenowym (PEG), co zwiększyło zdolność absorpcji i uwalniania ciepła. Innowacja ta może sporo znaczyć w nowych technikach ogrzewania i chłodzenia, obniżając koszty eksploatacji budynków. Od architektów w pewnym sensie wymaga się przewidywania przyszłości, bo to co dziś projektujemy, zostanie zrealizowane za jakiś czas. Nowo wybudowane obiekty będą funkcjonowały przez lat kilkadziesiąt. Obecnie trudno jeszcze powiedzieć czy drewno to materiał przyszłości, ale związany z nim rozwój technologii napawa dużym optymizmem. Daje szansę projektowania zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju, pomagając rozwiązać takie kwestie, jak wykorzystanie dostępnych zasobów, zużycie energii, emisja gazów cieplarnianych czy usprawnienie samego procesu budowy.