Nowoczesne elewacje ‒ integralny element współczesnej architektury
Autor: Marcin Brzezicki
System PV na fasadzie Domu Muzyki w duńskim mieście Aalborg (arch. Coop Himmelb(l)au, 2014)
Nowoczesne elewacje łączą w sobie walory zarówno estetyczne, jak i funkcjonalne. Wraz z rosnącymi wymaganiami środowiskowymi i klimatycznymi fasady budynków ewoluują, aby sprostać wyzwaniom przyszłości. Stają się kluczowym elementem w dążeniu do redukcji śladu węglowego i promowaniu bardziej ekologicznych metod budownictwa.
Spis treści
- Ściana czy elewacja budynku?
- Nowoczesne elewacje: czym są inteligentne fasady?
- Systemy kinetyczne — gdy nowoczesna elewacja dostosowuje się do otoczenia
- Nowoczesna elewacja jako źródło energii
- Jak nowoczesna elewacja wpływa na środowisko?
- Podsumowanie
Ściana czy elewacja budynku?
Do momentu opracowania szkieletowych systemów konstrukcyjnych (ok. połowy XIX w.) elewacja budynku pełniła jednocześnie dwie funkcje: nośną (jako ściana zewnętrza) i osłonową (jako elewacja). W znaczący sposób ograniczało to wielkość otworów doświetlających wnętrze, a ich wykonanie było związane z koniecznością zastosowania nadproży (zazwyczaj kamiennych belek poziomych, ale również drewnianych) lub łuków, które przenosiły obciążenie z wyższych partii ściany, stropów oraz dachu.
Od połowy XIX w. coraz większą rolę w budownictwie zaczęła odgrywać stal, materiał bardzo wytrzymały i jednocześnie dający się łatwo kształtować. Dzięki wykorzystaniu podstawowych schematów konstrukcyjnych stosowanych dotychczas w szkieletowym budownictwie drewnianym w USA zaczęły powstawać pierwsze budynki szkieletowe stalowe, w których znacznie zwiększono część elewacji przepuszczającej światło. Na innowacje te wpłynął również rozwój technologii produkcji coraz większych tafli szklanych, głównie metodą tzw. rozpłaszczanego cylindra.
Polecany artykuł:
Odkrycie tzw. ściany kurtynowej było związane z wprowadzeniem pierwszych systemów całkowicie szkieletowych, czyli takich, w których obciążenia ze stropów i dachu są przenoszone wyłącznie przez słupy rozmieszczone na siatce konstrukcyjnej. Kluczowe na tym etapie było zastosowanie żelbetu w konstrukcjach szkieletowych – rozwiązanie to eliminuje ściany zewnętrzne jako elementy przenoszące obciążenia. Niezbędne okazało się opracowanie nowego, wcześniej niestosowanego elementu, jakim była ściana kurtynowa, czyli lekka, szkieletowa konstrukcja, zazwyczaj wypełniona szkłem, która była zawieszana na górnej krawędzi wyższej płyty stropowej. „Zawieszenie” elementów ściany kurtynowej było kluczowe, ponieważ nie przenosiły one żadnych obciążeń ściskających, nie były więc podatne na wyboczenie – mogły być realizowane z naprawę cienkich, metalowych (głównie aluminiowych) profili. Pozwoliło to na praktyczną realizację wizji niemieckiego architekta Mies’a van der Rohe, czyli wzniesienie szklanego wieżowca.
Obecnie rozwój technologii budowlanych umożliwia realizację śmiałych i innowacyjnych projektów fasad, które zmieniają oblicze miast na całym świecie. Nowoczesne elewacje często łączą różnorodne materiały i technologie, takie jak szkło, metal, drewno czy kompozyty. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu inteligentnych systemów, takich jak automatyczne żaluzje czy dynamiczna regulacja oświetlenia, fasady mogą dostosowywać się do zmieniających się warunków atmosferycznych i potrzeb użytkowników, co stanowi doskonały przykład integracji technologii z architekturą. W tym tekście pokrótce przyjrzymy się każdemu tych systemów.
Nowoczesne elewacje: czym są inteligentne fasady?
Określenie „inteligentne fasady” jest oczywiście nadużyciem. Fasady budynków nie są obdarzone inteligencją i nie mają świadomości. Przynajmniej na razie. Nazwa ta jest najczęściej wykorzystywana do wskazania rozwiązań, które w dynamiczny sposób dostosowują się do środowiska zewnętrznego.
Już we wczesnych latach 60., w apogeum tzw. stylu międzynarodowego, zorientowano się, że przeszklone fasady mają równie dużo zalet (są np. bardzo trwałe i odporne na warunki pogodowe), co wad. Najistotniejszym problemem eksploatacyjnym był brak możliwości regulowania ilości powietrza i światła dziennego, które dostaje się do wnętrza pomieszczenia. Promieniowanie słoneczne w połowie składa się ze światła (promieniowanie widzialne), a w połowie z ciepła (promieniowanie podczerwone). Efekt cieplarniany powodował, że wnętrza się przegrzewały, a usuwanie ciepła za pomocą mechanicznej klimatyzacji było bardzo kosztowne. Żaluzje i przesłony, które instalowano wewnątrz, miały ograniczoną skuteczność, zdecydowanie lepiej sprawdzały się te zlokalizowane na zewnątrz. To jednak nie zawsze było możliwe, szczególnie w budynkach wysokich, gdzie takie zewnętrzne elementy były podatne na silne podmuchy wiatru.
Pierwszym rozwiązaniem, zaczerpniętym z budynków, które były realizowane już na początku XX w. (Fabryka Steiff w Giengen, 1903), było wytworzenie zamkniętej przestrzeni na całej wysokości szklanej elewacji. Dokonano tego przez montaż dodatkowej, zewnętrznej warstwy szkła. Między właściwą elewacją a dodatkową zewnętrzną warstwą szkła tworzyła się przestrzeń (wentylowana lub nie), która pełniła dwie funkcje: stawała się buforem termicznym (co jest bardzo korzystne w zimie) i akustycznym oraz dawała możliwość montażu elementów regulujących dostęp światła dziennego: żaluzji lub rolet.
Taki system otrzymał nazwę: podwójna fasada (ang. double-skin facade). Nowoczesna elewacja w tym przypadku polega na tym, że elementy regulujące dostęp światła dziennego są chronione przez zewnętrzną warstwę szkła, co daje przewagę nad rozwiązaniem standardowym.
Szerokość bufora termicznego była bardzo różna, w niektórych rozwiązaniach to zaledwie kilkanaście centymetrów, czyli wystarczająco dużo, żeby zamontować żaluzję, jak np. A-One Business Center w Rolle (arch. Architram architecture et urbanisme SA, 2010). W innych sięga 160 cm, co pozwala na swobodne przemieszczanie się użytkowników lub wykorzystywanie tej przestrzeni jako słonecznej werandy – jak w Archiwum Kraju Basków (arch. ACXT, 2013). „Inteligentnym” elementem podwójnej fasady była więc żaluzja lub roleta, które albo automatycznie, albo przez ręczne sterowanie pozwalały na dostosowywanie elewacji do pogody. Podwójne fasady wyposażono również w zaawansowane systemy regulacji przepływu powietrza, co umożliwiało grawitacyjne przewietrzanie pomieszczeń na najwyższych kondygnacjach biurowców
Apogeum rozwoju fasad podwójnych przypada na przełom XX i XXI w., kiedy były one masowo realizowane, niemal jako rozwiązanie domyślne w budynkach biurowych, głównie w Europie. To rozwiązanie techniczne idealnie wpisywało się w paradygmaty „zielonej rewolucji” – narrację o konieczności oszczędzania energii i poprawy warunków pracy we wnętrzach biurowców. Obecnie wiadomo, że nie jest ono pozbawione wad, a przewidywane przez jego twórców duże zaangażowanie użytkowników w sterowanie nigdy się nie zrealizowało.
Kolejnym etapem rozwoju inteligentnych fasad jest nowoczesna elewacja wykorzystująca rozwiązania adaptowalne, które albo samodzielnie, albo przy udziale zewnętrznego systemu sterującego dostosowują się do warunków środowiskowych.
Jednym z najczęściej wykorzystywanych systemów adaptowalnych jest przeszklenie, które automatycznie reaguje na światło słoneczne (fotochromowe) lub zmienia swoją przezroczystość pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego (elektrochromowe). Rozwiązania te faktycznie ograniczają dostęp promieniowania słonecznego do wnętrza, jednak ich wadami są cena, a także czas reakcji. W przypadku szyb elektrochromowych sięga on 15 min, co nie pozwala na adekwatną reakcję na dynamiczne zmiany w ilości światła słonecznego. Oddzielną kategorią rozwiązań adaptowalnych są systemy kinetyczne – umożliwiające regulację ilości światła słonecznego za pomocą elementów mechanicznych, które zmieniają swoje położenie.
Systemy kinetyczne — gdy nowoczesna elewacja dostosowuje się do otoczenia
Systemy kinetyczne są obecnie najszybciej rozwijającym się zagadnieniem badawczym, liczba publikacji, które są im poświęcone, wzrosła od roku 2021 kilkukrotnie. Poza spełnianiem swojej głównej funkcji regulacyjnej te nowoczesne elewacje zmieniają również wygląd budynku, co budzi wiele emocji zarówno wśród projektantów, jak i odbiorców.
Systemy kinetyczne korzystają z systemów sterowania, w skład których wchodzą: (i) czujniki, które zbierają dane na temat stanu pogody (temperatura, wilgotność, prędkość wiatru), (ii) algorytmy przetwarzające dane oraz (iii) silniki i siłowniki, które dokonują mechanicznego przemieszczenia elementów takiego systemu. Wśród twórców i badaczy kinetycznych systemów zacieniających panuje powszechny kompromis, że ich zastosowanie pozwala na wygenerowanie ok. 40% oszczędności, w przyszłości sprawność ta z pewnością będzie się zwiększać.
Obecnie kinetyczne systemy zacieniające są jednak relatywnie rzadko stosowane, ich rozpowszechnienie to kwestia przyszłości. Praktyka realizacyjna pokazała, że stanowią prawdziwe wyzwanie inżynierskie. System musi być nie tylko trwały pod względem mechanicznym, lecz także odpowiednio sterowany. To właśnie sterowanie stało się przyczyną awarii. Często przywoływanym przykładem monumentalnego kinetycznego systemu zacieniającego, który nie działa, jest południowa fasada Muzeum Świata Arabskiego (arch. Jean Nouvel, 1987). Fasada podzielona jest na kwadratowe panele, które zawierają niebywale złożony mechanicznie system przesłon wzorowanych na przesłonie aparatu fotograficznego.
W założeniu projektanta czerpią one inspirację z architektury arabskiej. Obecnie trwają prace nad przywróceniem prawidłowego działania tego systemu. Inne przykłady kinetycznych systemów zacieniających są co prawda oparte na prostszych mechanizmach, ale za to działają. Malowniczym przykładem jest biurowiec Oval Cologne (arch. Sauerbruch & Hutton, 2007), w którym barwne okiennice składają się jak skrzydła ptaka, zdecydowanie zmieniając wyraz estetyczny budynku.
Widowiskowe rozwiązanie zastosowano też w biurowcu Q1 firmy Thyssen w Essen (arch. JSWD Architekten + Chaix & Morel et Associés, 2010). Elementy systemu zacieniającego mają tam formę stalowych „choinek”: cienkich pionowych rur, do których prostopadle zamocowano poziome żaluzje. Elementy obracają się wokół pionowej osi, nie tylko regulując dostęp światła dziennego, ale również zmieniając wygląd budynku.
Nowoczesna elewacja jako źródło energii
Fasady budynków były łączone z elementami służącymi produkcji energii elektrycznej od połowy lat 90. XX w. Był to sposób na wytworzenie „zielonej energii” wykorzystywanej na funkcjonowanie budynku bądź oddawanej do sieci zewnętrznej. Na pierwszym etapie najpoważniejszym ograniczeniem była cena paneli fotowoltaicznych, ale – trzeba to otwarcie zauważyć – również ich wygląd. Technologie polikrystaliczne charakteryzowały się widocznym niebieskim zabarwieniem i wyraźnie dostrzegalną fakturą krystalicznej siatki. Nie zawsze odpowiadało to projektantom, a integracja tych paneli z formą architektoniczną była wyzwaniem.
Po wejściu na rynek paneli monokrystalicznych, które są zasadniczo jednolicie czarne i pozbawione wyraźnej faktury, integracja z fasadą stała się zdecydowanie łatwiejsza, ponieważ taki panel nie dominował formalnie. Stworzono nawet odrębną dziedzinę aktywności inżynierskiej – BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics), czyli zintegrowaną z budynkiem fotowoltaikę. Praktyka projektowa obfituje w przykłady zastosowania systemów PV zarówno umiejętnie integrowanych z modernistyczną fasadą, np. budynek Bonneshof Office Center w Düsseldorfie (arch. Rhode Kellermann Wawrowsky, 2013), jak i wyraziście manifestujących swoją obecność, jak w budynku Domu Muzyki w duńskim mieście Aalborg (arch. Coop Himmelb(l)au, 2014).
Energia elektryczna nie jest jedyną formą energii, jaką może produkować nowoczesna elewacja dzięki elementom na niej zainstalowanym.
Innowacyjne propozycje dotyczyły zarówno montowania kolektorów próżniowych w celu wytwarzania ciepła, jak i zaawansowanych bioreaktorów, których zadaniem było produkowanie biomasy, a ta – następnie spalana – miała dostarczać energię do zasilania budynku. Taki eksperymentalny budynek mieszkalny powstał w Hamburgu i z pewnością stanowi zwiastun technologii, które będą stosowane w przyszłości.
Jak nowoczesna elewacja wpływa na środowisko?
Rozwój opisanych powyżej wybranych technologii stosowanych w fasadach budynków jest podyktowany dążeniem do zmniejszenia wpływu budynku na środowisko i spełnieniem zadeklarowanych celów dekarbonizacji. Obecnie budynki w krajach rozwiniętych zużywają ok. 40% energii, więc każda innowacja, która służy zmniejszeniu tego zużycia, jest cenna. Bilans energetyczny nie jest jednak jedynym elementem oddziaływania na środowisko. Cykl życia budynku nie składa się wyłącznie z okresu jego eksploatacji, ale również z etapów, które ją poprzedzają i po niej następują. Tę ogólną zmianę filozofii myślenia o budynku nazywamy „oceną cyklu życia” (ang. Life Cycle Assessment).
Obecnie, zgodnie z obowiązującymi regulacjami UE, w bilansie energetycznym i węglowym (czyli emisji CO2) należy brać pod uwagę analizę i cenę wszystkich etapów „życia” budynku – od wydobycia surowców przez produkcję, transport, eksploatację aż po utylizację lub recykling. Każdy z nich ma potencjalny wpływ na środowisko, w tym na emisję gazów cieplarnianych, zużycie energii, zanieczyszczenie wody i powietrza, a także generowanie odpadów. Ocena wpływu materiałów elewacyjnych i technologii na środowisko przez cały ich cykl życia jest kluczowym elementem w dążeniu do zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska. To kwestia zachowania w jak najlepszym stanie środowiska dla przyszłych pokoleń.
Znaczenie tej oceny polega również na dostarczeniu informacji niezbędnych do podejmowania świadomych decyzji przez architektów, projektantów i deweloperów. Wybór odpowiednich materiałów i technologii, które mają niższy wpływ na środowisko, przyczynia się do tworzenia bardziej zrównoważonych fasad.
W kontekście projektowania i wykonywania nowoczesnych elewacji kluczowe jest wyważenie, czy ograniczona trwałość np. materiałów pochodzenia biologicznego (np. drewno vs. aluminium) nie będzie oznaczała konieczności częstszego przeprowadzania remontów i konserwacji, które także wiążą się z obciążeniem środowiska naturalnego, produkcją odpadów i zaangażowaniem sprzętu budowlanego. Drewno wydaje się jednak idealnym materiałem do konstrukcji wewnętrznych elementów fasad, które nie są narażone na oddziaływanie czynników atmosferycznych.
Z poszukiwań autora wyraźnie wyłania się nurt w projektowaniu, który można określić jako „drewno za szkłem”. Oznacza to zastosowanie drewna, które z zewnątrz – ze względów użytkowych – jest osłonięte warstwą szkła. Znacznie przedłuża to jego trwałość i daje możliwość ponownego wykorzystania obu materiałów. Rozwiązanie takie wykorzystano w budynku GC Osaka Building (arch. Shigeru Ban, 2000).
Przykłady zastosowania na fasadach materiałów pochodzących z recyklingu nie są jednak częste. Można odnaleźć realizacje wykorzystujące materiały wysoko przetworzone (powtórnie przetopione aluminium) albo elementy niewymagające dodatkowej obróbki: plastikowe pudełka po lodach, skrzynki wykonane z przeświecalnego tworzywa – np. Naju Art Museum (arch. Hyunje Joo, 2017) – lub butelki PET. Takie zastosowanie tworzyw rodzi jednak pytanie o bezpieczeństwo pożarowe.
Doskonałym przykładem powtórnego wykorzystania jest zastosowanie okiennic zdemontowanych z wyburzanych budynków, np. Vegan House (arch. Block Architects, 2014). Całe zdemontowane okna zostały zastosowane w Kamikatz Public House (arch. Hiroshi Nakamura & NAP, 2018) oraz – na zdecydowanie większą skalę – w budynku Rady Europejskiej w Brukseli (arch. Samyn and Partners, 2016).
Polecany artykuł:
Podsumowanie
Technologia fasad nieustannie ewoluuje, a w nadchodzących latach można spodziewać się dalszego wzrostu znaczenia zrównoważonych i energooszczędnych rozwiązań. Kluczowe trendy obejmują rozwój inteligentnych fasad, które mogą dostosowywać się do warunków atmosferycznych, oraz integrację paneli fotowoltaicznych. Innowacyjne materiały, takie jak nanotechnologie, kompozyty i materiały o zmiennej przezroczystości, również będą odgrywać coraz większą rolę.
Nowoczesne elewacje, w których zastosowano innowacje w technologie, mają ogromny wpływ na współczesną architekturę. Zrównoważone i inteligentne rozwiązania elewacyjne pozwalają na tworzenie budynków bardziej przyjaznych dla środowiska, które jednocześnie oferują wyższy komfort użytkowania. Przejście na bardziej ekologiczne materiały i technologie wspiera zrównoważony rozwój miast, redukując ślad węglowy oraz poprawiając jakość życia mieszkańców.
Nowoczesne elewacje łączą funkcjonalność z estetyką, otwierają nowe możliwości dla architektów, inspirując ich do tworzenia innowacyjnych projektów. To wszystko prowadzi do dynamicznego przekształcania przestrzeni miejskich w bardziej zrównoważone, inteligentne i estetycznie atrakcyjne środowiska przyszłości.
