Spis treści
Oddziaływanie wiatru i aerodynamika zabudowy
Pierwszym czynnikiem, który bardzo silnie oddziałuje w skali miejskiej i wywołuje reakcje fasad, to wiatr. Polska należy do tych rejonów świata, w których jest on mimo wszystko dość przewidywalny – w uproszczeniu można przyjąć, że średnia prędkość wiatru to ok. 3 m/s, co po przeliczeniu daje ok. 10 km/h (czyli jest to trucht). W krajach Europy Północnej bywa dwukrotnie wyższa, osiąga prędkości właściwe rowerzystom. Mamy jedynie trzy strefy obciążenia wiatrem, w tym jedną główną, a z natury najsilniejsze oddziaływania występują w rejonach nadmorskich i górskich. Charakterystyka wiatrowa terenu to efekt wieloletnich pomiarów i wniosków określanych metodami statystycznymi. Dla nakreślenia obrazu sytuacji ważne jest wyznaczenie średniej siły i kierunku wiatru w danej lokalizacji, możliwej skali oraz częstotliwości odchyleń. Możemy w przybliżeniu uznać, że do końca XX w. wiatr trafiał najczęściej na przeszkody w postaci przewidywalnych prostopadłościennych brył budynków niskich lub średniowysokich. Sposób opływu powietrza, siły jego oddziaływania na taki budynek są bardzo dobrze znane. Jednak już zestawienie najprostszych brył może wywoływać dość zaskakujące efekty. Odkąd zaś budownictwo zaczęło odważniej poruszać się w obszarze realizacji złożonych, wielkoskalowych, wielokrzywiznowych, dodatkowo dwupowłokowych kształtów – co zawdzięczamy architektom tworzącym w drugiej połowie XX w. – definiowanie opływu powietrza stało się o wiele trudniejsze.
Wystarczy zainteresować się przemieszczaniem powietrza wokół bryły o kształcie walca, które jest silnie uzależnione od jego średnicy, aby domyślać się, że w przypadku sekwencji wielokrzywiznowych fragmentów elewacji z dodatkową perforacją czy wielkoskalowymi prześwitami efekty oddziaływań mogą być wyjątkowo trudne do przewidzenia i burzliwe ‒ powstaną nagłe przyspieszenia i zawirowania manifestujące się ogłuszającymi świstami. Z reguły można wskazać miejsce występowania efektu dyszy – utworzy się wszędzie tam, gdzie mamy relatywnie wąskie arterie w sąsiedztwie pasm wysokiej zabudowy.
Przy niefortunnym kierunku wiatru na danym terenie konfiguracja budynków może powodować przyspieszenie wiatru. Dwukrotne zwiększenie prędkości przy nasilonym wietrze o początkowej prędkości rzędu 25 km/h oznacza dla człowieka trudności z zachowaniem równowagi. Fasady w niektórych rejonach świata muszą sprostać naporowi wiatru o huraganowej prędkości, przekraczającej ok. 120 km/h.
Przeczytaj również:
- Rola fasady w wentylacji pomieszczeń. Podwójne fasady szklane
- Materiały i rozwiązania elewacyjne ‒ kompleksowy przegląd systemów
Obecnie dysponujemy nowoczesnymi narzędziami umożliwiającymi przewidzenie konsekwencji geometrycznej architektonicznej fantazji ‒ są to badania środowiskowe w tunelach aerodynamicznych oraz coraz doskonalsze symulacje cyfrowe. W namacalny sposób wykażą, gdzie wokół budynku pojawią się przyspieszenia mas powietrza, gdzie może dość do nadmiernego parcia wiatru na fasady, a w których miejscach do jego zastoju. Rezultaty badań nie muszą skłaniać do zupełnej zmiany geometrii projektu, mogą jednak pomóc w wyborze lokalizacji szlaków komunikacyjnych, głównych wejść do budynków oraz uzupełnić kanały przewietrzania. Doświadczenie wskazuje, że zdecydowanie za rzadko korzysta się z tego typu analiz.
W Polsce mamy kilka nowoczesnych laboratoriów badawczych prowadzonych przez uczelnie techniczne, które są w stanie na podstawie skalowanych modeli lub cyfrowych symulacji wydać stosowne rekomendacje do projektu. Jednostki badawcze dysponują wynikami wieloletnich obserwacji odchyleń kierunku i zmian prędkości wiatru po zderzeniu z przeszkodą, jaką jest obszar zurbanizowany. Zastosowanie w praktyce wniosków z tych obserwacji z pewnością wpłynęłoby na jakość powietrza w miastach.
Nasłonecznienie i zjawisko miejskich wysp ciepła
Nasłonecznienie w miejskiej skali jest kolejnym elementarnym czynnikiem środowiskowym, który wywołuje zróżnicowaną reakcję fasad. W tym przypadku liczy się ekspozycja najważniejszych arterii komunikacyjnych miasta, nie tylko elewacji budynków.Szczególnie polecam obserwację nasłonecznienia głównych osi komunikacyjnych w Warszawie, zlokalizowanych w kierunku wschód–zachód. Gdyby kierunek był nieco odchylony lub mniej konsekwentny, to bryły budynków zapewniłyby lekkie zacienienie szlaków komunikacyjnych. Efekt to olśniewające zachodnie słońce, przede wszystkim w okresie od września do późnej jesieni.
Zazwyczaj układ urbanistyczny miast wyklucza występowanie tego typu zjawiska na większych obszarach. Jednak kierunek zachodni głównych otwartych miejskich szlaków, z uwagi na przeważające wiatry zachodnie, gwarantuje Warszawie skuteczne przewietrzanie. Zagadnienie rozkładu temperatur w miastach, zwłaszcza powstawania tzw. wysp ciepła, ma silny związek z fizycznymi właściwościami współczesnych fasad, modyfikacją pod ich wpływem kierunku i siły wiatru oraz bezpośrednim działaniem na warunki temperaturowe przez akumulację i transmisję ciepła. Sytuacja, w której temperatury wewnętrzne i zewnętrze są równe i optymalne (wynoszą ok. 20°C), jest wyjątkowo krótkotrwała. Zazwyczaj różnice są znaczące (wynoszą 10–15°C), a odchylenia występują w obydwu kierunkach, prowadzących do przegrzewania lub wychłodzenia, czyli wyrównania temperatury.
Przeczytaj również:
- Fasady a komfort cieplny budynków. Jak konstrukcja ścian zewnętrznych i otoczenie obiektu wpływa na komfort termiczny we wnętrzu
- Elewacje wentylowane z płyt włókno-cementowych – wytyczne projektowe i wykonawcze
Obecne powłoki mają znacznie zmniejszone właściwości akumulacyjne w relacji do ustrojów masywnych. Różnica temperatur, zwłaszcza nocą, między obszarami silnie zurbanizowanymi a sąsiednimi – naturalnymi, niejednokrotnie przekracza 10°C. Fasada to nie tylko możliwość akumulacji, może być również zaprojektowana w sposób umożliwiający odbijanie, koncentrowanie promieniowania słonecznego oraz wysyłanie jego zmodyfikowanej wiązki w określonym kierunku, często jednak niepożądanym, bo proces ujawnia się nieoczekiwanie bez uprzedniej intencji jego wykorzystania. Londyński wysokościowiec, powszechnie znany pod nazwą Walkie-Talkie, nie jest jedynym przykładem wygenerowania mimowolnie spektakularnego wpływu fasady na miejski mikroklimat, należy jednak do najbardziej znanych i pouczających.
W pochmurnym i deszczowym Londynie struktura fasady zbliżona do wklęsłego zwierciadła zaczęła w sprzyjających okolicznościach odbijać, koncentrować i wysyłać promieniowanie słoneczne w konkretnym kierunku fragmentu sąsiedniej ulicy. Zjawisko zaczęło manifestować się już w trakcie montażu modułów fasady z przeszkleniem refleksyjnym. Zainteresowanie zjawiskiem osiągnęło poziom wiralowy, co sprzyja pogłębianiu wiedzy w dziedzinie fizyki klasycznej. Pomiary w czasie występowania specyficznych warunków nasłonecznienia wykazywały temperatury powyżej 100°C na powierzchniach w krytycznym obszarze. Mimo że zjawisko nie występowało w sposób ciągły, spowodowało konieczność zastosowania dodatkowej powłoki antyrefleksyjnej. Z pewnością znacznie trudniej ograniczyć efekt zderzania mas powietrza z parabolicznym kształtem i nakierowania wiatru w podłoże. Należy podkreślić, że wszystkie procesy fizyczne, które wzmocniła fasada, mogą być wykorzystane celowo i z rozmysłem w systemach pasywnych – do regulacji temperatury i oświetlenia.
i
Woda opadowa i możliwości jej retencji na fasadach
Woda pochodząca z opadów to cenny zasób, który może być przechwytywany na powierzchni fasad i dalej przekierowywany na potrzeby budynkowe lub do zasilania obszarów biologicznie czynnych. Instalacje przechwytujące wodę opadową w budynkach występują jednak wyjątkowo rzadko. Woda zbiera po drodze wszystkie zanieczyszczenia, a te najbardziej kłopotliwe wcale nie są zazwyczaj najlepiej widoczne i łatwe do mechanicznego oddzielenia. Najtrudniej odfiltrować lub wytrącić zanieczyszczenia chemiczne, które czynią z wody toksyczny, reaktywny płyn. Mimo wszelkich trudności technicznych pozyskiwanie wody z fasad realizowane jest w praktyce w pionierskich budynkach, dzięki czemu woda nie trafia do kanalizacji, pozostaje w miejskich ekosystemach, a jej cyrkulacja jest bardziej zbliżona do naturalnej.
Skład materiałowy fasad
W ciągu minionego stulecia do budownictwa wprowadzono wiele wcześniej nieznanych materiałów: metali i materiałów syntetycznych, zwłaszcza ropopochodnych. Zaczynaliśmy wiek XX, budując z materiałów mineralnych i stali, w latach 50. wprowadziliśmy aluminium, w 60. ruszyła pełną parą produkcja szkła float, w 80. zaczęliśmy powszechnie dodawać cienkowarstwowe powłoki z zawartością np. srebra, wykorzystywać argon do zespoleń i stosować syntetyki (zwłaszcza uszczelniające), obecnie wyposażamy fasady w systemy elektryczne i elektroniczne. Wiele materiałów spośród spopularyzowanych w XX w. musieliśmy uznać za wyjątkowo szkodliwe i odrzucić (np. azbest). Pozornie niewinne izolacje o włóknistej strukturze też mogą powodować rozliczne problemy, które pozostają w utajeniu przez całe dziesięciolecia. Z czasem zaczynamy przyglądać się właściwościom wielu substancji, np. powłokowym materiałom zapewniającym niepalność, i w wyniku przeprowadzonych badań musimy uznać, że nie są obojętne.
Przeczytaj również: Fasada budynku. Rola, funkcje i znaczenie w różnych strefach klimatycznych
Na listę zakazanych trafiają kolejne pozycje. Jednak ilość już użytych szkodliwych substancji jest olbrzymia, usuwanie ich wymaga najpierw wykrycia, gdzie zostały wbudowane, wymontowania (w miarę możliwości bez rozproszenia w środowisku), a następnie utylizacji. Do tej pory nie poradziliśmy sobie nawet z azbestem.Wszelkie syntetyczne elewacyjne imitacje klejone do podłoża to gwarancja wnikania chemicznych cząstek do atmosfery i gruntu w wyniku parowania i rozpuszczania. Spacer w upalny dzień przy budynku obklejonym syntetycznymi imitacjami nie wymaga użycia żadnego specjalistycznego sprzętu do detekcji chemikaliów, wystarczą własne zmysły. Postępujące nasycenie środowiska miejskiego toksycznymi związkami chemicznymi jedynie pogarsza mikroklimat.
Cykl życia fasad
Nie mniej ważnym aspektem tworzenia mikroklimatu miejskiego jest cykl życia fasady, który znacznie się skrócił. O ile nikt nie myśli o wymienianiu ścian XIX-wiecznych kamienic, o tyle technologie dwudziestowieczne i obecne skróciły czas eksploatacji powłoki budynku niejednokrotnie do ledwie 30 lat.Masy zdemontowanych materiałów powinny trafić do specjalistycznych zakładów przetwórczych, gdzie wyszkolona kadra ze stosownymi zabezpieczeniami dokonuje ich rozdzielenia na poszczególne surowce i frakcje. Obrót odpadami jest obecnie jednym z rosnących światowych biznesów. W tej dziedzinie jest wiele do zrobienia. Z pewnością masowy transport morski odpadów do nieuprzywilejowanych obszarów nie jest dobrym rozwiązaniem. Nawet jeśli tym składowiskiem jest najbardziej odludna i sucha pustynia, jak Atakama w Chile, to i tak przez powietrze i wodę niepożądane substancje zostaną przeniesione w inne, odległe obszary.
Przeczytaj również: Przestrzeń, światło i komfort: przykłady budynków z fasadą double-skin
Ziemia jest samoregulującym się bytem, jednak do przetworzenia ton mas bitumicznych czy folii stosowanych w laminacji potrzebny jest czas proporcjonalny do okresu egzystencji kilku generacji. Tak długo nie możemy jednak czekać, zważywszy na intensywną urbanizację terenów i krótki cykl życia, jaki cechuje współczesną fasadę. Rozwijanie umiejętności z zakresu pozyskiwania surowców z miejskich zasobów w obiegu zamkniętym (urban mining), wydaje się tą ideą dyskusyjnej gospodarki zrównoważonej, z którą nie należy polemizować. Odzysk metali jest opanowany, produkcja granulatu z odpadów PVC nie budzi już wątpliwości, jednak już odzysk szkła powłokowego, laminowanego tak, aby mogło ponownie trafić do huty na linię float, jest utrudniony, a ponowne przetworzenie syntetycznych materiałów uszczelniających i spoiw pozostaje dyskusyjne. Przeprowadzane są testy i badania, które pomogą tworzyć fasady łatwe do zdemontowania i rozłożenia na poszczególne komponenty. Ograniczenie ilości odpadów z pewnością wpłynie korzystnie na każdy mikroklimat, nie tylko miejski.
i
Estetyka, harmonia i kontekst historyczny w przestrzeni miejskiej
Architektoniczna harmonia to jedna z najbardziej pożądanych cech budujących miejski mikroklimat. Wpływ fasad na ten aspekt jest kluczowy. Strategii kreowania wizualnych cech miejskiego otoczenia wbrew pozorom nie ma wiele – jedną z nich jest zestawianie brył i fasad z następujących po sobie okresów historycznych, budując harmonijną całość z kontrastujących elementów. Takim przykładem jest zachodnia część placu katedralnego w Wiedniu – mamy tam przykłady fasad postmodernistycznych, minimalistycznych, historyzujących i gotyckich, które tworzą znakomite środowisko pod względem architektonicznym i urbanistycznym. Często buduje się na zasadzie zupełnego zanegowania sensu dalszej eksploatacji budynków istniejących, głównie z uwagi na niemodne fasady, niedzisiejsze rozwiązania materiałowe i proporcje. Taki rodzaj ingerencji w zabudowę przeprowadzono na dawnym terenie targowym w Mediolanie.
Przez kilka lat usuwano pawilony targowe, w ich miejscu powstała kompozycja architektoniczna zamówiona u gwiazd światowej architektury. Zabudowa z charakterystycznymi, nieregularnymi fasadami wraz z podziemnymi szlakami komunikacji drogowej tworzy dzielnicę CityLife, która miała być urzeczywistnieniem planów realizacji idealnego obszaru zurbanizowanego o optymalnym mikroklimacie.
i
Czy takim rzeczywiście jest – pozostawiam do osobistej refleksji.Na przełomie XX i XXI w. zostały stworzone warunki techniczne do wytwarzana idealnie transparentnych, wielkoskalowych fasad, które nie stanowią żadnej wizualnej blokady między środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym budynku. Należy oddać to, co należy się architektom, którzy zaczynali swoją drogę zawodową na początku ubiegłego stulecia – to oni zaprojektowali pierwsze wyjątkowo zuchwałe szklane konstrukcje już w latach 30. XX w. Obecnie trwa techniczna rywalizacja o wielkość laminowanych tafli szklanych, sposoby rozmieszczenia stalowych cięgien, ukrycia profili czy ulokowania słupów, tak aby pozostawić złudzenie idealnie transparentnej ściany zbudowanej niemalże z niczego. Efektem idei budownictwa, które wizualnie nie zmienia środowiska naturalnego, są zachwycające realizacje, jednak ograniczenie ich wpływu na mikroklimat jest fikcją.
Mamy dwa kierunki takich działań – tworzenie zupełnie przejrzystych form lub integrowanie ścian z roślinnością, a w skrajnych przypadkach uprawa roślin drzewiastych o wymuszonych formach wielkoskalowych parawanów. Obie formuły mogą stwarzać specyficzne warunki mikroklimatu, jednocześnie są niesłychanie kosztowne i kłopotliwe w eksploatacji. Obie też deformują naturalne ekosystemy w stopniu porównywalnym do wpływu standardowego budynku. Uzyskanie trwałej ściany z biologicznym ekosystem wymaga szerszego zakresu działań, nasłonecznienia, napowietrzenia, zraszania, nawodnienia, nawożenia, trwałego zespolenia z właściwym podłożem, usuwania suchych części roślin, ochrony przed szkodnikami i wielu innych czynności mających ścisły związek zdecydowanie bardziej z ogrodnictwem niż budownictwem. Efektem takich działań są dwa przepiękne apartamentowce w Mediolanie należące do zespołu zabudowy Bosco Verticale.
Przeczytaj również: Agnieszka Błońska o druku 3D w architekturze: Ekologia, innowacje i wyzwania dla architektów
W 2025 r. zadrzewione fasady apartamentowców po pełnych dziesięciu sezonach funkcjonowania prezentowały się zachwycająco zarówno wczesną wiosną, jak i latem. Pozostają wątpliwości, czy koszt realizacji i działania tego typu powłok budynków uprawnia do myślenia o ich jak o opcji do powszechnego zastosowania.
i
Systemy responsywne, inteligentne
Oczekuje się, że fasady responsywne w sposób aktywny umożliwią wpływanie na miejski mikroklimat. W obecnych warunkach technicznych nie jest możliwe powszechne eksploatowanie tego typu złożonych urządzeń. Dzisiejszy BMS to ledwie wersja demo systemów do zarządzania procesami w fasadach, które rzeczywiście pozwoliłyby na pełną odpowiedź na warunki środowiskowe. Idealnym przykładem fasady responsywnej jest południowa ściana Instytutu Świata Arabskiego w Paryżu. Świadomie wybieram właśnie tę relatywnie odległą w czasie i doskonale znaną w środowisku architektonicznym realizację, gdyż znakomicie ilustruje ona wszelkie problemy, z jakimi musi mierzyć się w codziennej eksploatacji użytkownik takiej fasady. Obiekt jest stosunkowo prosty, złożony z powtarzalnych modułów, w których niewielka część elementów działa na zasadzie zbliżonej do przesłony aparatu, uruchamianej przez kilka prostych siłowników.
Mimo że reaguje w ograniczony sposób tylko na światło, fasada przechodziła już kolejne próby modernizacji. Trzeba przyznać, że również w długotrwałych okresach, gdy w modułach występują usterki lub cały system jest zupełnie unieruchomiony, powłoka tworzy niezrównane efekty we wnętrzach. Fasady mogą reagować na zmiany dowolnego czynnika w otoczeniu czy we wnętrzu budynku, każdy moduł może być wyposażony w odpowiednie czujniki, w fasadzie może być umieszczona instalacja zasilająca, która uruchamia części mechaniczne lub działające z wykorzystaniem procesów fizycznych czy reakcji chemicznych w cienkowarstwowych powłokach. Tego typu ustroje wymagają wyśrubowanych warunków konserwacji i eksploatacji, koszt utrzymania budynku relatywnie szybko staje się wyższy niż jego budowa, co zasadniczo nie jest celem inwestorów.
Przeczytaj również: Nowoczesne elewacje ‒ integralny element współczesnej architektury
Czy dorośliśmy już cywilizacyjnie do tego typu wyjątkowo kosztownych, wymagających stałej kontroli rozwiązań w budownictwie? Być może jesteśmy tego bliżej niż kiedykolwiek, jeśli zadanie dobowej i sezonowej regulacji, detekcji oraz naprawiania usterek w fasadach powierzymy autonomicznym, inteligentnym i zautomatyzowanym systemom. Struktura takiej fasady jest wymuszona i wytężona, co zazwyczaj oznacza błyskawiczne zmęczenie materiałowe, a także niewspółmierne do rezultatu zapotrzebowanie energetyczne. Spojrzenie w przeszłość na zręczność, z jaką stosowano systemy pasywne, każe zadać sobie pytanie, czy nie warto wysilić intelektów i wrócić do wykorzystania naturalnych czynników zewnętrznych działających na fasady w celu udoskonalenia ich właściwości i kształtowania mikroklimatu.
