O zaletach stosowania konstrukcji drewnianych pisaliśmy już wiele razy. Poświęciliśmy temu zagadnieniu również szereg publikacji. Jednak do tej pory nasza uwaga poświęcona była architekturze małokubaturowej, takiej jak budownictwo jednorodzinne, zagrodowe itp.
W Polsce panuje mit, iż drewno pozostaje materiałem trudnym w zastosowaniu przy budowie budynków większych i o wyższych kategoriach zagrożenia ludzi z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe. Wśród wielu projektantów i inwestorów istnieje przekonanie że szczególnie najbardziej narażone na niebezpieczeństwo budynki w kategorii (ZLIV bloki mieszkalne) i ZLV (hotele) absolutnie nie mogą być budowane z materiałów innych niż powszechnie uważane za niepalne takie jak choćby wszechobecny żelbet. W poniższej rozprawie pragniemy obalić ten mit – co ważne posługując się przy tym nie tyle własnym subiektywnym przekonaniem lecz przywołując naukowe dowody, uznane publikacje i najważniejsze – realizacje budowlane.
Zaprojektowanie budynku z drewna, poza szeregiem przemawiających za tym argumentów otwiera też jednak szerokie pole problematyki, którą należy pogłębić, aby uniknąć błędów utrwalających pewne negatywne stereotypy o tym typie budownictwa. Po pierwsze trzeba powiedzieć ogólnie, że architektura drewniana na terenie Polski to wciąż ewenement. Owszem, na Podhalu i częściowo na pozostałych terenach pogórza karpackiego w południowej Polsce przetrwała silna tradycja, utrwalona tzw. stylem zakopiańskim, która obecnie przeżywa swój renesans. To zaś – w połączeniu z rozwojem technologicznym powoduje rozwój rynku wykonawczego i atrakcyjność ofert. Również w pozostałych częściach kraju pojawia się coraz więcej wykonawców oferujących różanego rodzaju – tradycyjne lub nowoczesne – techniki ciesielskie. Jednak architektura drewniana, która jest w pełni strukturalna – to znaczy taka, gdzie wygląd zewnętrzny jest spójny z jej konstrukcją i technologią wciąż w Polsce zamyka się w kręgu obiektów mało kubaturowych, typowych dla zabudowy jednorodzinnej ew. rekreacji indywidualnej, zagrodowej, już rzadziej kwaterunkowej (pensjonaty). Drewniana zabudowa wielorodzinna, usługowa lub hotelowa należy do rzadkości. Również na samym Podhalu – gdzie powrót do drewna wydaje się najsilniejszy – większe obiekty, szczególnie mieszkalne, nawet jeśli wyglądają na drewniane, to najczęściej wznoszone są w technice murowanej, która następnie po przez okładziny i różnego rodzaju imitacje upodabnia się do architektury drewnianej. Taki działanie, najczęściej nastawione na komercyjne oddziaływanie skojarzeniami, typowe dla usług turystycznych prowadzi do obniżenia jakości architektury identyfikowanej regionalnie, czy wręcz jej karykatury. Nie jest to miejsce na szersze zgłębienie problemu pojęcia imitacji architektonicznej, ale można powiedzieć ogólnie, że jeśli wygląd budynku ma być totalnie przeciwstawny do jego wewnętrznej struktury, to koniec końców na etapie wykonawczym – nie raz nawet przy zastosowaniu najlepszej próby imitacji – staje się on technologicznie niespójny i wizualnie nieczytelny. Żeby nie powiedzieć – tandetny. Technika murowana, jakby nie było polega na stosowaniu materiałów z natury „zimnych”. Dlatego wymaga zastawania pełnego i wydatnego wizualnie płaszcza termicznego. Jest to najczęściej gruba 15-20 centymetrowa warstwa styropianu lub wełny mineralnej obejmującego wszystkie najdrobniejsze elementy budynku – łącznie z tymi, które wystają na zewnątrz jak balkony, podciągi czy słupy. Bowiem każdy z nich niezabezpieczony może stać się przewodnikiem dla tzw. „mostku termicznego”. Dopiero tak przygotowany gruby „termos” może stać się polem ekspresji polegającej na stosowaniu różnego rodzaju okładzin – od boazerii, gontów, po pseudo bali itp. To oczywiście bywa wysokonakładowe i przede wszystkim zniekształca formę architektoniczną, bowiem główną cechą architektury drewnianej jest jej pierwotna prostota i finezyjność.
Co zatem powoduje, że architektura drewniana w Polsce – poza wyjątkami – wciąż nie może upowszechnić się w skali większej niż zabudowa małokubaturowa? Należy wskazać klika następujących problemów: wiele osób na pierwszym miejscu zapewne wskaże zagadnienia związane z ochroną przeciwpożarową. Warto jednak zdać sobie eksperyment myślowy polegający na tym, aby tę kwestię rozważyć na samym końcu, po to, aby po przeanalizowaniu innych problemów mieć pewność, że na ocenę naukową nie rzutują uprzedzenia mentalne.
Tło historyczne
Na początek, najwyżej w hierarchii należałoby ustawić właśnie stereotypy. Do ugruntowania ich w największym stopniu przyczyniło się tło historyczne. Druga połowa XX wielu przyniosła w Polsce niemal pełne uprzemysłowienie budownictwa. Przemiany społeczno-gospodarcze sprzyjały zanikowi indywidualnego rzemiosła, a drewno stało się towarem deficytowym – w przeciwieństwie do masowo wytwarzanego betonu. Rozwój górnictwa sprawił, że energia cieplna pozyskiwana z węgla była relatywnie tania. Więc kwestia energooszczędności betonowych budynków nie stanowiła większego problemu. To wszystko, oraz tendencje architektury światowej sprawiły, że spopularyzowały się nie tylko techniki murarskie, ale przede wszystkim żelbet. „Nowy ład” z jakim odbudowywano Polskę po zniszczeniach wojennych (materialnych i społecznych), szybko sprawił, że drewno – szczególnie w szerokim społecznym odbiorze – zaczęto kojarzyć z zacofaniem i ubóstwem. (Dla uniknięcia wątpliwości należy wyjaśnić, że nie jest celem niniejszej rozprawy negowanie dorobku polskiego modernizmu drugiej połowy XX wieku – który zawiera wiele spektakularnych i wartościowych budynków zrealizowanych z betonu) . Później czasy schyłkowego modernizmu dobiegły końca wraz ze schyłkiem epoki socjalizmu. Niestety pierwsze próby powrotu do technologii drewnianych w końcu XX wieku tylko pogorszyły stereotypy. Słabo rozwinięty rynek, niskie budżety inwestycji, brak kwalifikacji wykonawczych powodowały, że nieudolnie próbowano kopiować technologie szkieletowe sprowadzane z krajów zachodnich. Dopiero wejście w okres rozwoju gospodarczego w pierwszej dekadzie XXI wieku, podnoszenie kwalifikacji i zaplecza narzędziowego w oparciu o najnowocześniejsze wzorce, równolegle ze zwróceniem uwagi na ekologię, energooszczędność i ekonomikę budowy (również w odniesieniu do siły roboczej) sprawiło, że budownictwo drewniane zaczęło powoli się odradzać. Pomogło też kilka śmiałych realizacji w przestrzeni publicznej, które w warstwie wykonawczej wsparło – co ciekawe – odrodzone rodzime rzemiosło ciesielskie. Tym samym w najnowszej historii architektury polskiej okazało się, że drewno może być znakomitym materiałem konstrukcyjnym i architektonicznym. Ale jednak wciąż daleko nam do awangardy krajów rozwiniętych w tym zakresie.
Trudności projektowe
Stereotypy wokół drewna przyniosły problem, który należałoby postawić jako drugi w hierarchii. Otóż na negacji drewna wychowało się całe pokolenie inżynierów i projektantów. Dlatego trudności natury projektowej – konkretnie polegające na małej ilości specjalistów znających od strony praktycznej tajniki sztuki ciesielskiej i możliwości ich wykorzystania w nowoczesnej, odkrywczej architekturze to istotny problem.
Dodatkowym problemem przez lata były trudności w odwzorowaniu śmielszych konstrukcji strukturalnych w formacie dwuwymiarowym. Trudno było bowiem wykluczyć konflikty belek i innych elementów konstrukcyjnych w czasach, gdy projektowanie architektoniczne nie było wspomagane modelowaniem w 3D. A i nawet takie nie zawsze przełamuje nawyk jakoby architektura była tą warstwą wierzchnią – „designem”, swojego rodzaju „tapetą”, a konstrukcja i tym samym struktura budynku była czymś bliżej nie rozpoznanym przez architekta, czym zajmuje się specjalista z odmiennej branży projektowej. Tym samym, zamykając się w wąskich specjalizacjach odchodzimy choćby od dziedzictwa europejskiego gotyku czy renesansu, w których jeden mistrz trzymając w swoim ręku mnogość zagadnień równorzędnie posługiwał się tak formą jak i konstrukcją budynku i to właśnie na ich styku materializował swoją ekspresję. Dziś zaczynamy dysponować odpowiednimi narzędziami. „My” – nie tylko architekci, ale również konstruktorzy, którzy dzięki zaawansowanym modelom konstrukcyjno-przestrzennym są w stanie niemal na bieżąco koordynować wygląd i pracę danego elementu nośnego lub całego ich zespołu.
Aspekt bezpieczeństwa pożarowego
Przepisy w zakresie ochrony pożarowej i ogólnie problem bezpieczeństwa w tym zakresie został w niniejszej rozprawie celowo postawiony na ostatnim miejscu. Odrzucając warstwę mentalną możemy skoncentrować się na faktach. W referacie[1] opublikowanym na portalu „Inżynier Budownictwa” autorzy dokonują bardzo ciekawego przeglądu najnowszych trendów w rozwoju współczesnego budownictwa drewnianego i zestawiają je z polską literaturą i obowiązującymi normami obliczeniowymi w zakresie odporności ogniowej. Okazuje się – streszczając po krótce – że drewno wytwarzane i montowane w określonych warunkach technologicznych (drewno klejone), mimo że wyjściowo, samo w sobie uznawane jest za materiał palny, okazuje się spełniać wszystkie najbardziej restrykcyjne normy odporności ogniowej – w tym R, E, I, = 60. Przegląd literatury, który podają autorzy uwidacznia, że zagadnienia te są w polskich warunkach przebadane. Problemem jest zatem popularyzacja wiedzy. Nie wdając się w szczegóły, autorzy dowodzą rzeczy znanej, że drewno – owszem jest materiałem palnym, a w warunkach pożaru elementy konstrukcyjne ulegają zwęgleniu. Jednak warstwa zwęglona w przekroju elementu konstrukcyjnego – choć sama w sobie nie ma wartości nośnej to stanowi powłokę odcinającą tlen i tym samym uniemożliwiającą dalsze spalanie. Porównanie próbek poddanych działaniu ognia pokazuje, że spalanie nawet jeśli w początkowej fazie zwęglenie następuje szybko, to jego prędkość jest funkcją malejącą w czasie. Wnioski z badań naukowych można zobrazować prostym eksperymentem, znanym większości osób, którym zdarzyło się rozpalać ognisko. Jeśli chcemy gwałtownie wzniecić ogień musi
my podkładać drobno rozrąbane szczapy. Jeśli natomiast do wzniecanego ognia dołożymy grube polana, to one jedynie się zwęglą, a płomień zgaśnie. Ewentualnie w najlepszym wypadku polana będą się tlić i spalać w tempie znacznie mniejszym niż paliłoby się to samo drewno rozdrobnione na mniejsze kawałki. Istotą zatem jest dobranie odpowiedniej grubości przekroju, który utrzyma nośność pomimo nadpalenia. Ale tu jak wskazują autorzy – przekroje wynikające z obliczeń nośności, w niewielkim stopniu wymagają modyfikacji. Można to w skrócie streścić zasadą, iż dla belek poziomych wymiar przekroju „x” powinien być większy w stosunku do wymiaru „y” niż zwykło się to przyjmować. Druga zasada jest taka, że lepiej jest projektować masywniejsze elementy w większym rozstawie niż lżejsze w mniejszym. Chodzi bowiem o to, by przy uwzględnieniu ekonomiki zużycia materiału, tak zaplanować grubości przekrojów, aby utrzymały one swoją nośność pomimo częściowego zwęglenia (nadpalenia) w warunkach pożaru. W ten sposób możliwe jest uzyskanie odporności ogniowej głównych elementów konstrukcyjnych R i odporności stropów i przegród nośnych REI, wyrażonej w minutach na poziomie 60. To zaś otwiera możliwości projektowania niskich i średniowysokich budynków w różnych kategoriach zagrożenia ludzi – w tym mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej.
Dalej autorzy powołują się na przykład wybudowanego w 2015 roku apartamentowca Treet Tower w Bergen. Oczywiście znamy wiele wspanialszych ze względu na wygląd i ekspresję architektoniczną dzieł współczesnej architektury drewnianej – jak choćby pawilon Chile na wystawie Expo w Mediolanie i wiele innych. Przykład z Bergen – mimo że mniej efektowny, to jest bardzo istotny w kontekście niniejszej rozprawy. Otóż jest to budynek mieszkalny średniowysoki. Powstał w ramach europejskiej rodziny prawno-budowlanej a więc spełnia kryteria bezpieczeństwa pożarowego podobne do polskich. W kategoriach zagrożenia ludzi i odporności ogniowej rodzimie zakwalifikowalibyśmy go jako budynek ZL IV „średniowysoki”. A więc należałoby mu nadać klasę odporności pożarowej C. To zaś powoduje ze główna konstrukcja budynku powinna mieć odporność ogniową R60. Warto zwrócić uwagę, że w wielu miejscach wewnątrz budynku elementy konstrukcji nie są – tak jak to w Polsce przyjęło się projektować – osłonięte warstwą ogniochronną (np. płyta G-K). Przeciwnie – są odsłonięte i tym samym stanowią atrakcyjny element wizualny. W tym przypadku bowiem wpływ na klasę odporności ma nie rodzaj materiału, lecz jego masa. Drewno, aby było wytrzymałe musi mieć odpowiednio gruby przekrój. Dla porównania: rachunek ekonomiczny wskazuje, że cena elementu podobnej nośności ze stali i drewna klejonego jest porównywalna. Stal jest jednostkowo droższa, ale dla uzyskania tej samej nośności zużywa się jej znacznie mniej niż drewna. Przez to przekroje stalowe są znacznie mniejsze. I tu paradoks: stal w warunkach pożaru upłynnia się i szybciej traci nośność. Drewno klejone zachowuje swoją odporność dzięki właśnie masywnym przekrojom elementów konstrukcyjnych. Dodatkowym czynnikiem jest kwestia wypełnienia przegród i ich termoizolacji. Okazuje się, że ściany murowane, choć nie rozpraszają ognia to łatwo przewodzą temperaturę. W związku z tym ich izolacyjność ogniowa „I” mierzona czasem potrzebnym do zapłonu wacika bawełnianego przyłożonego z jednej strony ściany w czasie, gdy po drugiej stronie trwają warunki pożarowe jest stosunkowo niska. I tym samym czas na bezpieczną ewakuację krótki. Dodatkowo, murowane przegrody zewnętrzne często ociepla się styropianem, który jako materiał bardzo łatwo palny obniża z kolei potrzebną szczelność ogniową „E”. Natomiast jak widzimy na ilustracji, podstawowym elementem wypełniającym ściany wieżowca w Bergen jest wełna mineralna. To materiał niepalny o wysokim współczynniku EI. Stanowi izolację i wypełnienie ściany jednocześnie. Szczelnie ułożona odcina dostęp tlenu do wewnętrznego szkieletu drewnianego. Dlatego taka przegroda (poza bardzo dobrymi współczynnikami izolacyjności termicznej) okazuje się też być bezpieczna z punktu widzenia ochrony pożarowej.
Autorzy referatu popierają swoje tezy dokładnymi obliczeniami, które dla niniejszego opracowania zostaną wykonane wtedy, gdy wejdzie ono w fazę budowlaną. Niemniej, posługując się analogią do wieżowca w Bergen można śmiało powyższe rozważania skonkludować, że nie ma żadnych obiektywnych przeciwwskazań do tego, aby w Polsce budować średniowysokie budynki w kategorii ZLIV i ZLV – takie jak bloki mieszkalne, apartamentowce, hotele, akademiki itp. konstruując je w technice masywnego szkieletu drewnianego – z drewna klejonego. Otwarcie się na taką technologię niesie ze sobą szereg zalet i rozwiązania problemów z jakimi borykamy się używając popularnych konstrukcji z żelbetu czy stali. Przede wszystkim konstrukcja z materiału „ciepłego” pozwala uniknąć szeregu trudności związanych z termoizolacyjnością budynku, jak również sprzyja autentycznej ekspresji architektonicznej mającej wysokie walory estetyczne. Ponadto jest to najbardziej ekologiczny sposób budowania. Można śmiało powtórzyć za autorami przywołanego artykułu, że o ile stal była symbolem budownictwa XIX wieku, a żelbet wieku XX, o tyle drewno – w tym drewno klejone – będzie symbolem nowoczesnej architektury XXI wieku. Ale to już materiał na odrębną rozprawę.
[1] Jakub Przepióra i Tomasz Szcześniak „Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych” 29.11.2016 Referat na portalu Inżynier Budownictwa