Zrównoważone budownictwo - proces projektowania zintegrowanego

Proces projektowania zintegrowanego obejmuje wzajemne powiązania różnych dyscyplin technicznych, co umożliwia zintegrowanie wielu rozwiązań budynku w celu osiągnięcia optymalnej efektywności energetycznej, środowiskowej i ekonomicznej w cyklu jego życia. Korzyści wynikające z zastosowania projektowania zintegrowanego w budynku mogą obejmować:

• zastosowanie optymalnych technologii do osiągnięcia zakładanej funkcji użytkowej,
• zwiększenie komfortu użytkowania (komfort akustyczny, wizualny, jakość powietrza, komfort funkcjonalny, dostęp do obiektu, komfort otoczenia, łatwość użytkowania etc.),
• obniżenie kosztów eksploatacji i konserwacji, m.in. poprzez zmniejszone zużycie energii,
• zmniejszenie ilości i uciążliwości odpadów,
• zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania budynku,
• redukcję negatywnych oddziaływań budynku na środowisko w cyklu życia,
• zwiększenie wartości budynku.

Etapy projektowania zintegrowanego

Zintegrowany proces projektowania znacznie różni się od konwencjonalnego. Zapewnia dodatkową elastyczność i dynamizm działania wszystkich członków zespołu, dzięki czemu umożliwia ciągłe uczenie się oraz szerszą implementację rozwiązań innowacyjnych „od koncepcji do projektu wykonawczego” (rys. 1).

Pierwszym krokiem w zintegrowanym procesie projektowym jest opracowanie zwięzłego projektu założeń poprzez określenie wymagań funkcjonalnych budynku [1]. Odbywa się to przez konsultację stron biorących udział w procesie. Zainteresowane strony powinny wyrazić swoje oczekiwania, opinie i mieć wkład w założenia.

Cele projektu nie muszą być na tym etapie szczegółowe, ale wystarczająco jasne dla zespołu projektowego, by mógł on opracować odpowiednie koncepcje i rozwiązania projektowe.

Kolejnym etapem jest opracowanie koncepcji. W konwencjonalnym procesie projektowania inwestor zwykle wyznacza architekta do przygotowania wstępnej koncepcji rozwiązań architektonicznych. W projektowaniu zintegrowanym etap ten jest bardziej skomplikowany.

Dodatkowe założenia, z którymi architekt mógłby nie dać sobie rady sam, są wprowadzane do projektu. Przy wyborze członków zespołu projektowego istotne jest uwzględnienie doświadczenia, motywacji i wiedzy, którą mogą oni wnieść do projektu.

Na początku organizowane jest spotkanie warsztatowe, umożliwiające przedstawienie dobranemu zespołowi celów projektu i ich omówienie. Powinni w nim uczestniczyć także zainteresowane strony i kluczowi pracownicy. Celem spotkania jest określenie wymagań projektowych i ma ono zachęcać do pogłębienia relacji pomiędzy członkami zespołu i wytworzenia efektu synergii.

Warsztat taki powinien zachęcić do dyskusji i współpracy, co przekłada się na zmniejszenie ryzyka powstawania konfliktów w dalszych fazach procesu i pomaga rozwijać główne elementy projektu, takie jak:

• założenia,
• możliwości i ograniczenia,
• ryzyka,
• harmonogram czasowy,
• budżet,
• wymagania przestrzenne,
• wymagania techniczne,
• współzależności,
• działania specjalistyczne,
• doradztwo,
• wprowadzanie poprawek do projektu oraz wymagania zrównoważonego budownictwa.

W założeniach zintegrowane właściwości budynku obejmują cechy środowiskowe, socjalne i ekonomiczne budynku, jak również właściwości techniczne i funkcjonalne. Są one ze sobą powiązane – zmiana jednego parametru ma wpływ na inne. Możliwość oceny dodatkowych cech związanych z komfortem (m.in. wg PN-EN 16309 [2]) w powiązaniu z kosztami może ułatwić wybór preferowanego rozwiązania w procesie decyzyjnym.

Następnym krokiem jest określenie cyklu kolejnych spotkań dla zespołu projektowego w celu opracowania wstępnego projektu budowlanego. Na tym etapie tematyka podejmowanych zagadnień powinna obejmować:

• zagospodarowanie terenu i przestrzeni,
• położenie,
• formę i kształt budynku,
• koncepcję architektury krajobrazu,
• a także oszacowanie budżetu i kosztów.

Zaleca się przeprowadzenie wstępnej analizy kosztów cyklu życia budynku (obejmującej koszt inwestycyjny oraz koszt eksploatacyjny) w ramach przeglądu i zatwierdzenia projektu koncepcyjnego przez inwestora. Jeśli wartość założonego projektu przekracza budżet, zespół projektowy musi ponownie ocenić swoje pomysły, by zaproponować bardziej ekonomiczne rozwiązania lub uzasadnić dodatkowe koszty.

Metoda oceny ekonomicznej budynku w cyklu życia stosowana na tym etapie ma na celu ukazanie wartości finansowych dla kluczowych obszarów ekonomicznych planowanej nieruchomości: nakładów inwestycyjnych, potencjalnych kosztów utrzymania budynku, zwiększenia wartości rynkowej budynku, rentowności przewidywanych zysków.

Elementy, które wpływają na zwiększenie kosztu inwestycyjnego, mają pozytywny wpływ na zwiększenie wartości budynku po jego wybudowaniu (tabela 1). W nieruchomości „prośrodowiskowej” koszty utrzymania, naprawy i konserwacji będą częściowo zredukowane w wyniku zastosowania odpowiednich technologii oraz z uwagi na zwiększoną trwałość użytych wyrobów i instalacji.

Pod koniec etapu koncepcyjnego powinny powstać następujące dokumenty: wstępny projekt architektoniczny i krajobrazu, wstępny projekt techniczny, wstępny projekt infrastruktury, wstępny raport oceny zrównoważoności budynku (ocena środowiskowa), wstępna specyfikacja budynku, wstępna koncepcja budżetu, ocena kosztu cyklu życia, zarys projektu i planu budowy. Wszystko powinno zostać zintegrowane w raporcie pn. „koncepcja projektowa”.

Kolejnym etapem jest opracowanie projektu wstępnego. Warsztaty projektowe powinny rozwijać szczegóły wstępnego projektu koncepcyjnego i wymagają wizualizacji koncepcji.

Szczegółowe tematy spotkań roboczych powinny obejmować: planowanie przestrzeni wewnętrznych obiektu, a także rozwiązań systemu grzewczego, rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych, planowanie oświetlenia, akustyki, komfortu termicznego i jakości powietrza, planowanie rozwiązań wentylacyjnych, systemów wodnych i ścieków oraz strategii bezpieczeństwa pożarowego (rys. 2).

Spotkania te nie wymagają obecności wszystkich członków zespołu projektowego, jednak ważne jest, by poinformować każdego z nich o wynikach dyskusji. Protokół z posiedzenia powinien zostać rozesłany do wszystkich członków zespołu projektowego w celu dokonania przeglądu i opracowania informacji zwrotnej w razie potrzeby.

Pod koniec tego etapu powinny powstać następujące dokumenty: rysunki, lista kontrolna elementów branych pod uwagę w ocenie środowiskowej z dokumentacją, wstępna ocena środowiskowa obiektu, program realizacji projektu i budowy, budżet projektu.

Głównym etapem całego procesu jest opracowanie projektu właściwego. Projekt ten wymaga bardziej szczegółowych warsztatów: każdy z nich powinien się skupiać na określonej części projektu, biorąc pod uwagę m.in.: rzuty i przekroje budynku, projekt konstrukcyjny, projekt instalacji elektrycznej, integrację systemów elektrycznych, projekt instalacji sanitarnej, integrację bezpieczeństwa pożarowego, ostateczne rozwiązania materiałowe, zaktualizowany budżet, wyniki modelowania termicznego (oraz akustycznego i oświetleniowego).

Następnie przeprowadzana jest aktualizacja projektu i powstaje plan budowy. Konieczne jest uczestnictwo w warsztatach wszystkich członków zespołu. Takie podejście pozwoli zidentyfikować ryzyka i potencjalne konflikty, które łatwiej mogą zostać rozwiązane. Warsztaty umożliwiają również łączenie wiedzy i pozwalają zoptymalizować projekt. 

Ważne jest, by zespół projektowy został poinformowany o podjętych inicjatywach dotyczących oceny środowiskowej i zabiegów zwiększających komfort socjalny użytkowania budynku – w przypadku starania się o pozytywną certyfikację środowiskową oraz gdy założenia inwestora zakładają wysoki standard budynku (rys. 2). 

Przy ocenie środowiskowej należy jednoznacznie określić, jakie cechy zrównoważoności (środowiskowe, socjalne budynku) są implementowane w projekcie, jakie mogą zostać potencjalnie zrealizowane i które jeszcze kryteria mogą być spełnione. Ma to duże znaczenie dla szacowania dodatkowych kosztów inwestycyjnych, ponieważ chodzi o osiągnięcie maksymalnego efektu przy umiarkowanych nakładach i kosztach.

Jak wynika z kilku analiz ITB, zwiększenie kosztu inwestycji dla budynków biurowych o 5–10% umożliwia redukcję zapotrzebowania na energię o 30–50% oraz podniesienie skumulowanej wartości oceny komfortu użytkowania budynku o 20–40%. 

W celu integracji i koordynacji prac nad projektem w zakresie jego poszczególnych specyfikacji sugerowane jest wykorzystanie w programie projektowym modelu informacji o budynku (BIM). Parametryzacja informacji o elementach budynku w programie projektowym i jej wykorzystanie przez zespół projektowy umożliwia skoordynowaną pracę na rysunkach 3D budynku. 

BIM określa relacje przestrzenne między architekturą, konstrukcją, instalacjami i planowaną infrastrukturą. Opłacalne może się okazać włączenie na tym etapie agenta nieruchomości oraz przyszłego zarządcy – pozwoli im to zrozumieć główne założenia funkcjonowania obiektu. Na etapie projektu powstają: uzgodnienia wykonawcze, specyfikacje przetargowe dla wykonawcy, dokumenty specyfikacji do certyfikacji środowiskowej.

Kolejnym etapem jest współpraca z wykonawcą. Wykonawca jest już zaangażowany w projekt i jeśli to konieczne, dokonuje korekt w zakresie jego wykonalności. Musi być on w pełni poinformowany o celach projektu i szczegółowych kryteriach projektowych, które muszą zostać spełnione. Może to się odbyć podczas spotkania inauguracyjnego między zespołem projektowym i zespołem wykonawcy zorganizowanego w celu omówienia wymagań projektu i identyfikacji potencjalnych problemów. 

Specyfikacje wykonawcze powinny zawierać również niezbędne informacje o włączeniu zarządzania środowiskowego podczas fazy budowy. Na tym etapie powstają: rysunki i specyfikacje konstrukcyjne, plan zarządzania budową, plan zarządzania środowiskowego, plan minimalizacji odpadów, harmonogram wykonania, termin oddania instalacji i budynku.

Zaangażowanie zespołu projektowego jest istotne w trakcie całej fazy wykonawczej. Spotkania powinny być organizowane z niezbędnymi członkami zespołu, gdy rozważane są aktualne kwestie budowlane. Wysoki standard procesu projektowego ułatwia przekazanie i odbiór budynku. Budynek powinien być oddany do użytkowania wraz ze zrozumiałą dla zarządzającego „instrukcją obsługi”.

Ważne jest też, by po upływie sześciu miesięcy od odbioru przeprowadzić badanie weryfikujące i oceniające działanie systemów instalacji. Opinie użytkowników budynku pomogą zidentyfikować wszelkie ewentualne problemy techniczne konieczne do rozwiązania w ramach serwisu powykonawczego. Wartości zużycia mediów powinny być monitorowane i porównane z założeniami projektowymi, co umożliwia weryfikację oceny środowiskowej. 

Projektowanie budynku miejskiego jutra – MBJ 2030

Miejski Budynek Jutra 2030 to przedsięwzięcie realizowane przez firmę Mostostal Warszawa S.A. oraz jednostki naukowe: Instytut Techniki Budowlanej i Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, dofinansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego jako projekt celowy [4]. Projekt wyznacza nowy kierunek budownictwa mieszkaniowego. 

Zgodnie z jego ideą standardy MBJ 2030 mają być powszechnie stosowane w miejskich budynkach wielorodzinnych od 2030 r. Założenia projektu MBJ 2030 skupiają się na kompleksowej poprawie właściwości budownictwa wielorodzinnego. Może ona być realizowana poprzez optymalizację procesu projektowania oraz udoskonalenie istniejących koncepcji wykorzystania energii odnawialnej i funkcjonowania systemu sterowania energią w budynkach wielorodzinnych. Rozwiązania te przekładają się na zwiększenie jakości życia mieszkańców oraz wymierne zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko. 

Projekt MBJ 2030 cechuje się holistycznym (całościowym) podejściem do poprawy właściwości technicznych i użytkowych budynków. Jego cele to: zaproponowanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych, materiałowych i instalacyjnych zgodnych z zasadami zrównoważonego budownictwa, przez co wyznaczany jest nowy standard miejskich budynków wielorodzinnych, oraz wybudowanie obiektu demonstracyjnego, umożliwiającego potwierdzenie skuteczności zaproponowanych rozwiązań i popularyzację założeń standardu. Cele projektu zostały osiągnięte w latach 2011–14 poprzez realizację inwestycji przy ul. Krasińskiego 41 w Warszawie [4, 5].

Kryteria projektowania zintegrowanego wg standardu MBJ 2030 dotyczą parametrów bryły budynku, rozwiązań architektonicznych elewacji, konstrukcji i stosowanych materiałów.

Zgodnie z założeniami zintegrowanego projektowania kryteria te zostały sformułowane w formie wytycznych, których realizacja wpływa pozytywnie na wiele cech budynku i nie powoduje istotnego pogorszenia cech pozostałych. W wielu przypadkach zastosowanie rozwiązań technicznych może przynieść skutek pozytywny lub negatywny, w zależności od konkretnego przypadku. Dlatego projekt budynku realizowanego wg standardu MBJ 2030 wymagał dokładnego opracowania przez interdyscyplinarny zespół. 

Zgodnie z założeniem, że optymalizacja dokumentacji projektowej jest najtańszym sposobem na osiągnięcie dobrych wyników, przy określaniu kryteriów dążono do bardziej szczegółowego określenia wymagań, niż praktykowane jest to obecnie. 

Efektem są m.in. różne kryteria do projektowania, np. przegród zewnętrznych skierowanych w różnych kierunkach świata, dyskutowane przez grupę, w skład której wchodzili architekci oraz inżynierowie różnych specjalności reprezentujący wszystkie jednostki biorące udział w realizacji projektu. W ramach prac zespołu określono szereg rozwiązań zwiększających właściwości użytkowe, środowiskowe i socjalne obiektu.

Przyjęto optymalne wartości wskaźnika oceny wypadkowej izolacyjności akustycznej właściwej przybliżonej R’A2 lub R’A1 w dB dla każdej elewacji osobno względem źródła hałasu. Jako poziom optymalny określono ilość przeszkleń na elewacji południowej na poziomie niższym niż 45%, zapewniając wysoki komfort termiczny w pomieszczeniach latem.

Przegrody przezroczyste na elewacjach południowej, wschodniej i zachodniej są chronione za pomocą zewnętrznych rozwiązań zacieniających. Wartości współczynników przenikania ciepła U dla przegród zewnętrznych budynku są niższe niż 0,2 W/(m² K), a dla okien niższe niż 1,0 W/(m² K). Wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła U zostały określone po uwzględnieniu wpływu usytuowania budynku względem stron świata. 

Ze względu na większe straty ciepła od strony północnej zaleca się stosowanie okien o lepszych parametrach izolacyjnych, charakteryzujących się niższym współczynnikiem przenikania ciepła. Od strony południowej natomiast, dzięki istotnym zyskom ciepła od słońca, stosowanie okien o nieco gorszej izolacyjności termicznej jest wystarczające. Zestawy szybowe przegród przezroczystych na elewacji północnej mają przepuszczalność światła (L_T) na poziomie 75%. 

Głębokość zaprojektowanych pomieszczeń umieszczonych od strony wschodniej, południowej i zachodniej nie powinna być większa niż 5,5 m, a pomieszczeń umieszczonych od strony północnej większa niż 3,5 m. Głębokość pomieszczeń niewątpliwie wpływa na panujące w nich warunki oświetleniowe. 

Mniejsza umożliwia zdecydowanie lepsze doświetlenie światłem dziennym, zapewniając jednocześnie większy komfort użytkowy. Scałkowany współczynnik wykorzystania światła dziennego Daylight Factor (DF) nie jest niższy od 1,5%. Współczynnik światła dziennego jest obecnie najczęściej używanym wskaźnikiem oceny poziomu światła wewnątrz budynku. 

Im wyższa wartość DF, tym większa dostępność naturalnego światła w pomieszczeniu, a więc powinno się dążyć do uzyskania jego maksymalnej wartości. Stosunek okien do powierzchni pomieszczenia wynosi 1:8, określa on otwartość budynku na światło dzienne. Rozkład okien i dostęp do światła został sprawdzony za pomocą symulacji komputerowych. 

Ponadto na etapie określania powierzchni okien w stosunku do powierzchni podłogi w pomieszczeniu brany był pod uwagę ruch słońca w ciągu roku oraz otoczenie budynku pod kątem optymalizacji bryły. Zastosowano wiele przemyślanych zabiegów zwiększających wykorzystanie światła dziennego oraz urządzenia globalne w budynku.

Zautomatyzowane urządzenia kontrolujące oświetlenie dzienne są precyzyjne i bezobsługowe, oferują zatem wyższą jakość użytkową, porównując z systemami kontroli manualnej. Żeby mieszkańcy w pełni je zaakceptowali, konieczne było wprowadzenie do systemu dodatkowej funkcji umożliwiającej szybką zmianę ze sterowania automatycznego na manualne. 

Największy wpływ na energochłonność całego obiektu ma całkowite zużycie energii na cele grzewcze, które zależy od parametrów projektowych budynku, takich jak: ilość przeszkleń, rodzaj przegród zewnętrznych, zwartość bryły, izolacyjność cieplna, szczelność powietrzna, mostki cieplne. Określono, że południowa elewacja powinna zawierać nie mniej niż 40% przegród przezroczystych, północna nie więcej niż 25%, a pozostałe nie więcej niż 30%. 

Zaleca się, aby współczynnik strat ciepła odniesiony do m² powierzchni obudowy budynku (Htr’) miał wartość nieprzekraczającą 0,5 W/m² K, a wartość n50 nie przekraczała 1,5 h^–1. W budynku zminimalizowano mostki ciepła poprzez połączenia z wykorzystaniem taśm uszczelniających i wykonanie ciągłej warstwy izolacyjnej. Stolarkę okienną i drzwiową zamontowano w warstwie izolacji – nachodzi ona na ramy. 

Ściany kondygnacji nieogrzewanych mają izolację cieplną od strony zewnętrznej i wewnętrznej z zachowaniem ciągłości z izolacją stropu. Zestawy szybowe przegród przezroczystych na elewacjach południowej, wschodniej i zachodniej mają przepuszczalność całkowitą energii słonecznej (g) w zakresie od 45 do 60%. 

Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej (g) określa, jaki procent promieniowania słonecznego zostaje skierowany z zewnątrz do wnętrza pomieszczenia przez zestawy szybowe. Zastosowanie przeszkleń o wysokim współczynniku g umożliwia uzyskanie maksymalnych zysków od słońca w sezonie grzewczym. 

Jednocześnie, ponieważ zakłada się stosowanie w budynku rozwiązań zacieniających, nie istnieje obawa o zjawisko przegrzewania w okresie letnim. Zastosowano materiały o wysokiej jakości, odpowiednim stosunku ceny do parametrów, nieemitujące lotnych związków organicznych, o wysokim potencjale recyklingu. 

W budynku zastosowano system wentylacji hybrydowej. Rozważono koncepcję instalacji pompy ciepła w fundamencie, zintegrowanej z odzyskiem ciepła z wody szarej. Zaprojektowano energooszczędną centralę grzewczą integrującą ciepło z paneli solarnych z ciepłem miejskim. Obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na energię wynosi poniżej 70% EP_WT wskaźnika rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na energię pierwotną dla tego typu obiektu, zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. 

Podsumowanie

Celem zintegrowanego projektowania jest efektywne i systemowe zarządzanie procesami projektowymi w dążeniu do realizacji najlepszych i zrównoważonych praktyk. Wiele decyzji mających istotny wpływ na komfort użytkowania, charakterystykę energetyczną, akustykę czy warunki oświetleniowe budynku powinno być podejmowanych już na wczesnym etapie projektowania. Ich późniejsze zmiany wiążą się z dodatkowymi i niepotrzebnymi kosztami. Skutkuje to obniżeniem efektywności ekonomicznej rozwiązań wprowadzanych do istniejącego projektu w formie poprawek. 

Literatura

1. Piasecki M., Środowiskowe, socjalne i ekonomiczne aspekty zintegrowanego projektowania budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.
2. PN-EN 16309:2014-05 Zrównoważoność obiektów budowlanych. Ocena socjalnych właściwości użytkowych budynków. Metodyka obliczania.
3. Piasecki M., Geryło R., Analiza ekonomiczna budynków w cyklu życia – metody obliczeniowe i przykłady w: „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, Instytut Fizyki Budowli, Łódź 2013.
4. Piasecki M., Sustainable and eco-efficient technologies Multi-dwelling Urban Building – MBJ 2030, World Sustainable Building Conference, Helsinki, October 18–21, 2011.
5. www.fortdevelopment.pl.
6. Kasperkiewicz K. i in., Zalecenia do projektowania zawierające drzewo decyzyjne oraz algorytm obejmujący kolejne kroki projektowania brył i elewacji budynków wielorodzinnych w standardzie MBJ 2030, Raport Projektu MBJ W 7.1.5, ITB, 2012.