Современная архитектура движется от статичных форм к адаптивным зданиям. Ключевую роль в этой трансформации играют полимерные материалы: именно они позволяют совершить переход от архитектуры как сборки деталей – к архитектуре как созданию высокоэффективной «оболочки». В статье разбираем ключевые направления – от уже работающих технологий до горизонтов в 5-10 лет.
Наверное, основной тенденцией в развитии , которую мы будем наблюдать в ближайшие десятилетия, является то, что они перестают быть отдельными материалами и становятся элементами интегрированных систем. Проектирование в целом постепенно переходит от статичных решений к адаптивным – здание не просто стоит, а реагирует на внешние условия, оптимизирует энергопотребление, информирует о своем состоянии. И в этом смысле полимерные материалы с их адаптивной способностью изменять свойства, интегрироваться с электроникой, принимать сложные формы становятся естественной основой для такой архитектуры.
Инновации здесь развиваются по двум траекториям. Первая – эволюционная: улучшение характеристик уже знакомых решений с целью достижения большей энергоэффективности и экономии строительства. Вторая – революционная: материалы с принципиально новыми свойствами, которые меняют саму логику проектирования, отвечая на запросы современной архитектуры на сложную геометрию, бионику и цифровое производство.
Композиты: новая пластика и интеллект оболочки
Если XX век был эпохой стекла и металла в архитектуре, то в XXI веке полноценным конструкционным материалом, конкурирующим с металлом в создании легких, сложных и коррозионностойких элементов, становятся полимерные композиты (стеклопластик / АРМ). Тогда как традиционные материалы диктуют форму, полимерные – позволяют архитектору проектировать ее достаточно свободно. Фактически, композиты – ключевой инструмент будущей архитектуры, которая движется от сборки из стандартных элементов к созданию высокоэффективных оболочек.
Легкость и прочность стеклопластика позволяют делать цельнолитые, бесшовные фасадные панели двойной кривизны, недостижимые для металла или бетона. Так, в проекте Музея будущего в Дубае сложнейшая тороидальная форма облицована панелями из нержавеющей стали со вставками из стеклопластика, на которые лазером нанесена каллиграфия.
Стеклопластики поддерживают развитие таких трендов, как биометрическая архитектура, поскольку подходят для имитации сложных природных структур (раковины, крылья, соты), а также параметризм, давая возможность «напечатать» любую 3D-форму. Примером может послужить павильон Serpentine Gallery 2014 в Лондоне.
Произведенные из стеклопластиков навесы, козырьки, купола больших пролетов монтируются без тяжелой техники, что расширяет сферу их применения.
Перспективное направление связано с использованием стеклопластиков в реконструкции. Технология «сверхналожения» (superimposition) уже сейчас применяется для усиления построенных сооружений без увеличения нагрузки на фундамент и изменения их визуального облика. Например, тонкие высокопрочные ламинаты из углеволокна (УП) незаметно интегрируются в конструкции мостов или перекрытий, продлевая им жизнь на десятилетия.
Еще один интересный тренд – создание многослойных композитных панелей, где в «сэндвич» интегрируются не только армирующие ткани, но и функциональные слои: оптические волокна для динамической подсветки, токопроводящие нити для обогрева или каналы микроклиматических систем.
Исследуется и интеграция полимерных сенсоров, отслеживающих температуру и влажность, в теплоизоляционную оболочку здания. Данные передаются в BIM-модель, превращая пассивный слой утепления в активный источник информации для системы «умного» здания.
Поликарбонат и альтернативы
Интересно, что согласно прогнозам, многие материалы, сохраняя свою актуальность в будущем, могут изменить свою природу. Возьмем поликарбонат. По подсчетам экспертов, мировое производство материала вырастет на треть к 2030 году, в основном за счет строительного сегмента. Благодаря легкости (в 6 раз легче стекла), теплоизоляционным свойствам многослойных панелей и способности пропускать до 90% света (для монолитных листов), поликарбонат сохранит за собой ту нишу, где стекло слишком хрупкое, а акрил недостаточно устойчив к УФ и температурным деформациям: защитные экраны, антивандальное остекление, сложные криволинейные поверхности.
При этом сам материал будет эволюционировать. Первое, что повлияет на это, – замкнутый цикл переработки. Исследования демонстрируют возможность его переработки и использования регранулята в смеси с первичным сырьем, сохраняя тем самым оптические и механические свойства.
Другой, более радикальный вектор – поликарбонат, получаемый из природного сырья вместо нефтехимии (например, на основе растительных сахаров). Лабораторные образцы и первые коммерческие партии показывают характеристики, близкие к традиционным, с потенциально более низким углеродным следом.
ПВХ-окна: адаптивные мембраны
На первый взгляд, ПВХ-профиль – зрелая, устоявшаяся технология, где сложно ожидать прорывов. Однако именно окна являются одним из ключевых элементов «адаптивной оболочки» зданий, интегрирующей множество функций. Эволюция происходит больше не в самом профиле, а в том, как он взаимодействует с остеклением и системами здания. Электрохромные, термохромные и фотохромные стекла, способные менять свои свойства под воздействием внешних факторов, превращают окно из пассивного барьера в активный регулятор микроклимата, снижающий затраты на охлаждение.
Трансформация самого ПВХ-материала подстегивается развитием «зеленой» экономики. Современные технологии позволяют использовать значительную долю переработанного ПВХ в новых профилях в составе многослойной структуры.
Другой вектор – это интеграция окна в систему «умного дома»: сенсоры открывания, автоматизированное проветривание, голосовое управление, а в перспективе –интеграция тонкоплёночных фотоэлектрических элементов непосредственно в стеклопакет, что в будущем позволит окну не только экономить, но и генерировать энергию.
ТИМ: От утеплителя к интеллектуальному слою
С развитием стандартов энергоэффективности связана и эволюция современных полимерных ТИМ – вспененного пенополистирола (ППС), экструдированного пенополистирола (ЭППС) и пенополиизоцианурата (ПИР) , которые превратились из простого «утеплителя» в расчетный компонент энергоэффективной оболочки. Их ключевое преимущество для проектировщика – стабильные и воспроизводимые , подтвержденные сертификатами. Это позволяет на этапе BIM-моделирования проводить расчеты и энергетическое моделирование, закладывая гарантированные показатели будущего здания. В экспериментальных проектах также тестируются наполнители следующего поколения, такие как аэрогель, открывающие путь к созданию сверхтонких и сверхэффективных ограждающих конструкций.
Важно отметить, что эволюция ТИМ влияет не только на теплотехнику, но и на архитектурную эстетику. Современная архитектура, к примеру, активно использует высокоэффективные сэндвич-панели, где полимерный теплоизоляционный сердечник (чаще всего пенополиизоцианурат, ПИР) комбинируется с прочными облицовками – металлическими, фиброцементными или на основе композитных материалов. Такая конструкция обеспечивает рекордно низкую теплопроводность при минимальной толщине: появляется возможность делать легкие, стройные ограждающие конструкции с высоким сопротивлением теплопередаче.
Незаменимость и дальнейшее развитие полимерных ТИМ в будущем строительстве определяется несколькими факторами. Во-первых, это легкость и точность расчетов. Для высотного строительства малый вес полимерных ТИМ (в 2-3 раза легче минеральной ваты) критичен. Это позволяет снижать нагрузку на каркас и фундамент. Квадратный метр фасада, утепленного 100 мм ППС, весит около 3-4 кг, в то время как минеральная вата той же толщины – 8-12 кг. Кроме того, ППС и ЭППС не впитывают влагу, не гниют и не теряют теплоизоляционных свойств в течение всего срока службы.
Второе, это возможности для строительства энергоэффективных домов по технологии сэндвич-панелей или несъемной опалубки из пенополистирола. Дом из сэндвич-панелей с сердечником из ППС строится за 2–3 недели (в оптимальных условиях), не требует тяжелого фундамента благодаря легкости конструкций и сразу готов к отделке без усадки. Несъемная опалубка из ЭППС – технология, популярная в Европе и постепенно входящая в российскую практику малоэтажного строительства. Блоки из пенополистирола устанавливаются как опалубка, внутрь которой заливается бетон. В результате получается монолитная стена с встроенной теплоизоляцией с обеих сторон.
К прорывным решениям относится развитие технологии напыляемой полиуретановой теплоизоляции (ППУ). Роботизированное напыление ППУ на криволинейные поверхности, кровли со сложной геометрией или труднодоступные участки решает проблему мостиков холода, неизбежных при использовании плитных материалов. Технология активно применяется при реконструкции промышленных объектов, где важна герметичность и скорость работ.
Еще одна инновационная разработка – вакуумные изоляционные панели (ВИП) и аэрогели на полимерной основе. При всей их дороговизне они открывают путь к сверхтонкому утеплению, что может быть особенно ценно в реконструкции исторических зданий (где важно сохранить габариты) и создании ультракомпактных строительных элементов.
Полимеры в инженерии и инфраструктуре
Впечатляющие результаты показала эволюция использования полимеров в инфраструктуре, подстегиваемая требованиями долговечности и экономии жизненного цикла. Так, применение композитной арматуры в мостах, путепроводах и дорожных плитах в агрессивных средах (противогололедные реагенты) напрямую перекликается с использованием АРМ в архитектуре. Это решение продлевает срок службы конструкций в разы, снижая будущие затраты на ремонт.
Георешетки и геотекстиль из полимеров – это уже стандарт, который позволяет «программировать» поведение грунта. Они армируют слабые основания, предотвращают смешение слоев и размывание, существенно увеличивая межремонтные интервалы дорог. Этот принцип слоистого, функционально распределенного материала аналогичен принципам создания современных строительных сэндвич-панелей.
«Умные» полимеры и интерфейс со средой
Развитие адаптивных полимеров – следующий логичный шаг к созданию зданий, которые не просто стоят, а взаимодействуют с окружающей средой. Эти материалы меняют свои свойства (цвет, прозрачность) под воздействием внешних факторов и формируют «умную» архитектурную оболочку.
Так, термо- и фотохромные полимеры, меняя цвет или прозрачность под воздействием температуры или света, позволяют фасадам автоматически регулировать тепловую и световую нагрузку. Пилотные проекты доказали жизнеспособность концепции, хотя массовому внедрению мешают вопросы долговечности покрытий и высокая стоимость.
Другая группа материалов будущего, которые активно развиваются – самовосстанавливающиеся полимеры – способны «залечивать» микротрещины и потенциально могут значительно увеличить срок службы, особенно для элементов с повышенной нагрузкой, например, напольных покрытий в общественных зданиях.
Пьезоэлектрические полимеры умеют преобразовывать механическую энергию шагов в электричество. Пока они не слишком эффективны, но очевидно открывают путь для создания автономных источников питания, например, для локальных датчиков или систем подсветки в зонах высокой проходимости.
Цифровое производство и аддитивные технологии
Одно из самых популярных направлений строительных технологий будущего – это, конечно, 3D-печать, активно развивающаяся благодаря свободе формы, которую дали архитекторам полимерные композиты. Стоит отметить, что развитие аддитивных технологий – это не столько про печать целых домов, сколько про экономичное изготовление уникальных высокопроизводительных компонентов, которые не сделать иным способом.
Так, гибридное (аддитивно-субтрактивное) производство уже сегодня позволяет экономично создавать уникальные архитектурные элементы. Роботизированная фреза вытачивает из блока пенополистирола или полиуретана точную копию цифровой 3D-модели. Затем основа армируется слоями композитных материалов – стеклоткани и эпоксидной смолы – превращаясь в прочную и легкую деталь. Метод применяется для архитектурной лепнины со сложным рельефом, капителей, консолей, криволинейных фасадных панелей. Выточенный каркас может использоваться как несъемная опалубка для монолитного бетона или, после армирования, становиться готовым элементом. Технология фактически стирает грань между цифровой моделью и физическим объектом.
Крупноформатная 3D-печать армированными термопластиками используется для производства интерьерных элементов – светильников, перил, акустических панелей, мебели. Роботизированная рука послойно выкладывает пластик, армированный углеродным волокном, создавая детали переменной толщины и плотности.
Ключевое условие аддитивной технологии – интеграция BIM-модели с производственной системой. Геометрия элемента из Revit, ArchiCAD или Rhino напрямую передается в программу управления роботизированной фрезой или 3D-принтером, минуя промежуточные чертежи.
Горизонты внедрения
Внедрение любых новых материалов упирается в нормативные барьеры. Путь полимерного решения от эксперимента до включения в СП может занимать несколько лет, требует комплексных испытаний, включая долговременные натурные эксперименты. Положительный пример – теплоизоляционные материалы на основе пенополистирола и полиуретана. В начале 2000-х их применение было ограничено из-за пробелов в нормативной базе. Сегодня ППС, ЭППС и ПИР включены в СП 50.13330 «Тепловая защита зданий», имеют четкие требования по плотности, теплопроводности, пожарной безопасности. Это сделало их широко распространенным выбором для жилых и общественных зданий.
Для российского строительства критически важным является соответствие требованиям пожарной безопасности. Федеральный закон №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и ТР ЕАЭС 043/2017 устанавливают обязательную сертификацию для широкого спектра строительных полимеров по показателям горючести, воспламеняемости, дымообразования и токсичности продуктов горения. Это создает определенные барьеры для внедрения инновационных материалов, но одновременно стимулирует разработку негорючих и трудногорючих полимерных композитов. Так, в России для быстровозводимых сооружений (например, логистических центров) сегодня применяются сэндвич-панели с ПИР-сердечником (группа горючести Г1), которые сочетают высокие теплоизоляционные свойства, соответствующие строгим нормам пожарной безопасности.
В горизонте ближайших 3-5 лет мы, скорее всего, увидим переход от экспериментальных к коммерческим решениям в сфере «умных» полимерных компонентов. В более далекой перспективе возможен и качественный скачок: «умные» полимеры перестанут быть отдельными компонентами и объединятся в интегрированные адаптивные оболочки, сочетающие несущую способность, теплорегуляцию, энергогенерацию и способность к «самодиагностике».
***
Таким образом, самые передовые полимерные материалы требуют нового проектного мышления. Архитектор будущего будет, скорее всего, работать не с библиотекой готовых решений, а с конструктором программируемых систем, где каждый слой оболочки выполняет множество функций. Полимеры становятся языком этой новой архитектуры и ставят перед проектировщиками фундаментальный вопрос: готовы ли мы перейти от работы с каталогом материалов к программированию поведения многофункциональной оболочки, где материал – это не данность, а скорее переменная при расчете эффективности, формы, поведения здания в течение всего жизненного цикла.
BIQ House в Гамбурге (арх. Splitterwerk Architects, Arup) с био-адаптивным фасадом из фотобиореакторов содержит микроводоросли для генерации энергии, затенения и очистки воздуха
www.energie-experten.org, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons
Офисное здание Kuggen («Зубец») в Гётеборге (арх. Wingårdh Arkitektkontor) имеет адаптивный фасад, регулирующий освещение, температуру в помещении и энергопотребление
Mats Kristoffersen, CC BY 3.0 , via Wikimedia Commons
Напыляемая полиуретановая теплоизоляция
Cdpweb161, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons
Дом, построенный принтером АМТ. Строительство первых домов Wonderdom в экопарке Ясно Поле
3D Printed Canal House в Амстердаме продемонстрировал печать ограждающих элементов из биопластика прямо на месте, с возможностью их переработки и повторного использования.
