Návrh fasádního panelu za pomoci parametrického modelování a aditivní výroby

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

V návaznosti na postupující změnu klimatu jsou v posledních letech stále častějšími tématy trvalá udržitelnost, cirkulární ekonomika, snižování emisí CO₂, redukce tvorby tepelných ostrovů ve městech, hospodaření s vodou atd. S ohledem na tuto problematiku je stále častěji kladen důraz na zdokonalení návrhu a implementace zelené a modré infrastruktury v urbanistických řešeních.

Zelená a modrá infrastruktura zahrnuje celou řadu nástrojů k řešení urbanistických a klimatických výzev. Tato opatření mají podobu přírodního nebo přírodně-technického krajinotvorného prvku, které v ideálním případě tvoří jeden spolupůsobící prvek. K těmto opatřením patří zejména parkové výsadby, uliční zeleň, zelené střechy a fasády, biotopy, biokoridory, aleje, suché poldry, akumulační nádrže a řada podobných technických opatření, založených na technické bázi. Cílem těchto prvků je zkvalitnit život uživatelů/obyvatel díky omezení vzniku tepelných ostrovů, zvýšení kvality ovzduší a biodiverzity prostředí, využívání obnovitelných zdrojů energie, hospodaření s dešťovou vodou a další adaptační klimatická opatření. Každé opatření má svůj vlastní koncept měřitelných parametrů, kterými lze prokázat míru dopadu na lokalitu. Zmíněnými parametry těchto opatření jsou např. množství zadržené vody, snížení teploty budov a jejich okolí v tropických letních dnech, množství evapotranspirace rostlin apod. Významným aspektem návrhu zmíněných konstrukcí a krajinných prvků je nízká uhlíková stopa a vyčíslitelná ekonomická návratnost.

Zelená fasáda má pro inženýrskou praxi několik zvláštních specifik, která vycházejí z její vlastní definice. Ta zahrnuje kombinaci vegetace jako hlavního aktivního funkčního prvku a podpůrné technické infrastruktury a konstrukce stavby. Často je stavebním technikům a inženýrům vytýkána neznalost potřeb vegetace v jejich návrzích. Tento fakt je způsoben zejména tím, že řada starších návrhů byla prováděna jako subdodávka bez návaznosti na projektovou přípravu celé stavby, jednotlivé konstrukční detaily a bez požadavků na potřeby technické infrastruktury (např. předepsání potřeby připojení na zdroj vody pro zálivku, vhodnost použití vzhledem k orientaci fasády k jednotlivým světovým stranám atd.)

Cílem vývoje je sestavit systémový prvek zelené fasády, který bude v souladu s aktuálními předpisy a legislativou. Odladit design fasádního systému tak, aby měl jasně specifikovatelné stavebně-fyzikální veličiny a návaznost na navazující konstrukce staveb. Dalším cílem je stanovení okrajových podmínek návrhu a použití tohoto systému tak, aby bylo možné co nejvíce eliminovat nefunkční a problematické realizace ještě před tím, než nastanou, tedy v projektové přípravě.

2. Literární přehled/popis současného stavu

Stávající stav problematiky vegetačních fasád

Tak, jak popisují V. Enzi a spol v Nature-Based Solutions and Buildings: The Power of Surfaces to Help Cities Adapt to Climate Change and to Deliver Biodiversity [1], byl předpokládaný podíl obyvatel Evropské unie ve městech 75 % z celkového počtu. S narůstající zastavěností měst často ubývá přirozených zelených ploch. Současně s tím dochází, vlivem klimatické změny, ke stále větším výkyvům teplot, přívalovým srážkám a nepředvídatelnému průběhu počasí. Tak, jak jsou tyto změny viditelné ve všech částech světa, postupně dochází nejen k odbornému, ale i politickému tlaku k přijímání opatření redukujících tyto změny. Jako častý příklad opatření redukujících dopad budov na jejich okolí je ve stavebnictví využívání zelených střech a fasád.

Jednotlivé dělení vegetačních fasád dle konstrukce, jejich náročnost, výhody, nevýhody a druhy rostlin pro jednotlivé vhodné použití vegetačních fasád v Evropě jsou kvalitně shrnuty v diplomové práci Green façades and building structures, kterou zpracoval M. A. Mir BSc. [2]. V České republice se můžeme nejčastěji setkat se dvěma druhy zelených stěn. V prvním případě je využíváno popínavých druhů vegetace, které rostou buď přímo na budově nebo na předem vyhotovené předsazené konstrukci. Tato vegetace je pak umístěna přímo v rostlém terénu nebo ve vyvýšených pěstebních kontejnerech. Jedná se o pasivní systém vegetační stěny, neboť vegetace není zakořeněna ve fasádním prvku, ale fasádu pokrývá svým větvením. Vegetace tedy není natolik účinná při ochraně budovy před klimatickými vlivy a redukcí výkyvu teplot budovy a jejího blízkého okolí. Druhým případem, se kterým je možné se setkat, je využití fasádních systémů s intenzivní vegetací. Tyto systémy pak častěji nazýváme vertikálními zahradami. U systémů vertikálních zahrad jsou jednotlivé rostliny umístěny v předem kotvených korýtkách nebo panelech obsahujících vhodné podmínky pro růst. Vertikální zahrady vyžadují velkou dotaci vodní zálivky, častou údržbu a kontrolu vzrostlé vegetace. S tímto je úzce spojená i vysoká cena. Doposud bylo pro jejich zřízení posuzováno především estetické hledisko před technickými vlastnostmi. Často jsou vyzdvihovány pozitivní vlivy konstrukcí zelených stěn, a to především ochlazení budovy a jejího okolí vlivem odpařování vody jak z rostlin, tak z povrchu vodní hladiny a vegetačních vrstev. Při interpretaci těchto pozitivních dopadů jsou však opomíjeny právě vysoké nároky na potřebu vody, které značně znevýhodňují častější návrhy a použití vertikálních zahrad. Dále jsou jednotlivé technické vlastnosti a dopady těchto systémů jak na přiléhající budovu, tak i na její blízké okolí popisovány ve velmi obecné rovině. V návaznosti na tyto aspekty se s ohledem na současné nároky hospodaření s pitnou vodou a finanční náročnost systémů nedá hovořit o trvale udržitelném řešení.

Parametrické modelování a aditivní výroba

S postupným vývojem metod matematického 3D modelování je zjevná tendence k parametrizaci a algoritmizaci návrhového procesu. Tuto tendenci je možné pozorovat ve všech odvětvích designu, od strojního inženýrství přes architekturu až po navrhování běžně užívaných předmětů, obuvi atd. Vývoj počítačem podporovaného modelování popisuje v disertační práci Nové digitální metody architektonického navrhování Ing. arch. Adam Sirotek [3].

Jako nosný prvek vegetačního souvrství panelu bylo využito struktur trojitě periodických minimálních povrchů. Základní z množiny těchto struktur je gyroid. Tuto strukturu popsal v roce 1970 Alan H. Schoen [4]. Následně bylo definováno celkem 17 případů trojitě periodických minimálních povrchů bez průniků, jejichž vlastností je, že mají nulové zakřivení. Základní buňka struktury gyroidu je dána zakřivenou plochou, formující se do vzpěr kruhového průřezu, které opisují téměř sférické prázdné jádro. Poloha a tvar jedné buňky struktury gyroidu je popsán implicitní funkcí:

(1)

kde L definuje definuje velikost krychle ohraničující prostor jedné buňky gyroidu, t je parametr, který ovlivňuje ovlivňuje velikost průměru šikmých vzpěr, a tím ovlivňuje nejdůležitější charakteristiku gyroidu – objemový podíl pevné fáze struktury.

Prostorové struktury ze skupiny trojitě periodických minimálních povrchů je díky parametrickému modelování možné snadno vytvořit a editovat. Následně je možné jejich vytvoření za pomoci 3D tisku. Během výzkumu bylo využito metody FDM 3D tisku (Fused deposition modeling), při které dochází k roztavení termoplastického materiálu na příslušnou teplotu tání a dále k nanesení do příslušné polohy. V návaznosti na vývoj 3D tisku současně dochází k rychlému vývoji materiálů použitelných pro tento typ výroby. Nemalou část ze škály těchto materiálů tvoří recykláty. Nedílným prvkem je v tomto souboru materiálů recyklovaný PET. Výroba i recyklace velkého množství tiskových materiálů pro FDM výrobu probíhá na území České republiky. Výroba z těchto materiálů tedy nemá nežádoucí enviromentální dopad (jsou recyklované a dále recyklovatelné).

3. Metodika

V souvislosti se stávajícími znalostmi a dostupností jednotlivých systémů vegetačních fasád začal vývoj systémového sendvičového panelu zelené fasády. Tento panel je uvažován jako extenzivní, podobně jako u navrhování zelených střech tedy uvažuje se suchomilnou vegetací a tím pádem i minimálním množstvím dodané zálivky. Zatímco údržbu vertikálních zahrad je nutné provádět v periodě jednotek týdnů, kontrola a údržba zelených stěn s extenzivní zelení se uvažuje v řádu vyšších jednotek měsíců. Jednotlivé druhy pak musí být voleny individuálně na základě geografického umístění a orientace zelené stěny ke světovým stranám. Rámcově se jedná o suchomilné a skalní druhy rostlin, např. vybrané druhy rozchodníků, sleziníků či netřesků.

Během vývoje fasádních prvků bylo využito modelování s využitím NURBS (Non-uniform rational B-spiline) objektů. Pro tento návrh bylo využito programu Rhinoceros 6.0 se zásuvným modulem Grasshopper, který poskytuje prostředí pro algoritmizaci návrhu se snadno měnitelnými parametry modelu. V rámci vývoje lze tedy velmi rychle a pružně reagovat na získané poznatky.

Výsledný prototyp sendvičového panelu se skládá z pohledové krycí vrstvy, dále nosné vrstvy vegetačního souvrství, hydro-akumulační vrstvy z recyklované polyesterové textílie a zadní krycí desky. Ve spodní části kazety se nachází nádržka pro sběr dešťové vody.

Jednotlivé prvky prototypu byly vyhotoveny na 3D tiskárně Průša i3 MK3s. Pro výrobu byl zvolen materiál PET, a to pro možnost jeho následné recyklace a faktu, že je tento materiál vyráběn v ČR.

Jednotlivé prototypy byly následně osazeny do venkovního prostředí tak, aby bylo možné kvantifikovat použitelnost panelu vzhledem k jednotlivým světovým stranám, zároveň byla v místě vzorků umístěna meteorologická stanice, která snímá průběh proudění větru, množství srážek na půdorysnou plochu, množství srážek hnaného deště na jednotlivé světové strany a teplota a vlhkost vzduchu v exteriéru. Je tedy možné pozorovat růst vegetace na jednotlivých světových stranách v závislosti na úhrnu srážek. Na základě těchto dat je možné vyhodnotit možnosti použitelnosti a kritéria bezúdržbového fungování systému v reálných podmínkách.

4. Výsledky

Obr. 1 Algoritmus modelu nosné části vegetačního panelu, tvořené strukturou gyroidu

Prototypy vegetačních panelů byly vyrobeny v rozměrech 200×200 mm. Tento rozměr byl zvolen z důvodu omezené tiskové plochy 3D tiskárny a z důvodu možnosti osazení panelu do gabionových košů, ve kterých by panel také mohl být uplatněn. Jednotlivé kroky vývoje prototypu vegetačního panelu jsou znázorněny na Obr. 1–5.

Obr. 2 Model nosné části panelu, tvořené strukturou gyroidu

Obr. 3 3D model jednotlivých součástí sendvičového vegetačního panelu

Obr. 4 Výroba krycí desky vegetačního panelu metodou FDM 3D tisku

Obr. 5 Osázený fasádní panel při testování ve vegetačním období

Rozchodníky vykazovaly během prvního roku testování dobré růstové výsledky na většině z vyrobených panelů. Převládající hnaný déšť byl v místě testování vyhodnocen ze severozápadu, v návaznosti na tuto skutečnost vykazovaly panely orientované na západ větší přírůstky vegetace oproti ostatním.

5. Diskuse

Dosavadní testování zhotovených prototypů sendvičových panelů zelených stěn vykazovalo kladné chování vegetace. Na konci kalendářního roku bude možné provést shrnutí z hlediska naměřených dat meteorologickou stanicí. V návaznosti na tato data budou porovnány fotografie z průběhu testování. Dále bude možno stanovit množství srážek pro růst vegetace v panelu. Metoda 3D tisku dává nové rozšířené možnosti výroby, a to především tvarové. Další otázkou pro vývoj je porovnání cenové výhodnosti výroby 3D tištěného výrobku oproti výrobě vstřikováním do formy. Každá z těchto metod výroby má své výhody a nevýhody, rozhodujícím parametrem však pravděpodobně bude časová náročnost a rentabilita výroby. Výsledný produkt tedy může vykazovat výrazné odlišnosti v návaznosti na možnosti výroby vstřikováním do formy.

6. Závěr

Výsledkem dosavadní práce jsou jednotlivé prototypy vývoje fasádního panelu systémových zelených stěn. Pro tyto návrhy je velmi vhodné využití parametrického modelování, které umožňuje relativně snadné a časově nenáročné změny modelu. Využití výroby za pomoci 3D tisku se při vývoji ukázalo jako klíčové. Díky velmi rozsáhlým možnostem přesnosti, materiálů, houževnatosti výroby, a především nízké výrobní ceně jednotlivých prototypů.

Poděkování

Příspěvek mohl vzniknout díky podpoře projektu FAST-J-20-6476, „Studium parametricky definovaných prostorových struktur fasádních prvků vyráběných z recyklovaných materiálů za pomoci aditivní výroby“ a projektu FAST-S-20-6523 „Analýza vzduchotěsnosti stavebních konstrukcí realizovaných pomocí technologie 3D tisku“.

Použité zdroje

1. ENZI, V., B. CAMERON, P. DEZSÉNYI, D. GEDGE, G. MANN a U. PITHA. Nature-Based Solutions and Buildings: The Power of Surfaces to Help Cities Adapt to Climate Change and to Deliver Biodiversity. Kabisch N., Korn H., Stadler J., Bonn A. (eds), 2017. ISBN 978-3-319-53750-4.
2. M. A. Mir BSc. Green façades and building structures. Stevinweg 1 2628 CN Delft. Master thesis. Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering, section Materials and Environments, chair Materials & Sustainability.
3. SIROTEK, ing. arch. Adam. NOVÉ DIGITÁLNÍ METODY V PROCESUARCHITEKTONICKÉHO NAVRHOVÁNÍ [online]. Brno, 2012 [cit. 2020-02-13]. Dostupné z:
   https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=59414.
4. SCHOEN, Alan. INFINITE PERIODIC MINIMAL SURFACES WITHOUT SELF-INTERSECTIONS [online]. Electronic research center, Cambridge Mass. 02139: NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION, Washington D.C., 1970 [cit. 2020-02-13]