Biomimetyka
Nauka od lat adaptuje mechanizmy spotykane w przyrodzie na potrzeby medycyny, techniki i architektury. Niełatwo znaleźć rozwiązania równie skuteczne jak te, zaproponowane przez miliony lat ewolucji. Obecnie architekci, naśladując przyrodę, konstruują projekty o charakterze totalnym. Proponują budowę bionicznych miast o wysokości przekraczającej kilometr, przeznaczonych dla stu tysięcy mieszkańców. Powstają oddychające materiały elewacyjne, wzorowane na ludzkiej skórze, pozwalające na redukcję zużycia energii.
Tekst: Adam Białobrzeski (www.faab.pl)
Mimetyzm, czyli upodabnianie się do otoczenia lub naśladowanie innych gatunków roślin i zwierząt, jest zjawiskiem szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie. Pozwala na efektywniejsze gospodarowanie dostępnymi zasobami, komunikację między osobnikami, czasem wręcz jest konieczna, aby przeżyć. Pierwszy gatunek, który przychodzi na myśl w tym kontekście, to oczywiście kameleon. Jego najbardziej znaną cechą jest umiejętność zmiany ubarwienia. Właściwość ta pomaga zwierzęciu skuteczniej polować, chronić się przed agresorami, komunikować. Jednakże już tylko osoby bardziej zainteresowane zwierzętami mogły słyszeć o pustynnych jaszczurkach Namaqua (Chamaeleo namaquensis), wyposażonych w system sterowania własną termiką, porównywalny ze współczesnymi, zaawansowanymi systemami elewacyjnymi. W trakcie zimnych poranków wspomniane kameleony stają się czarne, aby absorbować jak najwięcej energii słonecznej. Wraz ze wzrostem temperatury ich kolor blednie, przechodząc w jasnoszary, a skóra zamiast absorbować, zaczyna odbijać promienie słoneczne.
Biomimetyczny materiał
Dziedziną, która z całą pewnością odmieni architekturę, jest biomimetyczna inżynieria materiałowa. Badacze na całym świecie prowadzą prace zmierzające do wytworzenia inteligentnego, wielowątkowego materiału elewacyjnego, który w zakresie spełnianych funkcji będzie można porównać np. do skóry organizmów żywych. Taki nowy materiał ma reagować na zmieniające się warunki atmosferyczne, w tym chronić przed nadmiernym przegrzaniem lub wyziębieniem pomieszczenia, dostarczać lub blokować dostęp światła słonecznego, zapewniać wentylację o parametrach dostosowanych do potrzeb.
Z osób prowadzących prace badawcze wymienić trzeba biologa i architekta Doris Kim Sung, eksperymentującą z powłoką o roboczej nazwie Thermo-bimetal. Kim Sung stworzyła kompozyt składający się z dwóch metali o różnej rozszerzalności cieplnej. Pod wpływem temperatury łuski powłoki zwijają się, tworząc powierzchnię zacieniającą oraz odsłaniają otwory umożliwiające naturalną wentylację budynku. Wszystko to odbywa się bez udziału energii elektrycznej czy też skomplikowanych systemów zarządzających zasobami obiektu. Z kolei Kieran Timberlake opracował materiał o nazwie SmartWrap™. W powłokę o grubości zaledwie 3 mm zatopione są organiczne ogniwa fotowoltaiczne, mające za zadanie wytworzenie energii elektrycznej, oraz organiczne, emitujące światło diody. Materiał ten – w zamierzeniu jego wynalazcy – ma zastąpić szkło stosowane w oknach i na elewacjach.
Innym interesującym materiałem nowej generacji jest szkło X-glass. Dzięki swojej wewnętrznej strukturze umożliwia magazynowanie energii słonecznej w ciągu dnia i oddawanie jej do wnętrza budynku w nocy. Zdolność magazynowania ciepła pozwala w lecie na obniżenie temperatury wewnątrz budynku w klimatach umiarkowanych do 4-6˚C, a w klimatach ciepłych do 12˚C. Wszystko to bez udziału klimatyzacji. Dzięki zastosowaniu tego materiału można ograniczyć roczne wydatki na ogrzewanie/chłodzenie pomieszczeń od 30 do 50%. Taka szyba w zimie nie tylko nie powoduje utraty ciepła w pomieszczeniach, lecz wręcz je dogrzewa.
Pionowe miasto
Koncepcję Bionic Tower opracował zespół projektantów zebrany przez hiszpańską firmę Cervera and Pioz oraz architekta Eloya Celaya. Ideą projektu jest zwrócenie naturze powierzchni planety oraz ograniczenie procesu przekształcania środowiska. Projekt przewiduje budowę trzystupiętrowej struktury o wysokości 1228 metrów, która mogłaby pomieścić do stu tysięcy mieszkańców. Obiekt, którego eliptyczne poziomy łącznie tworzą 2 mln m² powierzchni, miałby być wyposażony w 368 wind, przemieszczających się w pionie oraz poziomie. Większość składowych struktury jest rozwijana w oparciu o wnikliwą obserwację żywych organizmów. Elementy konstrukcyjne, zrealizowane z betonu o wysokiej wytrzymałości i budowie zbliżonej do ptasich kości, mają zapewnić budowli lekkość oraz sztywność.
Założono, że najwyższy poziom będzie odchylał się od pionu jedynie o 2,45 m. Problem wiatru rozwiązano obserwując zachowania cyprysów. Zagrożenia sejsmiczne i tektoniczne wyeliminowano projektując fundamenty inspirowane systemem korzeniowym dużych drzew. Bioniczne miasto rozbudowywane będzie etapami, w tempie dostosowanym do realnych potrzeb. Planuje się zasiedlanie najniższych poziomów oraz stopniową budowę wyższych, bez powodowania dyskomfortu dla już osiedlonych w Bionic Tower. Wstępnie oszacowany koszt realizacji inwestycji to nie mniej niż 16 mld dolarów amerykańskich (0,5 mln zł na jednego mieszkańca). Wobec wielu trudności związanych z aspektami technicznymi i socjologicznymi na razie nie zdecydowano się na przystąpienie do realizacji projektu.
Rajski ptak w architekturze
W zaawansowaną biomimetyczną elewację zaopatrzono budynek Pawilonu Tematycznego One Ocean, zbudowanego w mieście Yeosu, w południowej Korei. Inspiracją dla rozwiązania
nazwanego Flectofin jest kinetyka płatków południowoafrykańskiego kwiatu strelicji królewskiej (zwanej także rajskim ptakiem). Chodzi o naśladowanie ruchów poszczególnych części kwiatu, związanych z procesem zapylania, którego dokonują przeważnie małe ptaki.
Fragment elewacji budynku, składający się ze 108 pionowych, wykonanych z plastiku lamelek, dodatkowo wzmocniono szklanym włóknem. Płynnie otwiera się on lub zamyka, co wygląda jak wyrafinowana choreografia. Lamelki nie są zaopatrzone w zawiasy, trzpienie ani inne elementy powodujące obrót bądź ruch żaluzji. 216 małych silników elektrycznych, sterowanych za pomocą inteligentnych systemów budynkowych, wywiera nacisk na oba końce lamelki. Właściwości materiału powodują, że pod wpływem nacisku ulega ona kontrolowanemu odkształceniu, odsłaniając znajdujące się za nią przeszklenie. Często zdarza się, że górny i dolny silnik pracują przeciwstawnie, to znaczy górny wywiera nacisk, a dolny go hamuje. Skutkuje to wytworzeniem energii elektrycznej, która powraca do systemu, co obniża zużycie prądu.
Grupa projektantów, pracująca pod kierownictwem architektów z austriackiego biura Soma Architecture, przewidziała rozwiązania również na wypadek wystąpienia zdarzeń o charakterze ekstremalnym, np. tajfunów. Geometria elewacji oraz zastosowanie serwomechanizmów zabezpiecza lamelki przed zniszczeniem. Warto dodać, że rozwiązanie Flectofin w roku 2012 otrzymało nagrodę Bionic-Award, przyznawaną przez fundację Schauenburg.
Gigantyczny egzoszkielet
Inspiracją dla formy oraz konstrukcji zlokalizowanego w szwedzkim Malmö 190-metrowego wysokościowca Turning Torso była rzeźba Twisting Torso, przedstawiająca człowieka wykonującego skręt ciała. Hiszpański architekt, konstruktor i rzeźbiarz Santiago Calatrava nakłonił do finansowania inwestycji szefa jednaj z największych firm deweloperskich w Szwecji, dzięki czemu powstał ten jeden z najwyższych i najdroższych apartamentowców w Europie. Konstrukcja budynku przybrała formę gigantycznego stalowego szkieletu o łącznej wadze 820 ton.
Zasadniczym elementem szkieletu jest stalowa, skręcona kolumna główna, stanowiąca kręgosłup, z którego wyprowadzono żebra podtrzymujące dziewięć pięciopiętrowych segmentów, mieszczących łącznie 147 luksusowych apartamentów i 10 pięter biurowych. Każde z pięter jest obrócone względem poprzedniego o 1,6˚. Takie przemieszczenie każdej kondygnacji sprawia, że ostatnie piętro – z fantastycznymi widokami na Malmö, a poprzez cieśninę również na Kopenhagę – jest obrócone w stosunku do parteru o 90˚. Elewacja składa się z 2313 paneli, z których każdy jest gięty tak, aby perfekcyjnie pasował do krzywizn. W tak wykonanej elewacji osadzono 2368 okien, które w zależności od umiejscowienia, nachyleniem wkomponowane zostały w krzywizny fasady. Obiekt od razu stał się wizytówką Malmö oraz swego rodzaju symboliczną bramą do Szwecji, widoczną z daleka w perspektywie mostu, który łączy ten kraj z Danią. W sierpniu 2006 roku słynny Austriak Felix Baumgartner na kilka lat przed skokiem ze stratosfery, wykonał również skok z ostatniego, 54. piętra Turning Torso.
Homar źródłem inspiracji
Spektakularny wizualnie jest eksperymentalny obiekt zbudowany pod kierunkiem działającego w Niemczech architekta Achima Mengesa. Celem eksperymentu była próba odzwierciedlenia naturalnych struktur opartych na włóknach i stworzenie technologii umożliwiającej realizację całkowicie nowych form przestrzennych w architekturze. Inspiracją dla projektu była analiza egzoszkieletu homara (Homarus americanus). Budulcem, który wykorzystano do wykonania struktury o średnicy ok. 8 m i wysokości 3,5 m, była kombinacja włókien szklanych i węglowych. Główna praca przy budowie została wykonana przez zaawansowanego robota przemysłowego, pracującego w sześciu płaszczyznach. Robot łącznie nawinął 30 km włókna na tymczasową konstrukcję stalową, usuniętą po zakończeniu procesu realizacji struktury. Ostatecznie udało się wykonać formę o rozpiętości konstrukcyjnej równej 8 m, przy grubości powłoki nieprzekraczającej 4 mm. Warto dodać, że standardowa grubość elementów konstrukcyjnych stosowanych powszechnie przy tego typu rozpiętościach wynosi przeważnie nie mniej niż 40 cm, czyli aż sto razy więcej.
Pamiętajcie o ogrodach!
W wielu miejscach na świecie można obejrzeć biomimetyczne, pionowe ogrody elewacyjne. Prekursor takiego rozwiązania, francuski botanik Patrick Blanc, podczas swoich licznych podróży zaobserwował, że istnieje duża grupa roślin, które potrafią egzystować w trudnych warunkach, przy małej dostępności wody i składników odżywczych oraz praktycznie bez podłoża w postaci ziemi. Efektem jego badań było stworzenie technologii, którą z powodzeniem najpierw wykorzystano we wnętrzach budynków, by następnie przenieść ją również na zewnątrz.
W przypadku ciepłych klimatów konstrukcja ściany jest dość prosta, sprawa komplikuje się w lokalizacjach charakteryzujących się dużymi wahaniami temperatur. Konieczna jest bowiem ochrona korzeni źle reagujących na mroźne zimy. Wegetację roślin wspomaga system monitorowania i podtrzymywania życia. Na system składają się sensory badające temperaturę i wilgotność w różnych miejscach elewacji oraz automatyczny układ nawadniający i odżywiający, sterowany za pomocą komputera.
Przeprowadzone badania dowiodły, że ściana w postaci pionowego ogrodu jest świetnym izolatorem termicznym, który zmniejsza zapotrzebowanie energetyczne budynku, ociepla go w sezonie zimowym i chłodzi latem. Dodatkowo elewacja wiąże zanieczyszczenia powietrza, a mikroorganizmy w niej bytujące, także z uwagi na ich dużą liczbę, powoli przetwarzają i mineralizują te zanieczyszczenia, zamieniając je w nawóz dla roślin. Do najbardziej znanych obiektów w Europie, przy budowie których zastosowano technologię pionowego ogrodu, należy znajdujące się w Paryżu Muzeum Quai Branly zaprojektowane przez Jeana Nouvela oraz Centrum Sztuki Caiaxaforum w Madrycie autorstwa szwajcarskiego biura Herzog&de Mouron.
Pierwsze w Polsce biomimetyczne elewacje zostały zamontowane w Warszawie, na budynku siedziby Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Autorem projektu jest warszawskie biuro FAAB Architektura. Równolegle z realizacją budowy wdrożono dwie technologie, które mają zapewnić właściwą wegetację roślinom i zabezpieczyć je przed zmienną temperaturą, szczególnie w okresie zimowym. Pierwsza z technologii opiera się na istniejących już rozwiązaniach holenderskich. Druga, opracowana w całości w Polsce, mająca charakter eksperymentalny, wykorzystuje substraty glebowe o właściwościach termoizolacyjnych oraz zaawansowane rozwiązania materiałowe stosowane m.in. przez amerykańską armię.
Źródła:
www.turningtorso.se
www.bionictower-bvs.com
www.torrebionica.com
www.schauenburg.com
Biomimetyka
