Повторное использование строительных материалов в современной архитектуре

Полный текст

Введение
В современном мире на человечество оказывает влияние множество факторов, которые определяют уровень и качество жизни. Среди них – экология, которая на сегодняшний день является одной из наиболее актуальных областей знания. Экологический кризис – это результат дисбаланса человечества и природы, который влечет за собой нарушение равновесия в экологической сфере. К основным экологическим проблемам в мире относят: стремительное ухудшение генофонда; вырубку лесов; загрязнение атмосферы, почвы и воды; истощение полезных ископаемых; разрушение озонового слоя и др. [1]. В России, помимо вышеперечисленных факторов, причинами экологических проблем являются: ветхая инфраструктура; культура одноразового потребления; большое число мусорных свалок; отсутствие организованной системы приема отходов и переработки сырья; токсины от захоронения мусора, которые растут в связи со стремительными масштабами развития индустриального мира. Все это приводит к увеличению уровня потребляемого продовольствия, а как следствие, и количеству отходов, которые не перерабатывают и не используют повторно, как, например, строительный мусор [2]. Практически 40% производимых на Земле отходов связано со строительной отраслью, где основными материалами являются кирпич, бетон, сталь, стекло, дерево и пластик [3]. В данной статье представлены способы предотвращения этого негативного процесса и возможности его изменения путем повторного использования строительных материалов.
Принципы циркулярной экономики были внедрены в строительный сектор проектов с целью повторного применения строительных материалов в будущем. Это привело к созданию принципа 3R – Reuse, Reduce, Recycle, что обозначает сокращение, переработку и повторное использование. Сокращение в архитектуре может проявляться в возможности применения экологически чистых материалов, пригодных для повторного использования. Переработка представляет альтернативу выбрасываемым материалам, которые не пригодны для адаптации. Повторное использование может принимать различные формы: от повторной эксплуатации материалов и элементов строительства до переформатирования конструкций. Одной из таких форм является адаптивное повторное использование [4].  Несмотря на то, что замкнутый строительный цикл набирает популярность применение вторичных материалов до сих является узкоспециализированной практикой в архитектуре в силу существенного отличия данного метода от стандартной практики проектирования. Экономика замкнутого цикла работает на максимизацию материальных ценностей с использованием имеющихся ресурсов через круговые потоки, что приводит к сокращению отходов и потреблению первичных ресурсов, а также снижению нагрузки на окружающую среду. Среди всех сценариев повторная адаптация строительных ресурсов имеет самый высокий приоритет и позволяет максимизировать ценность материалов [5].
Цель статьи заключается в изучении проблемы и потенциала вторичного использования строительных материалов в архитектуре при внедрении принципов циркулярной экономики. В настоящее время идет стремительное развитие технологического прогресса, что несомненно упрощает нашу жизнь и улучшает ее качество. Но именно этот процесс оказывает негативное влияние на окружающую среду, в результате чего появляются проблемы, влияющие на качество жизни. В Самаре историческая часть города представляет собой преимущественно ветхую застройку, которая хранит в себе историческую ценность, а здания, которые идут под снос, в результате дают лишь строительный мусор. Эти строительные отходы можно превратить в ресурсы, а данный метод разрешит большое количество проблем, которые являются актуальными в наши дни. Эта технология дает возможность проектировать не только экологичные здания, но и развивает экологическую идеологию. Архитектура должна отвечать современным требованиям и учитывать серьезные проблемы экологии и замкнутого строительного цикла.

Идеология повторного использования строительных материалов
Основными идеологическими принципами повторного использования строительных материалов являются: экология; замкнутый строительный цикл; культура осознанного потребления; историческая ценность; художественный образ; уникальность; эстетика.
Экология является ключевым движущим звеном циклической экономики, так как современная архитектура стремится учитывать существующие проблемы и предоставлять способы их разрешения, а экология является наиболее актуальной проблемой нашего времени и напрямую влияет на тенденции в архитектуре.
Замкнутый строительный цикл позволяет существенно сократить потребляемые ресурсы и уменьшить процент отходов, которые на 40% состоят из строительного мусора. Помимо этого, замкнутый строительный цикл позволяет существенно сократить выбросы СО2 за счет уменьшения энергоресурсов, затраченных на строительную отрасль и сокращение первичных строительных материалов.  Результаты исследований предыдущих лет, в области повторного использования материалов в архитектуре Финляндии, показали, что повторное использование строительных материалов сокращает выбросы СО2 более чем на 60%.
Культура осознанного потребления представляет собой отказ от нерационального и чрезмерного использования ресурсов и является тенденцией современного общества, в котором строительная отрасль является важным компонентом [6].
Историческая среда становится неотъемлемой частью культуры и сочетает в себе дух времени и память места, позволяет объектам быть источниками информации о прошлом и оказывать эстетическое, историческое, художественное и научное воздействие на человека.
Художественный образ представляет собой искусство передачи информации и идей автора и отвечает высшим духовным потребностям человека. Художественный образ в архитектуре зданий – это симбиоз практичности, функциональности, искусства и красоты.
Уникальность – это категория, подразумевающая редкость и уход от стандартов в пользу абсолютно нового, отличающегося от привычного. Стремление к уникальности всегда было одной из ведущих тенденций строительной отрасли. Вторичное использование строительных материалов заведомо подразумевает уникальность и творческий почерк, и актуальность этого метода растет.
Эстетика относится к чувственному восприятию, а эстетический опыт влияет на нашу жизнь и включает сенсорное восприятие, когнитивные и эмоциональные реакции, а визуальная эстетика влияет на восприятие архитектуры. Исследования показали, что предоставление эстетической информации играет ключевую роль в принятии решений, а продукт становится более привлекательным, если будет иметь взаимосвязь эстетики и ценности продукта. Помимо этого, экологические решения положительно влияют на предпочтения людей [7].

Теоретические исследования повторного использования строительных материалов
Концепция Zero Waste, что в переводе означает «нулевые отходы», выступает за принципы устойчивого развития строительной отрасли, целью этого является сокращение энергопотребления и природных ресурсов. В научной статье «Zero Waste в архитектуре: переосмысление, сокращение, повторное использование и переработка» исследуется воздействие строительной отрасли на окружающую среду и рассматриваются пути изменения этого негативного цикла. В силу того, что строительная отрасль является наиболее потребляющей природные ресурсы сферой человеческой деятельности, неэффективные процессы производства и излишние потери стремительно ухудшают сложившуюся ситуацию. Главная мысль статьи заключается в стремлении к улучшению эффективности использования ресурсов, сокращению отходов и необходимости рассмотрения всех ресурсов, как ценных. С учетом плохой тенденции, показанной на примере Бразилии, где строительные отходы составляют от 50-70% от общего количества образуемых отходов, актуальность осознанного потребления и концепция экономики замкнутого цикла растет и может изменить эту парадигму. В отличие от линейной экономики, где продукт превращается в отходы, экономика замкнутого строительного цикла возвращает отходы в производственный процесс. Концепция Zero Waste является этичной и эффективной дальновидной целью, которая способна изменить культуру использования материалов в положительную сторону [4].
Сохранение ресурсов и их повторное использование играют важнейшую роль в устойчивом развитии. Строительная отрасль должна адаптироваться к современным требованиям нашего времени и стать ведущим движением в изменении других отраслей. В силу того, что будущее неизбежно зависит от переработки и восстановления строительных материалов, важно учитывать существующие опасения и вовлекать людей в этот процесс.
В статье «10 примеров апсайклинга в архитектуре» (апсайклинг превращает сырье в более ценный предмет, нежели он был до этого – прим. авторов) анализируются отходы строительной отрасли, которые делятся на 6 основных материалов: кирпич, бетон, сталь, стекло, дерево и пластик. Речь идет о концепции повторного использования материалов, к которой применяются два подхода. В основе первого подхода, вторичные строительные материалы используются с незначительными изменениями или без них. Второй подход представляет собой смешение или изменение структуры материалов для получения новых продуктов с минимальным энергопотреблением. Помимо этого, в этой статье уделяется внимание способам восстановления и улучшения качества и ценности строительных ресурсов, а также идет речь о задачах, поставленных перед архитекторами, которые заключаются в предоставлении альтернатив образованию отходов [8].
В исследовательской статье «Повторно используемые и переработанные материалы в 10 проектах дизайна интерьера» речь идет о важности переработки и повторного использования материалов в гражданском строительстве. Рациональным подходом к созданию более устойчивого и ответственного будущего становится изменение функций старых материалов и предметов в пользу создания новых строительных элементов с помощью переработки вторичного сырья. Статистика показывает, что вторично используемые или переработанные строительные материалы чаще всего используются в фасадах новых зданий и строительных конструкций в силу того, что их эстетичность внутри здания для многих не доказана. Однако наличие подобных материалов в интерьерах, может иметь новый смысл, а также указывать на необходимость устойчивого развития и минимального воздействия на окружающую среду – цель, которую сформировало современное общество [9].
В прошлом архитектура была ориентирована на имитацию форм природы, что напоминало создание искусственных «экосистем», которые были связаны с понятием устойчивого развития. В статье «Зеленый капитализм и архитектура: экологически чистые материалы и технологии» поднимается проблема защиты окружающей среды, которая является ресурсом и может рассматриваться как товар, так как для экономического роста и прибыли необходимо восстановление природных ресурсов. Эта концепция рассматривает природные ресурсы, как капитал и является основой свободной рыночной экономики. Она стала популярной в 1990 гг. благодаря Программе Организации Объединенных Наций по окружающей среде. Зеленый капитализм играет важнейшую роль, поскольку природные ресурсы ограничены, а строительная отрасль должна находить способы увеличения производительности при меньших затратах. Зеленый капитализм утверждает, что использование экологически чистых методов будет наиболее прогрессивным движением в случае экологических кризисов. Подобные конструкции включают циклическую экономику с модификацией и использованием переработанных материалов для снижения углеродного следа [10].
В статье «Роль вторичного использования строительных материалов в экономике замкнутого цикла» исследуются страны Европы. Евросоюз и его законодательство по отходам ориентированы на их дальнейшую переработку. В 2016 году в ЕС на строительный сектор пришлось 40% древесно-строительных отходов, что значительно больше, чем в центральной и южной Европе, где он составляет около 5%. В 2019 году около 95% древесных отходов сжигалось для получения энергии, а остальная часть регенерировалась. Понимая все эти аспекты, восстановление материалов должно иметь приоритет над энергетикой. На примере Финляндии, где деревянные конструкции обычно сносят механическим образом, внутренняя часть дома разбирается вручную, а строительную конструкцию дробят на куски, отходы разделяются и сортируются для дальнейшей утилизации, приоритетом является оперативность и экономичность работ. Помимо этого, исследования вторичного использования материалов в Финляндии показывают управление пятью основными видами строительных отходов в стране, к которым относятся: металл, бетон, минералы, древесина, а также их смеси и включают анализ затрат экологического жизненного цикла материалов. Хотя древесные остатки и отходы эффективно используются для производства энергии, ценность жизненного цикла древесины обычно не увеличивается. Поэтому реализация концепции каскадирования является приоритетной задачей [5].

Опыт проектирования объектов из вторичных строительных материалов

Школа Шиладеви Дхоксан в Шанкхарапуре, Непал, арх. бюро supertecture gUG, 2019 г.
Чтобы продемонстрировать потенциал Непала для устойчивых, возобновляемых и циклических технологий в строительстве, каждое помещение школы было построено как отдельный дом, используя различные инновационные и недооцененные материалы, такие как бесплатно пожертвованные кирпичи, земля в сочетании с бамбуком, соломой, камни и каменные склоны, а также старые окна. Часть кирпичей, оставшихся после землетрясения, были использованы для первого блока. Это привело к сбору более 14000 кирпичей 50 разных видов, каждый из которых имел уникальную связку. Крыша школы состоит из двух разных скатов черепицы. Второй блок построен из прочной местной земли, крыша здания выполнена из местного бамбука и покрыта соломой. Около 700 старых окон были собраны и отреставрированы, чтобы использовать их в качестве фасада и крыши в многофункциональном доме [11].

Рис. 1. Начальная школа Шиладеви (archdaily.com)

Дом Fuelle Roga, OMCM arquitectos, 2019 г. г. Асунсьон, Парагвай
Усилия архитекторов были сконцентрированы на создании проекта, который был бы экономичным и одновременно позволял перестроить дом с небольшим бюджетом. 

Рис. 2. Дом Fuelle Roga (archdaily.com)

Изначально планировалось адаптировать новый проект к существующему дому, чтобы свести к минимуму сносы. Однако в процессе работ стало очевидно, что дом имеет скрытые патологии, в результате чего пришлось снести более 70% конструкций. Результатом стала большая куча щебня из различных материалов, которые стали ключевым материалом для строительства. Повторное применение щебня при реконструкции позволило продемонстрировать эстетические возможности этого материала для создания нового образа здания. Этот проект стал примером творческого отношения к материалам, уже однажды использованным в строительстве [12].

Общественный дом Камикацу, Япония, 2015 г., арх. бюро Hiroshi Nakamura & NAP
Камикацу известен как город, который не оставляет после себя мусор. Его жители стремятся добиться нулевого уровня отходов и стать устойчивым сообществом за счет повторного использования строительных материалов. Город уже достиг уровня утилизации отходов 80%, разделив отходы на 34 категории и выставив использованные предметы в центре переработки, как в магазине.

Рис. 3. Общественный дом Камикацу (archdaily.com)

Поскольку эра массового производства и потребления подходит к концу, мир возлагает большие надежды на такое движение. Частный бизнес, вдохновленный принципами города, запустил проект, объединив магазин товаров для дома, продуктов питания, пивоварню и паб. Они воплотили принципы сообщества и мудрости людей по отношению к отходам. Целью стало создание общественного дома, которым могло бы гордиться сообщество. Окна, стоявшие ранее в городских зданиях, были повторно использованы для фасада нового здания, а для внутренней отделки основными материалами стали отходы кедровой доски местного производства и старая плитка с керамического завода. Общественный дом Камикацу стал примером импровизации и творчества в проектировании с использованием строительных отходов. Архитектура, помимо экономии ресурсов, энергии и сокращения вредных выбросов, благодаря повторному использованию, способствует также развитию туризма. Город вдохновился этим примером и недавно установил контейнер для строительных отходов в центре города [13].

Отель и ресторан на территории бывшей фабрики Монтальвана, Севилья, Испания, 2018 г., арх. бюро AF6 Arquitectos
Старинная гончарная фабрика керамики Montalván закрылась в 2012 году, но благодаря использованию оставшейся от производства керамики, стала местом создания современной архитектуры. Она представляет собой пример современных интерпретаций яркого прошлого промышленного и керамического наследия. Проект развивает устойчивую экологическую концепцию, когда отходы используются для создания современной архитектуры, сочетающей в себе экологическую эффективность, эстетику и платежеспособность.

Рис. 4. Отель и ресторан на территории бывшей гончарной фабрики Монтальвана (archdaily.com)

Строительство нового уникального здания потребовало творческого подхода архитекторов при повторном использовании материалов старого, включая остатки фабричных материалов. В проекте исследуются формы взаимодействия прошлого и настоящего. Этот уникальный подход в проектировании основан на сочетании современных методов строительства и глубокого понимания социально-культурного контекста [14].  

Лайф Хаус, г. Алтус, Парагвай, 2018 г., арх. бюро BAUEN
Проект представляет собой экологический минималистический дом с перетекающим пространством, выполненный из переработанных строительных деталей. Основным материалом является металл из вторичного сырья, который со временем будет окисляться, изменяя текстуру и облик здания, что придаст дому актуальный внешний облик [15].

Рис. 5. Лайф Хаус (archdaily.com)

Вилла Welpeloo, Роттердам, Нидерланды, 2009 г., арх. бюро Superuse Studies
Дом на 60% состоит из повторно используемых строительных материалов. Фасады здания выполнены из деревянных досок с соседнего завода. Конструкции выполнены из стальных элементов текстильной машины, утеплитель – из повторно используемого полистирола. Для внутренней отделки здания также использовались вторичные строительные материалы, которые подверглись минимальной обработке. Было выявлено, что повторное использование материалов на фасадах генерирует только 5% CO2, аналогичное сокращение произошло и при использовании вторичных конструкций во внутренней отделке дома.

Рис. 6. Вилла Welpeloo (archdaily.com)

В процессе строительства проект часто модифицировался из-за непредсказуемости свойств вторичных материалов или из-за отсутствия стандартных методов их обработки и строительства [16].

Выводы
Изучив зарубежный опыт проектирования зданий из вторичных строительных материалов и научные статьи по данной теме, выявлены основные ресурсы, чаще всего используемые для повторного применения: щебень, камень, кирпичи, стекло, древесина, черепица, металл, пластик, керамика, поликарбонат, блок-контейнеры, смешанный строительный мусор. Помимо этого, в практике повторного использования материалов имеются положительные примеры применения отдельных конструкций и деталей во внешней отделке и интерьерах новых зданий, таких как оконные рамы и дверные полотна, отдельные цельные фрагменты зданий и прочее. Изменение климата и нехватка ресурсов подталкивают общество к созданию более устойчивых решений в строительной отрасли. Исследования в области повторного использования стройматериалов в архитектуре показывают, что такие решения имеют важный идеологический смысл и успешно применяются при разработке архитектурных проектов новых зданий.

Об авторах

Виталий Александрович Самогоров

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: filippov.vd@samgtu.ru
Россия

Артем Викторович Фадеев

Самарский государственный технический университет

Email: filippov.vd@samgtu.ru
Россия

Полина Дмитриевна Котмышева

Самарский государственный технический университет

Email: filippov.vd@samgtu.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы