Kierunki rozwoju prefabrykacji w budownictwie kubaturowym

Zagadnienie prefabrykacji jest obecne na polskim rynku budowlanym od dziesięcioleci. W ubiegłym wieku powstało wiele publikacji opisujących szczegółowo projektowanie, organizację i technologię tego procesu [2–6, 8–9]. Z doświadczeń autorki wynika, że na obecnie realizowanych projektach budowlanych, głównie mieszkaniowych, większość konstrukcji wykonywanych jest w założeniu monolitycznej konstrukcji żelbetowej, zwanej dalej tradycyjną. Niniejszy artykuł ma charakter dyskusji o potencjale i możliwych kierunkach rozwoju prefabrykacji budowlanej, a także analizy, jakie aspekty należy rozważyć, aby efektywność tego rozwiązania była jak najwyższa.

Dlaczego prefabrykacja?

Decydując się na wybór technologii realizacji konstrukcji, należy za każdym razem, indywidualnie dla danego projektu, przeanalizować skuteczność wybranego rozwiązania. Stosowanie prefabrykacji ma wiele zalet, które przedstawiono w formie schematu (rys. 1).

Rys. 1. Schematyczne przedstawienie zalet stosowania prefabrykacji

Jakość elementów prefabrykowanych jest bezdyskusyjnie wyższa niż tych wykonywanych na placu budowy. Wyższa jakość elementu to możliwość ograniczenia czasu i kosztów, potrzebnych na wykonanie wymaganych napraw. Ponadto stosowanie prefabrykatów pozwala na uzyskanie powtarzalnego standardu jakości, mającego szczególne znaczenie w przypadku powierzchni pozostawianych bez wykończenia, co staje się coraz bardziej popularne. Należy tu nadmienić, że różnica w jakości elementów monolitycznych i prefabrykowanych nie wynika jedynie ze staranności wykonania elementu, ale także z warunków budowy jako takich. Na placu budowy zazwyczaj nie ma możliwości stworzenia takiego zaplecza technologicznego, jakim dysponują specjalistyczne zakłady. Na potwierdzenie powyższego autorka testowała wielokrotnie możliwość realizacji elementów monolitycznych w jakości zbliżonej do prefabrykatu. Niestety, w każdym z tych przypadków konieczne było zastosowanie dodatkowych zabiegów naprawczych, poprawiających jakość wykonanych elementów.

Prefabrykacja daje również możliwość stworzenia zunifikowanego standardu inwestycji, który mógłby być wdrażany w wielu projektach. Technologia ta pozwala na realizację praktycznie dowolnego kształtu i koloru elementu, a także faktury i formy wykończenia jego powierzchni. Skrócenie czasu realizacji konstrukcji to skrócenie czasu całej inwestycji, a tym samym możliwości redukcji jej kosztu. Należy podkreślić, że analizę taką należy wykonać indywidualnie dla każdego projektu, ponieważ może się okazać, że koszty realizacji, pomimo skrócenia czasu, będą wyższe.

Podsumowując prowadzone przez autorkę projekty budowlane, można stwierdzić, że w dalszym ciągu konstrukcje prefabrykowane są droższe niż elementy wykonywane monolitycznie. Koszt skrócenia czasu realizacji inwestycji zależy ściśle od przeznaczenia komercyjnego i może się różnić dla poszczególnych ich typów. Inny zysk osiągniemy w przypadku obiektów przeznaczonych pod wynajem, takich jak hotele, obiekty usługowe, biurowe czy handlowe, a inny w przypadku mieszkań na sprzedaż.

Należy również podkreślić, że w ostatnich latach zmagamy się z coraz mniejszymi zasobami wykwalifikowanej siły roboczej. Przekłada się to na rosnące ceny robocizny, a także spadek jakości usług. Porównując projekty zagraniczne, oparte w większości na elementach prefabrykowanych w połączeniu z bardzo rozwiniętą automatyzacją, widoczny jest trend dążący nie tylko do redukcji siły roboczej, ale także kadry inżynierskiej (nadzoru). Z kolei do niedogodności tej technologii należy zaliczyć konieczność odpowiedniego przygotowania inwestycji do fazy realizacji (o czym szerzej w dalszej części artykułu).

Rys. 2. Schematyczne przedstawienie możliwości zastosowania technologii prefabrykacji

Możliwości i kierunki rozwoju prefabrykacji

Technologia prefabrykacji rozwija się w kilku zasadniczych kierunkach:

• budownictwo tradycyjne (monolityczne) z elementami prefabrykowanymi – konstrukcje hybrydowe, przy czym udział samej prefabrykacji w całej konstrukcji może być różny, od znaczącego po śladowy, co w literaturze nazywane jest czasem „budownictwem z małą prefabrykacją”;
• konstrukcje w całości prefabrykowane.

Na rys. 2 przedstawiono schemat głównych kierunków rozwoju prefabrykacji wraz z podaniem przykładowych opcji wykorzystania tej technologii. Jest on wynikiem analizy przeprowadzonej w oparciu o liczne publikacje oraz doświadczenia autorki z realizacji inwestycji kubaturowych.

Idea realizacji obiektu w technologii prefabrykacji powinna zostać uwzględniona już na samym początku planowania inwestycji. Możliwe będzie wtedy opracowanie najbardziej optymalnego projektu.

W celu zobrazowania, jak ważna jest to kwestia, poniżej opisano doświadczenia własne z prób wdrażania prefabrykacji w projekty, których konstrukcja została zaplanowana jako monolityczna.

W odniesieniu do prefabrykatów zbrojarskich problemami, jakie napotkano, były nieregularne układy konstrukcyjne oraz mnogość typów elementów konstrukcji, takich jak np. słupy. W przypadku ścian trudne okazywało się dopasowanie, do danych wymiarów, siatek zbrojeniowych, dostępnych na rynku. Konieczne było stosowanie dużej liczby zakładów siatek zbrojeniowych, co było jednak ekonomicznie nieuzasadnione. Zamawianie siatek produkowanych indywidualnie było droższym rozwiązaniem i wiązało się z dłuższym czasem oczekiwania na ich dostawę. Kolejną przeszkodą okazało się pozyskanie siły roboczej. Firmy zbrojarskie, przyzwyczajone do tradycyjnych konstrukcji, wielokrotnie nie chciały nawet podejmować się wyceny takiego rozwiązania. Jeżeli dochodziło do negocjacji, koszt robocizny był zawyżony ze względu na zachowawczy charakter wyceny nieznanego dla wykonawcy rozwiązania.

Fot. 2. Prefabrykowane zbrojenie. Fot. stock.adobe.com/kalpis

Fot. 3. Budownictwo modułowe. Fot. stock.adobe.com/arrowsmith2

W niedalekiej przeszłości autorka analizowała także możliwość zmiany konstrukcji obiektu hotelowego, z żelbetowej monolitycznej na stalową, w formie modułów kontenerowych. Biorąc pod uwagę znaczącą oszczędność czasu realizacji projektu, skrócenie nawet o 12 miesięcy, koszt wykonania inwestycji w konstrukcji modułowej był dwukrotnie wyższy niż inwestycji w technologii tradycyjnej. Wynikało to z kilku czynników, po pierwsze z dużo większego kosztu zakupu stali w porównaniu z betonem, a także z obecnych przepisów, nakładających obowiązek ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych. Kolejnym doświadczeniem autorki była próba wprowadzenia i zastosowania na obiekcie hotelowym zbrojenia z prętów niemetalicznych. Podobnie jak w powyższych przypadkach konstrukcja została zaprojektowana jako monolityczna ze zbrojeniem z prętów stalowych. Próba zmiany miała być odpowiedzią na rosnące ceny stali zbrojeniowej. Po analizie dostępnych dokumentów certyfikujących zauważono, że producenci nie skompletowali jeszcze wszystkich wymaganych dokumentów do stosowania w budownictwie kubaturowym. Drugi aspekt to charakterystyka pracy prętów kompozytowych. Materiał ten cechuje się blisko dwukrotnie wyższą wytrzymałością na rozciąganie od stali, ale znacząco niższym modułem sprężystości. W efekcie, projektując tylko na stan graniczny nośności, można zredukować średnicę i liczbę prętów. Natomiast biorąc pod uwagę także stan graniczny użytkowalności, należy zastosować pręty o średnicy większej niż zbrojenia stalowego lub podwoić rozstaw. Różnice kosztowe w opisanych dwóch przypadkach zostały obliczone przy cenie zakupu stali wynoszącej 4200 zł/t, przy spełnieniu warunku ULS i SLS. W pierwszym przypadku koszt zakupu prętów niemetalicznych był ponad 2,5 razy wyższy niż stalowych oraz blisko 1,7 razy większy przy podwójnym zagęszczeniu rozstawu. Ponadto w powyższych obliczeniach nie zawarto kosztów dostawy na plac budowy oraz gięcia specjalistycznego figur zbrojeniowych. Należy podkreślić, że konstrukcje wykonane z użyciem prętów kompozytowych są dużo bardziej trwałe niż te wykonane z użyciem zbrojenia stalowego.

>>> Czy zbrojenia niemetaliczne będą coraz popularniejsze?

>>> Płyta konstrukcyjna z betonu zbrojonego włóknami stalowymi

Fot. 1. Zbrojenie niemetaliczne. Fot. stock.adobe.com/German S

Podsumowując ostatnie 12 lat realizacji projektów kubaturowych, autorka nie spotkała się z konstrukcjami, w których udział prefabrykacji byłby znaczący. Standardem stały się prefabrykowane biegi schodowe, natomiast elementy balkonowe to trend obserwowany od około 6–7 lat. Niewątpliwie wpływ na to miało upowszechnienie stosowania łączników balkonowych oraz oszacowanie zysków, wynikających z redukcji warstw wykończeniowych balkonu.

Powstaje więc pytanie, dlaczego pomimo olbrzymiego doświadczenia w realizacji budynków wielkopłytowych najczęstszym stosowanym dzisiaj rozwiązaniem są konstrukcje monolityczne z bardzo małym udziałem prefabrykacji.

Fot. 4. Elementy wykończenia, zagospodarowania terenu. Fot. autorki

W czasach tzw. wielkiej płyty w krótkim czasie pojawiło się duże zapotrzebowanie społeczne na mieszkania, a odpowiedzią było stworzenie systemów, takich jak np. OWT, W-70/Wk-70 WUF-T, Szczeciński, WWP, Domino [8]. Jak wynika ze statystyk, w naszym kraju jest prawie 4 miliony mieszkań zrealizowanych w technologii wielkopłytowej. Mieszka w nich około 12 milionów ludzi, co daje w przybliżeniu jedną trzecią populacji Polski. W związku z tym zainteresowanie problematyką trwałości wielkiej płyty jest jak najbardziej uzasadnione [13–15], ale musi być to podejście racjonalne, oparte na faktach, takie jak przedstawione w publikacjach [10–12, 17]. Niestety spotkać się można z wieloma nieprzychylnymi opiniami na temat stanu technicznego takich obiektów, wypowiadanymi głównie przez osoby spoza grona eksperckiego. Bardzo ważne w tej dyskusji jest stanowisko przedstawione w raporcie opracowanym przez Instytut Techniki Budowlanej [1]. Wnioski są następujące:

• przyczyny uszkodzeń budynków wielkopłytowych mogą wynikać nie tylko z wad technologicznych lub systemowych, ale także z przyczyn analogicznych do tych powodujących uszkodzenia w budownictwie tradycyjnym;
• udział obiektów wielkopłytowych w ogólnej liczbie zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych wynosi około 10%, zarejestrowanych na przestrzeni 50 lat, począwszy od roku 1962;
• awarie i katastrofy obiektów wielkopłytowych występowały głównie w czasie ich wznoszenia lub w początkowym okresie ich użytkowania, w ostatnich 10 latach awarie i katastrofy budowlane pojawiały się już incydentalnie;
• awarie powstałe w trakcie długoletniej eksploatacji budynków związane były głównie z oddziaływaniami o charakterze wyjątkowym (np. wybuchami gazu), tu należy podkreślić, że budynki te projektowane były również na ograniczenie możliwości wystąpienia tzw. katastrofy rozprzestrzeniającej się.

Należy także pamiętać, że od czasu wznoszenia budynków wielkopłytowych, nastąpił i nadal następuje dynamiczny rozwój technologii budowlanej, a tym samym wiele czynników i wymagań wpływających na proces realizacji inwestycji budowlanych uległo znaczącej poprawie.

>>> Budynki z wielkiej płyty – stan złączy konstrukcyjnych i możliwości ich naprawy

>>> Bloki z wielkiej płyty – technologia i elementy konstrukcyjne

>>> Straty ciepła w budynkach z wielkiej płyty

Aspekty, które należy rozważyć

Chcąc skorzystać z technologii prefabrykacji, należy wziąć pod uwagę wiele czynników wpływających na skuteczność tej metody. W tym celu należy dążyć do:

• stworzenia jak najbardziej powtarzalnego i typowego układu architektoniczno-konstrukcyjnego, maksymalnego ograniczenia typów elementów (typizacji i unifikacji), zgodnie z [16] zarówno dla elementów konstrukcyjnych, jak i niekonstrukcyjnych;
• możliwości wykorzystania gotowych prefabrykatów zbrojarskich, takich jak słupy oraz gotowe siatki zbrojeniowe w stropach i ścianach;
• minimalizacji indywidualizacji projektu pod konkretnego klienta, eliminacji zmian lokatorskich;

W ujęciu projektowo-wykonawczym należy zwrócić uwagę na:

• odpowiednie zabezpieczenie elementów pozostających bez wykończenia, szczególnie narażonych na zmienne warunki atmosferyczne;
• połączenia – odpowiednie zaprojektowanie połączeń i ich zabezpieczenie przed korozją;
• przygotowanie dokumentacji warsztatowej wraz z analizą formy magazynowania i transportu na terenie placu budowy (pętle transportowe i konieczne wzmocnienia);
• odpowiednią organizację robót budowlanych, uwzględniającą czas potrzebny do zamówienia i dostawy elementów;
• dobranie odpowiednich środków transportu pionowego, ewentualne zastosowanie podziałów prefabrykatów, biorąc pod uwagę także transport samochodowy na placu budowy;
• odległość zakładu prefabrykacji od miejsca wbudowania, ponieważ często to decyduje o koszcie danego rozwiązania; w przypadku wyżej opisanej analizy zamiany konstrukcji z tradycyjnej na wykonaną z modułów kontenerowych koszt ich transportu, jako elementów ponadgabarytowych, wynosił około 3% kosztów całej inwestycji.

Należy mieć także na względzie zmianę czasu trwania poszczególnych faz cyklu projektu. W przypadku budownictwa tradycyjnego okres potrzebny na przygotowanie i projektowanie jest znacząco krótszy niż realizacja, natomiast w przypadku projektów z prefabrykacją proporcja ta jest odwrotna.

Podsumowanie

Podsumowując, w artykule przedstawiono zalety stosowania technologii prefabrykacji, a także możliwości i obserwowane kierunki jej rozwoju. Ponadto zwrócono uwagę na zagadnienia, jakie należy przeanalizować przy stosowaniu tego typu rozwiązania. Jak pokazuje doświadczenie, decyzja o wyborze tej technologii powinna zostać podjęta możliwe na jak najwcześniejszym stadium przygotowania projektu. Wykorzystanie potencjału, jaki niesie ze sobą prefabrykacja, może nastąpić, w ocenie autorki, w najbliższych latach ze względu na obserwowaną ostatnio tendencję do redukcji inwestycji mieszkaniowych indywidualnych na korzyść tych na wynajem długoterminowy.

mgr inż. Kamila Owczarska

Literatura

1. Budownictwo wielkopłytowe, Raport o stanie technicznym, Instytut Techniki Budowlanej, 2018.
2. J. Bielawski, G. Chrabczyński, W. Hładyniuk, Formowanie elementów prefabrykowanych, Arkady, Warszawa 1974.
3. J. Bielawski, G. Chrabczyński, W. Hładyniuk, Formy do produkcji elementów prefabrykowanych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1978.
4. J. Bielawski, G. Chrabczyński, W. Hładyniuk, Produkcja wielkowymiarowych elementów betonowych w formach bateryjnych, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1972.
5. J. Bielawski, G. Chrabczyński, W. Hładyniuk, Specjalne metody zagęszczania w procesie formowania elementów prefabrykowanych, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1973.
6. J. Bielawski, G. Chrabczyński, W. Hładyniuk, Zagadnienia technologiczne w projektowaniu i produkcji elementów prefabrykowanych, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1975.
7. A. Bielobradek (red.), Systemy budownictwa mieszkaniowego i ogólnego, Arkady, Warszawa 1974.
8. G. Chrabczyński, K. Cieszyński, Technologia betonów w prefabrykacji, praca zbiorowa, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1990.
9. G. Chrabczyński, Obróbka cieplna betonu w przemysłowej produkcji prefabrykatów: podstawy naukowe projektowania, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, prace naukowe, „Budownictwo” z. 68, 1980.
10. J. Hoła, K. Schabowicz, Przeglądy obiektów budowlanych jako podstawa oceny ich przydatności do użytkowania, Ogólnopolska Konferencja „Problemy techniczno-prawne utrzymania obiektów budowlanych”, GUNB, Warszawa 2013.
11. P. Knyziak, Nieprawidłowe użytkowane i modernizowanie głównym zagrożeniem trwałości budynków z wielkiej płyty, konferencja „Awarie budowlane”, 2017.
12. A. Podhorecki i in., Problematyka dotycząca rewitalizacji budynków wielkopłytowych, Ogólnopolska Konferencja „Problemy techniczno-prawne utrzymania obiektów budowlanych”, GUNB, Warszawa 2012.
13. L. Runkiewicz, Diagnostyka i modernizacja budynków wielkopłytowych, cz. 1, „Przegląd Budowlany” nr 7–8/2014.
14. L. Runkiewicz, Raport o zagrożeniach i katastrofach budowlanych w 2014 r. oraz w latach 1996–2014 (czynniki techniczne zagrożeń, awarii i katastrof budowlanych), praca badawcza NK-45/2015, ITB, Warszawa 2014.
15. L. Runkiewicz, Uszkodzenia i zagrożenia budynków wielkopłytowych a potrzeby ich modernizacji i wzmacniania, „Poradnik Inspektora Nadzoru, Kierownika Budowy i Inwestora” nr 3/2013.
16. A. Stefański, J. Walczak, Technologia robót budowlanych, Arkady, Warszawa 1983.
17. St. Wierzbicki, J. Sieczkowski, Konstrukcje budynków wielkopłytowych z punktu widzenia zabezpieczenia przed awarią oraz możliwości ich modernizacji, konferencja „Awarie budowlane”, 2013.