Budownictwo modułowe – zastosowanie, zalety, rodzaje systemów

Początki budownictwa modułowego ściśle związane są z wykorzystaniem kontenerów do załadunku i przewozu towarów w transporcie morskim. Za prekursora tej idei uważa się Malcolma McLeana (fot. 1), który w 1955 r. zainwestował swój majątek w przebudowę tankowca na pierwszy w świecie kontenerowiec. W marcu 1956 r. statek Ideal X wypłynął w swój pierwszy rejs z ładunkiem 53 kontenerów.

Fot. 1. Historyczne wykorzystanie kontenerów w transporcie morskim towarów (źródło: www.intelligentfanatics.com)

Wzrastająca w tamtym okresie koniunktura gospodarcza spowodowała zwiększenie obrotu towarami, co z kolei wymagało kosztownych i czasochłonnych manipulacji przeładunkowo-składowych. Dzięki wykorzystaniu kontenerów przeładunek stał się szybszy i lepiej zorganizowany, a koszt operacji uległ redukcji z 5,86 dolara do 16 centów za tonę. W 10 lat od debiutu Ideal X zwodowano pierwszy specjalistyczny statek przeznaczony wyłącznie do przewozu kontenerów, który w kwietniu 1966 r. przypłynął z USA do Europy, przywożąc na pokładzie 226 kontenerów. Rosnące na świecie potrzeby transportowe sprawiły, że do dzisiaj wyprodukowano miliardy kontenerów, a ich produkcja nadal się rozwija.

Początki zastosowań kontenerów w budownictwie

Korzyści uzyskiwane ze stosowania kontenerów w transporcie morskim i lądowym przyczyniły się do prób ich wykorzystania w budownictwie. Kontenery stanowiły trwałe urządzenia transportowe, o konstrukcji umożliwiającej wielokrotne ich użycie i przewóz środkami transportu bez konieczności przeładowywania zawartego w nim ładunku oraz odpowiednio wyposażone w celu umożliwienia mocowania, transportu i przeładunku.
Pierwsze zastosowania kontenerów to budownictwo tymczasowe, głównie jako budynki zaplecza budowy, a w kolejnych latach również jako obiekty charakterze usługowym, handlowym i mieszkaniowym.
W czasie wdrażania kontenerów do budownictwa intensywnie prowadzono prace nad budownictwem wznoszonym metodami uprzemysłowionymi. Istotną rolę odgrywała tam koordynacja wymiarowa rozumiana jako zbiór zasad określających współzależność wymiarów budowli, jej elementów, komponentów oraz urządzeń technologicznych służących do ich wykonania. Koordynację wymiarową realizowaną w oparciu o zastosowanie modułów, tj. umownych jednostek miary liniowej, nazywano koordynacją modularną [1]. Wprowadzenie na szeroką skalę tzw. modułu budowlanego pozwoliło na:

• opracowanie nowych systemów budownictwa mieszkaniowego i przemysłowego,
• dynamiczny rozwój przemysłu elementów i wyrobów prefabrykowanych.

Zobacz: Prefabrykacja w XXI wieku

Prefabrykaty a moduły

Modularne żelbetowe prefabrykaty wielkowymiarowe produkowano w zakładach prefabrykacji (zadaszone hale produkcyjne), co pozwoliło na uniezależnienie produkcji od warunków atmosferycznych, otrzymywanie prefabrykatów o znacznie lepszej jakości (małe odchyłki wymiarów), zwiększenie tempa wznoszenia budynków [2]. Dążono również do produkcji prefabrykatów przestrzennych, ale ze względów na dużą masę takich elementów (transport) i trudności produkcyjne (kosztowne oprzyrządowanie) ograniczono się jedynie do wykonywania prefabrykowanych kabin sanitarnych i szybów dźwigowych. Współczesne budownictwo kubaturowe obejmuje realizację obiektów zarówno z prefabrykatów (płaskich) wielkowymiarowych, jak i modułów przestrzennych. Moduły przestrzenne najczęściej mają metalowy szkielet przestrzenny i lekkie ściany warstwowe; rzadko są to moduły żelbetowe.
Polecamy: Nowoczesna prefabrykacja w budownictwie mieszkaniowym
W fazie projektowej budynek dzielony jest na sekcje (prefabrykowane moduły budowlane wytwarzane w 90% w zakładach produkcyjnych), następnie są one transportowane w miejsce przeznaczenia i łączone w celu utworzenia jednego budynku. Na etapie prefabrykacji moduły są dodatkowo wyposażane we wszystkie objęte projektem instalacje, ściany wewnętrzne oraz części elementów wykończenia. Po zestawieniu modułów na placu budowy następuje połączenie instalacji oraz prace uzupełniające w zakresie wykończenia. Obiekty wykonane w technologii modułowej nazywane są budynkami modułowymi.

Fot. 2. Budownictwo modułowe – przykłady elementów

Zastosowanie modułów w budownictwie nierozerwalnie wiąże się prefabrykacją (fot. 2), czyli przygotowywaniem standardowych materiałów i elementów budowy w taki sposób, aby konstrukcje modułów (w formie prostopadłościanów), przygotowane na linii fabrycznej, umożliwiały ich przewóz jednym lub wieloma środkami transportu i pozwalały na proste kształtowanie obiektów budowlanych – rys. 1.

Rys. 1. Przykładowa rama stalowa modułu i możliwe układy połączeń modułów w budynkach [5] i [6]

Ze względu na powyższe w powszechnej świadomości inżynierskiej pojawia się skojarzenie, że budownictwo modułowe jest tożsame z budownictwem kontenerowym. Tymczasem jedynym podobieństwem obydwu systemów jest kształt elementu (prostopadłościan) oraz samonośna jego konstrukcja.

Zastosowanie systemów modułowych

Systemy modułowe, w zależności od przeznaczenia, można podzielić na kilka podstawowych grup funkcjonalnych, wśród których można wyróżnić budynki: mieszkalne, użyteczności publicznej, handlowe i wojskowe.
Zobacz też: Nowy żłobek modułowy w Łodzi

Fot. 3. Budynek przedszkola wzniesiony z elementów modułowych (źródło: www.climatic .pl)

Moduły mieszkalne i użyteczności publicznej są odpowiednio wyposażone, aby możliwe było zaspokajanie codziennych potrzeb ich użytkowników. Wyposażone są w podstawowe sprzęty i udogodnienia, takie jak instalacje grzewcze, instalacje elektryczne i wodno-kanalizacyjne, stolarkę okienną i drzwiową. W takich obiektach wyodrębnia się również aneks kuchenny, zwykle z kuchenką elektryczną lub gazową oraz zlewozmywakiem jednokomorowym, a także łazienkę z miską WC, umywalką i kabiną prysznicową. Moduły mieszkalne po połączeniu w rozbudowany obiekt mogą się stać szkołami, żłobkami lub przedszkolami, jak również akademikami czy hotelami. Modułowe placówki oświatowe mogą stanowić szybką reakcję na braki miejsc w istniejących lokalizacjach, przy jednoczesnym skróceniu czasu realizacji inwestycji nawet o 80%.

Przykładem wykorzystania sytemu modułowego (168 elementów) może być czterogwiazdkowy, 25-kondygnacyjny hotel AC Hotel by Marriott o wysokości 96 m, zlokalizowany przy Szóstej Alei na Manhattanie w Nowym Jorku, którego przewidywany czas montażu wynosił 90 dni.
Znacznie częściej moduły (również kontenery) stosuje się jako obiekty handlowe. Najbardziej popularne jest wykorzystywanie ich na biura, zarówno stałe, jak i tymczasowe. Najlepszym przykładem są tutaj biura sprzedaży u deweloperów, które zmieniają lokalizację w zależności od aktualnie prowadzonej inwestycji.

Inne równie powszechne zastosowanie modułów handlowych to portiernie, pawilony handlowe, punkty gastronomiczne, a także kasy biletowe organizowane np. na czas trwania imprezy masowej.

W budownictwie istnieje także bardzo duże zapotrzebowanie na kontenery, które w zależności od wyposażenia spełniają różne funkcje. Mogą to być kontenery budowlane technologiczne, magazynowe, biurowe, sanitarne czy nawet mieszkalne. Te ostatnie służą do czasowego zamieszkania robotników i są urządzone w sposób prosty, lecz wygodny.

Ostatnim niezwykle istotnym sektorem, w którym ważny jest mobilny aspekt kontenerów, jest wojsko, które nieustannie zmienia miejsce swoich działań. Wojsko potrzebuje specjalistycznego typu kontenerów modułowych, które się charakteryzują bardzo wytrzymałą konstrukcją.

Sprawdź: Nowość na rynku logistycznym – magazyny modułowe

Wielopiętrowe budownictwo modułowe

Najwyższy hotel modułowy na świecie

Kontenery magazynowe to zwykle proste konstrukcje, które się cechują dużą wytrzymałością, ich ustawienie można swobodnie konfigurować oraz tworzyć z nich kilkupiętrowe systemy modułowe. Najczęściej wykorzystywane są na placach budowy jako miejsce składowania narzędzi oraz materiałów budowlanych. Kontenery medyczne stanowią zaplecze medyczne na terenie budowy, działań wojskowych, a także stanowią wsparcie dla podstawowej służby zdrowia w przypadku imprez masowych, epidemii czy klęsk żywiołowych. Przykładem może tutaj być budowa szpitala modułowego dla 1000 pacjentów (o powierzchni 25 tys m²) w chińskim mieście Wuhan w związku z ekspansją epidemii wirusa 2019-nCoV, czas realizacji wyniósł 10 dni. Kontenery medyczne umożliwiają nie tylko leczenie ambulatoryjne, ale także zapewniają chorym odpowiednie warunki na czas leczenia. Dzięki kontenerom sanitarnym można stworzyć optymalne warunki służące zaspokajaniu podstawowych potrzeb fizjologicznych oraz higienicznych podczas budowy, imprez masowych, a także na obszarach objętych działaniem wojska. W kontenerach sanitarnych mogą znajdować się prysznice, umywalki, WC, pisuary, a także aneksy kuchenne. Kontenery techniczne służą natomiast najczęściej jako zabudowa różnego rodzaju maszyn lub urządzeń, które należy ochronić przed szkodliwym działaniem czynników atmosferycznych oraz przed użytkowaniem przez nieupoważnione do tego osoby. Kontenery wyposażone mogą być w profesjonalną instalację elektryczną, system klimatyzacji i wentylacji, UPS oraz systemy alarmów antywłamaniowych i przeciwpożarowych.

Budownictwo modułowe – zalety

Największe zalety systemu modułowego wynikają wprost z samej idei budownictwa, czyli modułowości i stosowania gotowych do użycia wysokiej jakości elementów konstrukcyjnych. Dzięki temu można zaprojektować i wykonać dowolnej wielkości budynki i układy pomieszczeń. Proste zasady łączenia i montażu kontenerów pozwalają szybko wykonać kompletny budynek we wskazanym miejscu, co jest przede wszystkim oszczędnością czasu i pieniędzy (rys. 2). W razie konieczności można też w prosty i łatwy sposób zwiększyć lub zmniejszyć wielkość budynku przez dodawanie lub odłączanie kolejnych kontenerów, można również przenieść cały budynek w inne miejsce.

Rys. 2. Przykładowe porównanie czasu i kosztów realizacji inwestycji w budownictwie tradycyjnym i modułowym (źródło: www.modulsystem.pl)

Istotnymi zaletami budownictwa modułowego są również:

• szybkość budowy, co powoduje szybszy zwrot inwestycji – skrócenie budowy nawet do 80% przy redukcji kosztów finansowania i nadzoru;
• jakość gwarantowana zakładową kontrolą w zakładach produkcyjnych;
• precyzyjna budowa w kontrolowanych warunkach;
• możliwość budowania w odległych lokalizacjach;
• ograniczenie ilości odpadów przez optymalizację materiałów;
• budowa przyjazna dla środowiska (możliwość recyklingu);
• elastyczność kształtowania, tj. możliwość rozbudowy i nadbudowy;
• trwałość konstrukcji;
• zoptymalizowane wymiary: długość do 18 m, szerokość do 5,5 m, wysokość do 4,2 m.

Montaż elementów na placu budowy wymaga stosowania dźwigów o dość dużej nośności i wysięgu. Warto dodać, że domy modułowe mają również pewne ograniczenia w kształtowaniu architektonicznym i w przypadku większych osiedli mogą prowadzić do monotonii architektonicznej.

Budownictwo modułowe. Podsumowanie

Budynki modułowe wznoszone z prefabrykatów przestrzennych są coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w wielu państwach europejskich, trend ten obserwuje się również w Polsce. Pod względem funkcjonalnym budynki te w niczym nie odbiegają od ogólnie przyjętych standardów. Spełniają wszelkie normy bezpieczeństwa, a ponadto są dostosowane do przepisów bhp oraz wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej (rozwiązania energooszczędne, rys. 3), akustyki i ochrony przeciwpożarowej [3].

Rys. 3. Wariantowe rozwiązania elementów konstrukcyjnych modułów: [4] a) ściany zewnętrzne, b) podłoga, c) dach

Elementy modułowe charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami, co wynika z faktu, że wytwarzane są w kontrolowanych warunkach. Nad ich jakością czuwają specjaliści, produkcja jest powtarzalna, a dodatkowo odbywa się z zastosowaniem nowoczesnych technologii i materiałów. Wszystko to pozwala na wyeliminowanie kosztownych błędów projektowych. Co więcej, wybór obiektów postawionych z użyciem prefabrykatów to dobry sposób na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych; w związku z zastosowaniem rozwiązań energooszczędnych, np. paneli fotowoltaicznych lub pomp ciepła, wszystkie przestrzenie są doskonale izolowane i nie posiadają mostków cieplnych. Obecnie budownictwo modułowe w Polsce rozwija się dynamicznie i może stanowić skuteczną odpowiedź na współczesne potrzeby społeczne, związane z deficytami w zasobach budownictwa mieszkaniowego i infrastruktury towarzyszącej, np. przedszkola, szkoły na nowych osiedlach, co dotychczas jest rozwiązaniem mało wykorzystywanym.

Bibliografia

1. PN-B-02354:1986 Koordynacja wymiarowa w budownictwie. Wartości modularne i zasady koordynacji modularnej.
2. L. Runkiewicz i in., Diagnostyka i modernizacja budynków wielkopłytowych, cz. 1, „Przegląd Budowlany” nr 7-8/2014, cz. 2, „Przegląd Budowlany” nr 9/2014.
3. ETAG 023 Guideline for European Technical Approval of Prefabricated Building Units, EOTA, Bruksela 2006.
4. ETA-14/0466 DiamondModule Unit 2. MB20 i MB20SR. Prefabrykowane moduły budynków, ITB, Warszawa 2015.
5. ETA-18/1068 MB20 i MB20SR, Prefabrykowane moduły budynków, ITB, Warszawa 2018.
6. ETA-18/1068 MB20Eco. Prefabrykowane moduły budynków, ITB, Warszawa 2018.

dr inż. Jarosław Szulc
mgr inż. Jan Sieczkowski
Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa