Technologia prefabrykacji ma szerokie zastosowanie w budownictwie infrastrukturalnym ze względu na dużą powtarzalność wykonywanych elementów i konstrukcji. Dodatkowo wykorzystanie prefabrykatów znacząco wpływa na usprawnienie prac budowlanych, a tym samym skrócenie czasu realizacji obiektów.
Infrastruktura a budownictwo infrastrukturalne
Przez pojęcie infrastruktura rozumie się podstawowe urządzenia, budynki użyteczności publicznej i instytucje usługowe, których istnienie jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania gospodarki i społeczeństwa. W ramach infrastruktury można wyróżnić trzy podstawowe obszary: społeczny, techniczny i transportowy. Do infrastruktury społecznej zalicza się budynki użyteczności publicznej, rozumiane zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, jako: budynki przeznaczone na potrzeby administracji publicznej, wymiaru sprawiedliwości, kultury, kultu religijnego, szkolnictwa, nauki, wychowania, opieki zdrowotnej, społecznej lub socjalnej, handlu, usług, turystyki, sportu, obsługi pasażerów. Do infrastruktury technicznej zalicza się obiekty tzw. uzbrojenia terenu, tj. związane z zaopatrzeniem w media (energetyka, wodociągi) oraz usuwaniem odpadów (kanalizacja, oczyszczanie ścieków, recykling i unieszkodliwianie odpadów), a także związane z komunikacją multimedialną. Infrastruktura transportowa obejmuje budowle związane z transportem publicznym i indywi-dualnym, takie jak ciągi komunikacyjne wraz z obiektami inżynierskimi i obiektami obsługi.
Zdefiniowany zakres pojęcia „infrastruktura” nie w pełni pokrywa się z zakresem pojęcia „budownictwo infrastrukturalne”. Jako budownictwo infrastrukturalne traktowane są jedynie budowle związane z infrastrukturą techniczną i transportową, natomiast nie zalicza się do niego budynków, nawet jeśli pełnią one funkcje infrastrukturalne.
W obiektach budownictwa infrastrukturalnego, często liniowych, złożonych z dużej liczby powtarzalnych elementów, rozwiązaniem szczególnie predestynowanym jest wykorzystanie prefabrykacji. Elementy prefabrykowane są wytwarzane w warunkach przemysłowych, umożliwiających uzyskanie wysokiej wydajności przy jednoczesnym zapewnieniu powtarzalnych właściwości użytkowych, zgodnych z deklaracją producenta. Jest to szczególnie ważne od czasu wejścia w życie w lipcu 2013 r. rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011, ustanawiającego zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych.
Wyroby prefabrykowane można podzielić na wiele kategorii, w zależności od zastosowania w budownictwie, kształtu, stopnia wykończenia, rodzaju rozwiązania konstrukcyjnego lub materiałowego. Jednym z najistotniejszych kryteriów klasyfikacyjnych jest rozmiar i masa elementów. Według tego kryterium wyróżnia się prefabrykaty drobnowymiarowe, średniowymiarowe i wielkowymiarowe. Nie jest jednoznaczne, jaka cecha mierzalna powinna być podstawą tego kryterium. W nazwie „wielkowymiarowe” zawarte jest odniesienie do gabarytów elementu, ale w literaturze najczęściej podaje się kryterium masy (drobnowymiarowe o masie do 200 kg i wielkowymiarowe o masie przekraczającej 3–5 ton). Jako istotną cechę prefabrykatów wielkowymiarowych podaje się też konieczność użycia do ich przemieszczania takich środków transportu, jak suwnice i żurawie. Zdaniem autorów ważnym kryterium jest także maksymalna liczba elementów możliwych do załadunku na standardowy środek transportu kołowego. Jako umowną wartość kryterialną można przyjąć ok. 10 sztuk elementów na pojazd.
Fot. 1 Prefabrykowane żerdzie wirowane
Elementy prefabrykowane przeznaczone do budownictwa infrastrukturalnego
W budownictwie infrastrukturalnym istniej wiele rodzajów obiektów, w których powszechnie stosowane są wyroby prefabrykowane. W tablicy zestawiono rodzaje obiektów budownictwa infrastrukturalnego wraz ze wskazaniem przykładów elementów prefabrykowanych stosowanych w tych obiektach. Obiekty związane z sieciami uzbrojenia terenu (energetyka, wodno-kanalizacyjne, sieci transmisyjne) są realizowane w zasadzie wyłącznie z użyciem prefabrykatów, przy czym dominują w tym zakresie prefabrykaty z betonu cementowego, ale stosowane są też inne odmiany betonu (PC, PCC) oraz prefabrykaty stalowe. W pozostałych gałęziach budownictwa infrastrukturalnego istnieje wybór między technologią monolityczną i prefabrykowaną, ale skala stosowania prefabrykatów jest znaczna, a często oba warianty są łączone w jednym obiekcie (tzw. konstrukcje hybrydowe).
Dominującymi elementami w ogólnym asortymencie prefabrykatów w budownictwie infrastrukturalnym są wyroby, które można sklasyfikować jako wielkogabarytowe. Wyroby drobno- i średniowymiarowe często stanowią jedynie elementy uzupełniające. Wyjątkiem są nawierzchnie dróg, w przypadku których najpowszechniej stosowane są drobnowymiarowe elementy nawierzchniowe (np. kostka brukowa, trylinka), natomiast wykorzystanie płyt nawierzchniowych jest marginalne i ogranicza się głównie do wykonywania nawierzchni tymczasowych lub lokalnych odcinków nawierzchni ażurowej lub elementów uspokojenia ruchu wbudowanych w nawierzchnię.
Fot. 2 Elementy betonowe stosowane do budowy sieci kanalizacyjnych
Liniowa sieć energetyczna
W budownictwie elektro-energetycznym prefabrykowane słupy stosowane są do budowy linii niskiego i średniego napięcia lub też jako słupowe stacje transformatorowe, maszty telekomunikacyjne, słupy w liniach trakcji kolejowych i tramwajowych, konstrukcje wsporcze estakad i tablic reklamowych. Słupy te wyposażone są często w różne akcesoria umożliwiające montaż elementów trakcji lub elementów oświetleniowych. Rzadko spotykaną praktyką jest stosowanie prefabrykowanych wsporników ze względu na ryzyko korozji.
Wykonywane w starszej technologii żerdzie żelbetowe typu ŻN oraz nowocześniejsze i bardziej uniwersalne żerdzie wirowane, które charakteryzują się wyższą jakością, są powszechnie stosowane (fot. 1). Żerdzie wirowane produkowane są z betonu o wyższej klasie wytrzymałości, np. C40/50, niż ma to miejsce w przypadku żerdzi żelbetowych. Pozwala to nie tylko uzyskać elementy o większej długości, ale również wpływa korzystnie na trwałość elementów w trudniejszych warunkach eksploatacji. Dodatkową korzyścią stosowania żerdzi wirowanych o gładkiej powierzchni zewnętrznej jest ograniczenie zawirowań powietrza i związana z tym redukcja hałasu oraz drgań w przypadku sieci trakcyjnych pociągów o wysokich prędkościach. Żerdzie wykonywane w tej technologii mogą osiągać nawet 18 m długości.
Fot. 3 Transport prefabrykowanej pokrywy
Instalacje zaopatrzenia w wodę
Rury ciśnieniowe (w których woda płynie, wykorzystując pełen przekrój elementu) służące do systemów zaopatrzenia w wodę muszą spełniać wiele wymagań związanych ze szczelnością i trwałością w warunkach ciśnienia roboczego wody wynoszącego od 0,5 MPa do 2 MPa. W Polsce produkowane są rury o średnicy do 1,6 m sprężone podłużnie i obwodowo. Istnieje wiele innych systemów rur ciśnieniowych zarówno sprężonych, jak i żelbetowych.
Kanalizacja
Gama elementów betonowych bezciśnieniowych służących do budowy sieci kanalizacyjnych jest znacznie szersza niż w przypadku sieci wodociągowych. Rozwiązania mają często charakter systemowy, obejmując różne typy rur oraz elementów uzupełniających, np. studzienek rewizyjnych, zwężek, pokryw (fot. 2, 3).
Zróżnicowanie rur związane jest z technologią układania rur (wykop otwarty, mikrotuneling – rury przeciskowe), profilem przekroju (okrągłe, gardzielowe, jajowe, z kinetą), warunkami użytkowania (z wkładkami PE-HD, z betonu chemoodpornego), gabarytami (nawet do ponad 350 cm średnicy). Do innych elementów uzupełniających asortyment wyrobów kanalizacyjnych można zaliczyć systemy odwodnień liniowych, których kształty mogą być zróżnicowane.
Fot. 4 Prefabrykowana belka typu „Kujan”
Zbiorniki rolnicze
Zagadnienie budowy betonowych zbiorników w średnich i dużych gospodarstwach rolnych jest obecnie tematem szczególnego zainteresowania inwestorów indywidualnych ze względu na wysoko postawione wymagania Unii Europejskiej w dziedzinie ochrony środowiska, zdrowia publicznego oraz zdrowia i dobrostanu zwierząt. Jednym ze stosowanych rozwiązań są zbiorniki częściowo prefabrykowane, złożone z monolitycznej płyty obornikowej oraz prefabrykowanych ścian zbiornika. Warto zauważyć, że obiekty budownictwa rolnego są coraz częściej wykonywane z prefabrykatów żelbetowych (np. system elementów do wielostanowiskowych obór i chlewni, obejmujący płyty legowiskowe, płyty ażurowe, elementy odwodnień i elementy konstrukcji wsporczych).
Tabl. Rodzaje elementów prefabrykowanych do budownictwa infrastrukturalnego
Obiekty inżynierskie
Wielkowymiarowe prefabrykaty wykorzystywane są w obiektach mostowych oraz kładkach dla pieszych lub przejściach podziemnych. Często spotykanym elementem konstrukcji takich obiektów są prefabrykaty belkowe typu „Kujan” (fot. 4), które pozwalają na uzyskanie rozpiętości ok. 20 m, oraz belki innych kształtów, np. typu „T” (fot. 5), lub o kształcie łukowym. W mostownictwie stosowanych jest także wiele innych elementów, takich jak: kapy, deski gzymsowe, zabezpieczenia przyczółków itp.
Prefabrykaty wielkowymiarowe mają także zastosowanie przy wykonywaniu obudów tuneli, w tym także tunelu II linii metra w Warszawie.
Każdy segment obudowy tunelu (o średnicy ok. 6 m i szerokości 1,5 m) składa się z sześciu elementów powłokowych o masie 4–5 ton i mniejszego klucza zamykającego obwód segmentu (fot. 6). Produkcja segmentów w zindywidualizowanych formach jest szczególnym wyzwaniem ze względu na bardzo małe tolerancje wymiarowe tych prefabrykatów, które stanowią warunek prawidłowego montażu.
Konstrukcja dróg szynowych
W konstrukcji dróg szynowych powszechnie stosowane są drobnowymiarowe elementy (podkłady sprężone lub żelbetowe), natomiast elementy średnio- lub wielkowymiarowe występują w postaci płyt torowiskowych stosowanych głównie w budowie linii tramwajowych.
Rys. Elementy składowe systemu prefabrykowanych płyt peronowych
Elementy obsługi ciągów komunikacyjnych
Asortyment elementów obsługi ciągów komunikacyjnych jest bardzo zróżnicowany i podobnie jak w przypadku elementów konstrukcji dróg szynowych dominują w nim wyroby drobnowymiarowe. Do elementów średnio- i wielkowymiarowych można zaliczyć bariery drogowe (tymczasowe lub stałe), wyspy, bariery czołowe w otoczeniu, np. punktów poboru opłat na autostradach oraz ekrany akustyczne.
W budowie obiektów towarzyszących szlakom kolejowym szerokie zastosowanie mają ścianki oporowe typu „L” oraz inne elementy składające się na system prefabrykowanych płyt peronowych.
We wszystkich liniowych ciągach komunikacyjnych powszechnie stosowane są różne typy prefabrykowanych przepustów, odwodnień, a także przejść dla zwierząt.
Fot. 5 Prefabrykowane belki typu „T”
Umocnienia szlaków wodnych
Wiele prefabrykowanych elementów wielkowymiarowych stosowanych jest w regulacjach i umocnieniach wybrzeży cieków i zbiorników wodnych. Przykładem takich wyrobów są przestrzenne prefabrykaty falochronowe oraz betonowe kształtki do budowy ścianek szczelnych.
Osobne zagadnienie stanowią prefabrykowane konstrukcje wielokondyg-nacyjnych garaży. Obiekty tego typu zaliczane są do budownictwa infrastrukturalnego, ale ich konstrukcja podobna jest do kubaturowych obiektów budownictwa ogólnego i przemysłowego, tak więc zestawy elementów konstrukcyjnych do ich wznoszenia (słup–belka–płyta) są takie same.
Fot. 6 Obudowa tunelu – widoczne pojedyncze segmenty
Perspektywy rozwoju prefabrykacji
Zauważalny w ostatnich latach postęp w dziedzinie prefabrykacji w Europie związany jest zarówno z wdrażaniem nowych technologii produkcji, jak i nowymi rozwiązaniami i zastosowaniami elementów prefabrykowanych. Należy jednocześnie zwrócić uwagę, że zaletą stosowania prefabrykatów z betonu jest możliwość ich wykorzystywania w połączeniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi w tak zwanych konstrukcjach hybrydowych, w których różne materiały mogą pracować niezależnie lub współpracować ze sobą, pełniąc różne funkcje w konstrukcji. Często jednym ze składowych elementów konstrukcji hybrydowych projektowanych w Europie są prefabrykaty betonowe. Analizując poszczególne rodzaje budownictwa, można zauważyć znaczące różnice regionalne w stopniu i zakresie wykorzystania prefabrykacji z betonu. Na przykład największe zastosowanie prefabrykacji w Skandynawii ma miejsce w budownictwie mieszkaniowym wielorodzinnym i biurowym i wynosi ok. 80% obiektów tego typu. Taka skala wykorzystania prefabrykatów wynika z ich specyficznych zalet, które wiążą się głównie z szerokim zakresem możliwości ich wykorzystania, brakiem sezonowości prowadzonych z wykorzystaniem prefabrykatów prac budowlanych, znacząco szybszą pracą na placu budowy, a poprzez to skróceniem czasu wykonania obiektów, wysoką trwałością prefabrykatów.
W Polscew ostatnim okresie zauważa się ponowne zwiększenie zainteresowania stosowaniem prefabrykatów z betonu, jednakże tendencja ich wykorzystania jest odmienna. Największy udział prefabrykacji betonowej obserwowany jest w budownictwie przemysłowym, przy wznoszeniu kubaturowych obiektów handlowych, magazynowych i innych użyteczności publicznej (np. stadiony) oraz w budownictwie infrastrukturalnym.
Jednym z przewidywanych przez autorów kierunków rozwoju prefabrykacji będzie zwiększenie udziału materiałów pochodzących z recyklingu (kruszywa do betonu, dodatki do cementu), w tym szczególnie niewykorzystywanych dotychczas powszechnie w budownictwie spoiw polimerowych pochodzenia mineralnego, tzw. geopolimerów. W połączeniu z tradycyjnymi zaletami prefabrykacji taka innowacyjność materiałowa ma szansę uczynić z prefabrykacji technologię doskonale wpisaną w strategię zrównoważonego rozwoju w kontekście zarówno ograniczenia energochłonności produkcji, jak i zmniejszenia jej śladu węglowego. Stanie się to w najbliższych latach szczególnie istotne wobec stopniowo zaostrzanych kryteriów oceny wyrobów budowlanych w kontekście ich oddziaływań na środowisko w trakcie całego cyklu życia wyrobu (cradle to grave approach).
dr inż. Grzegorz Adamczewski
Politechnika Warszawska
dr inż. Piotr Woyciechowski
Politechnika Warszawska
zdjęcia: G. Adamczewski
