Integrované navrhování - efektivní rozhodování cílových investorů

Novým koncepčním přístupem v oblasti navrhování progresivních konstrukcí je integrovaný návrh, reprezentující multiparametrický návrh konstrukce zahrnující celé spektrum kritérií udržitelnosti, a to z pohledu různých rozlišovacích úrovní (materiál, komponenta, objekt) v průběhu všech fází životního cyklu. Dva ?nové? prvky tohoto přístupu významným způsobem mohou měnit názor na dlouhodobou efektivitu vynaložené investice. Jsou to:

• environmentální a sociální aspekty realizace;
• uvažování celého životního cyklu budovy.

Právě hodnocení chování budovy v rámci celého životního cyklu, a ne pouze stavu v okamžiku předání objektu do provozu (resp. v krátkém časovém období limitovaném záručními podmínkami), je prvkem, který může zásadním způsobem ovlivňovat rozhodování cílových investorů a uživatelů. Cílovým investorem je v tomto příspěvku uvažován subjekt, který předpokládá dlouhodobé využívání realizovaného objektu, a proto má zájem na zvýšení profitu z dlouhodobé kvality realizovaného díla. Podmínkou pro dosažení takových parametrů konstrukce, které budou efektivní i z hlediska dlouhodobě předpokládaných nákladů a požadavků na provoz, údržbu, opravy, rekonstrukce, modernizace až po demolici a recyklaci materiálů je integrace různých složek návrhu - technického (materiálového a konstrukčního), environmentálního a ekonomického - do jednoho návrhového procesu. Současně je třeba respektovat další kritéria trvale udržitelného rozvoje - kritéria sociálně kulturní.

Obecné požadavky a kritéria

Z obecného požadavku zajištění trvale udržitelného rozvoje plynou úkoly pro sektor stavebního průmyslu. Výstavba občanských staveb představuje v rámci stavebního průmyslu rozhodující podíl, a to nejenom z hlediska ekonomického, ale i z hlediska dopadů na životní prostředí, především spotřeby materiálových a energetických zdrojů na realizaci budov, ale i na jejich provoz.
V posledních letech tak postupně narůstá význam hodnocení stavebních konstrukcí z hlediska kritérií udržitelného rozvoje. Tradiční (a nutno konstatovat stále ještě převládající) přístup při navrhování vychází z tří základních kritérií: kvalita konstrukčního řešení, náklady na realizaci stavby a čas potřebný na realizaci stavby, jejichž slaďováním se hledá kompromis, splňující požadavky investora. Takový postup v sobě nezahrnuje širší aspekty z pohledu vlivů na životní prostředí a na sociální a kulturní kvalitu funkce realizovaných staveb.
Nové pojetí je komplexnější a zahrnuje v sobě soubory kritérií, které lze rozdělit do tří oblastí:

• kvalita životního prostředí;
• ekonomická efektivita a omezení;
• sociální a kulturní souvislosti.

Zatímco tradiční přístup vychází z principu maximálního ekonomického efektu (obvykle jen krátkodobého) bez výraznějšího ohledu na dopady na životní prostředí, nové pojetí, které lze pro sektor stavebnictví shrnout do pojmu udržitelná výstavba [4-6], zdůrazňuje význam omezování negativních environmentálních vlivů staveb, při současné vyváženosti všech ostatních kritérií (obr. 1).

Obr. 1 transformační proces z tradičního pojetí stavební výroby do nového pojetí udržitelné výstavby. Vysvětlivky: obousměrné šipky vyjadřují schopnost systému asimilovat určité množství negativních dopadů bez ohrožení jeho stability.

Optimalizace celkových nákladů

V řadě případů si zúčastněné strany neuvědomují, že investice by neměla být posuzována jen dle nákladů na její pořízení. To má totiž zpravidla značné důsledky ekonomické, případně i ekologické. Jak bylo naznačeno výše, tzv. celkové náklady sestávají z celé řady částí:

N_celk = N_in + N_m + N_p + p₁ . N₁ + p₂ . N₂ +…+ p₃ . N₃ (1)

N_in ...náklady spojené s projektovými pracemi a s výstavbou objektu (event. vč. bankovní záruky);
N_m …náklady na údržbu (vč. nákladů na kontrolu a prohlídky po celou dobu předpokládané životnosti t_D roků);
N_p ...náklady na provoz objektu (vytápění, osvětlování, pojištění během doby t_D);
p₁.N₁ …náklady na opravy, které mohou nastat s pravděpodobností p₁ (během doby t_D);
p2.N2 …náklady na rekonstrukce, které mohou nastat s pravděpodobností p₂ (tj. včetně nákladů na případné přerušení provozu a podobně);
p₃.N₃ …odstranění stavby s pravděpodobností p₃ (vč. nákladů na recyklaci a skládkování odstraněného materiálu a součástí stavby).
Hodnoty pravděpodobností uvedené v (1) se obvykle v případech nosných stavebních konstrukcí odvíjejí od pravděpodobností dosažení mezních stavů (mezní stavy únosnosti a použitelnosti - viz EN 1990 [7]), jejich definic a požadované (návrhové, cílové) životnosti t_D objektu, konstrukce či prvku. Je proto nutno využívat stochastickou analýzu, simulační techniky apod.
Je třeba též uvážit, že v případech, kdy nebude dodržen požadavek na návrhovou životnost (např. díky snížení N_in), tj. když pro skutečně dosaženou životnost t_S bude platit:

t_S < t_D (2)

pak se N_celk dokonce mohou zvýšit, jestliže se započítají ztráty způsobené předčasným ukončením funkcí objektu.
Je potřeba také připomenout, že cena peněz se v čase mění a je nutno např. pracovat s diskontní sazbou (s neurčitostí její možné proměny v čase).
Uveďme dále, že trvanlivost je obecný výraz pro schopnost odolávat degradaci vnějšími vlivy a opotřebení provozem. Výslednicí trvanlivosti všech komponentů je pak životnost stavebního prvku, konstrukce, objektu, která je vlastně kvantifikací trvanlivosti (vyjádřeno obvykle v rocích). Při projektování nové konstrukce jde o návrhovou životnost a při posuzování konstrukce již provozované pak jde o životnost zbytkovou. Většina běžných návrhových postupů předpokládá životnost 50 let (často jen implicitně, životnost není přímo posuzována). Cílová životnost má ale značné důsledky pro celkové náklady, jejichž některé části jsou přímo z délky životnosti odvozeny - viz vztah (1), podrobněji [8]. Zde nastává pochopitelně velký rozpor. Investor, který nezamýšlí stavbu dlouhodobě používat, nýbrž ji hodlá brzy prodat (developerské firmy apod., tedy nikoliv cíloví investoři), vyvíjí tlak na dosažení minimálních pořizovacích nákladů, bez ohledu na to, že to nepochybně povede k významnému zvýšení nákladů spojených s užíváním stavby a pravděpodobně též ke zkrácení životnosti - viz ilustrativní obr. 2.
Ty ovšem již ponese nový majitel. Přitom ?úspora? v počátečních nákladech N_in je obvykle zcela nevýznamná a ve svém důsledku kontraproduktivní - dle jedné zahraniční studie tvoří N_in u občanských staveb průměrně jen asi 4 % z N_celk. Dle české studie zahrnující jen obytné stavby je to necelých 25 %. Zvýšení N_in, ?věnované? na kvalitu a trvanlivost použitých materiálů, zvýšení izolačních schopností apod., může přinést úsporu výrazně vyšších částek z pohledu N_celk. Tento pohled je jistě významný také při přípravě projektů PPP (veřejně soukromá partnerství), kde správné vyvážení nákladů a rizik mezi subjekty vstupujícími do takové aktivity je nezbytné (a mělo by být např. zahrnuto již do koncesionářské smlouvy). Přitom právě dlouhodobé hledisko bude pro veřejný sektor rozhodující.
Uvažuje se o zahrnutí i nákladů spojených s odstraněním environmentálních dopadů souvisejících s realizací a provozem konkrétního objektu - např. prostřednictvím environmentální daně.

Důsledky pro rozhodování investora

V souvislosti s údaji z předchozích dvou kapitol by měl prozíravý cílový investor/uživatel posoudit efektivitu především následujících parametrů projektu:

• celkové náklady v rámci životního cyklu - často označované LCC (Life Cycle Cost);
• hodnocení životního cyklu z hlediska dopadů na životní prostředí - LCA (Life Cycle Assessment);
• cílovou (návrhovou, požadovanou) životnost t_D.

Důležitou okolností je spolehlivost konstrukce. Připomeňme, že míru spolehlivosti udávají hodnoty pravděpodobnosti p vzniku poruchy, resp. hodnoty indexu spolehlivosti β, stanovené pro sledovaný mezní stav - blíže viz [9]. Vyšetřovat je nutno mezní stavy únosnosti a použitelnosti (vč. hledisek trvanlivosti). Pro únosnost vždy, a pro použitelnost často (např. u limitů deformací), jsou mezní stavy a relevantní hodnoty míry spolehlivosti předepsány (ČSN, Eurokódy) a projektant nemá důvod v tomto ohledu nijak zasahovat. Poznamenejme, že např. dle normy [7] se pro mezní stavy únosnosti (ULS) ustanovuje návrhová (cílová) hodnota indexu spolehlivosti β_d = 3,8 a pro mezní stav použitelnosti (SLS) β_d = 1,5 pro referenční dobu 50 let. Při navrhování konstrukce se ale zpravidla postupuje metodou dílčích součinitelů spolehlivosti, tzn. aktuální spolehlivost návrhu je dána dosti složitou kombinací charakteristických hodnot vstupujících veličin a dílčích součinitelů spolehlivosti. Projektantovi tedy zůstane míra spolehlivosti jím navrhované konstrukce, neznámá metoda vlastně poskytuje jen informaci typu ANO-NE, spolehlivost však nijak nekvantifikuje. Statik proto i z těchto důvodů nemůže vyhodnocovat alternativy konstrukčních řešení, alternativy životnosti, srovnávat, optimalizovat a tudíž také nemůže hodnotit/optimalizovat celkové náklady, protože poslední tři členy součtu (1) jsou ovlivněny hodnotami teoretické pravděpodobnosti vzniku poruch, transformovanými obvykle na odpovídající hodnoty indexu spolehlivosti.
Pro jevy související s životností, které obvykle neohrožují přímo bezpečnost lidí a základní funkce objektu, ale mají výrazný ekonomický dopad pro klienta (investora, uživatele), je nutno rozhodnutí o t_D a β_d ponechat jemu! Je dlužno říci, že v normě [7] jsou v tab. 2.1 uvedeny informativní návrhové životnosti v pěti kategoriích a v 3.4, poznámka 2, se říká: ?Požadavky na použitelnost jsou obvykle dohodnuty zvlášť pro každý jednotlivý projekt?. Vazba na relevantní hodnoty β_d však není uvedena. Připravované dokumenty [10] a [11] již zdůrazňují možnost investora volit životnost a návrhový index spolehlivosti odpovídající jeho požadavkům a zavádějí mezní stavy trvanlivosti (DLS), spadající formálně spíše do dosavadní kategorie SLS. Přitom se diskutují i hodnoty β_d ≥ 0,8, příp. i hodnoty nižší. Investor by tedy měl zodpovědně rozhodnout také:

• o volbě (definici mezního stavu) stavů životnosti (použitelnosti) a relevantní návrhové hodnotě indexu spolehlivosti pro nosné konstrukce;
• o limitech dalších užitných vlastností (a případně jim odpovídajících mezních stavech).

Pozn.: přitom je nutné uvážit i možnou vyměnitelnost prvku a jeho přístupnost pro údržbu.

Další požadavky investora

Investor/uživatel (zejména tzv. konečný - cílový investor) by měl také požadovat u projektanta a prováděcí firmy:

• konzultace a součinnost při rozhodování o výše uvedených bodech;
• kompletní dokumentaci skutečného provedení stavby v papírové i digitální formě;
• doklady o certifikaci použitých konstrukčních prvků;
• ?návod? k užívání stavby: plán inspekcí, údržby;
• technický pasport budovy obsahující zejména:
  - energetický průkaz a energetický štítek budovy - zařazení energetické účinnosti řešení domu (v současnosti je v ČR uplatňována metodika podle ČSN 73 0540-2 - výsledkem je obdobný štítek, jaký je používán u elektrospotřebičů);
  - technické údaje o použitých materiálech a konstrukčních prvcích, včetně trvanlivosti, zdravotní nezávadnosti, recyklovatelnosti, podmínek pro údržbu (zajištění dlouhodobé funkce a spolehlivosti) apod.

Závěr

Komplexní hodnocení kvality budov z hlediska širokého spektra kritérií udržitelnosti s výsledným zařazením (ratingem) do kvalitativní stupnice se v některých zemích stává běžnou součástí návrhového procesu a někde i výrazným marketingovým nástrojem. Např. v USA se hodnocení prostřednictvím metodiky LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) stalo běžně používanou metodou, vyžadovanou investory i uživateli. Vlastníci budov považují za svoji prestiž, že jejich budova je certifikována systémem LEED s vysokým stupněm hodnocení (Certified/Bronze/Silver/Gold/Platinum). Na budovách jsou na význačném místě umísťovány cedule s informací o dosažené úrovni hodnocení systémem LEED. Z komplexního hodnocení kvality budovy se tak současně stává marketingový nástroj, který zpětně vyžaduje po projektantech nové pojetí návrhového procesu zahrnujícího celé spektrum kritérií udržitelnosti.
Novou a doposud zřejmě málo využívanou možností integrovaného navrhování je tak ovlivnění ekonomických výsledků (z dlouhodobého pohledu) prostřednictvím volby vhodné úrovně spolehlivosti ve vazbě na trvanlivost/životnost konstrukce. Vhodnou volbou/optimalizací lze tak také příznivě ovlivnit environmentální dopady.

Tento příspěvek byl vypracován za finančního přispění MŠMT ČR v rámci činnosti centra CIDEAS - projekt 1M0579.

Použitá literatura
[1] HÁJEK, P.,KASÍKOVÁ, S., TYWONIAK, J.: Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu. Překlad CIB Report Publication 237. Praha: ČVUT, 2001. ISBN 80-01-02467-9.
[2] ČSN EN ISO 14040-14049 - Environmentální management - Posuzování životního cyklu. Soubor norem. ČNI 1998-2001.
[3] HÁJEK, P., TYWONIAK, J.: Udržitelná výstavba budov. Stavební listy 12-13/2002. Praha: 2002. ISSN 1211-4790.
[4] Udržitelná výstavba/Sustainable Construction. [online]. www.substance.cz/ČVUT
[5] TYWONIAK, J.: Moderní budovy a udržitelné stavění. Inženýrská komora 2001. Praha: ČKAIT, 2001.
[6] HÁJEK, P.: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj. Stavební ročenka 2004. Bratislava: Jaga group, 2003.
[7] ČSN EN 1990 - Zásady navrhování. Česká technická norma, ČNI, 2003.
[8] TEPLÝ, B.:Trvanlivost - náklady - spolehlivost konstrukcí. Beton TKS 3/2005, s. 3-5.
[9] TEPLÝ, B.: Mezní stavy včera, dnes a zítra. Stavební obzor, 7/2005, s. 193-196.
[10] ISO WD 13823 General principles on the Design of Structures for Durability (technická komise ISO/TC 98, Bases for Design of Structures, subkomise SC 2, WG 10, dokument v prvním stupni schvalovacího procesu).
[11] fib Model Code 2008. Part: Service Life Design. fib Bulletin, No. 34, 2006.