Posuzování environmentálních dopadů konstrukčního systému TiCo

V článku jsou představena environmentální vyhodnocení celého systému, která vznikla v průběhu projektu mj. s využitím informačního modelu (BIM) a porovnávala tento systém s konvenčními způsoby výstavby. Jsou popsána úskalí, jež jsou spjata s využíváním informačních modelů při vyhodnocování environmentálních dopadů staveb, a jsou shrnuta řešení a otázky, kterými by se měl další rozvoj propojení BIM s environmentálními indikátory ubírat.

Úvod

Stavebnictví je jedním z šesti hlavních odvětví, která mají značný potenciál snižovat emise skleníkových plynů [1], podpořit zmírňování změny klimatu [2] a mohou také významně přispět ke zlepšení energetické účinnosti a vést ke zmírňování globálního oteplování [2]. Aby bylo možné určit, která opatření vedou ke snížení environmentální zátěže objektu a kvantifikovat je, potřebujeme výpočetní nástroj. Existuje mnoho metod pro stanovení vlivu objektu na životní prostředí. V tomto článku je využita metoda LCA (Life Cycle Assessment), tedy hodnocení z hlediska celého životního cyklu.

Změny z hlediska vlivu na životní prostředí z pohledu stávajících budov ve střední Evropě znamenají především snižování provozní energie na vytápění zlepšením tepelněizolačních vlastností obálky budovy, výměnou zdroje tepla nebo integrací obnovitelných zdrojů energie [3]. Oproti tomu u nových staveb je rozsah možných ekologických opatření větší. Kromě minimalizace provozních dopadů je možné se věnovat i snižování svázaných dopadů. Označujeme jimi ty, které vznikají v důsledku výroby použitých stavebních materiálů a výrobků. Díky minimalizaci provozních dopadů začínají mít svázané dopady významný podíl na celkovém vlivu na životní prostředí.

ČVUT UCEEB (České vysoké učení technické v Praze – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov) se dlouhodobě věnuje posuzování staveb z hlediska dopadů na životní prostředí. V tomto příspěvku jsou prezentovány výsledky environmentálních vyhodnocení stavebního systému TiCo (Timber – Concrete), tedy systému využívajícího kladné vlastnosti dřeva a betonu. Hlavním cílem tohoto projektu je vytvořit cenově dostupný standardizovaný systém výstavby bytů s rychlou montáží na místě a nízkým dopadem na životní prostředí. Hlavní konstrukční funkci plní subtilní prefabrikovaný železobetonový skelet se stropními panely odlehčenými vložkami z expandovaného polystyrenu. Obálka budovy a vnitřní příčky jsou vyrobeny z prefabrikovaných dřevěných rámových panelů. Hlavním řešitelem projektu byla firma RD Rýmařov s.r.o. (výrobce montovaných dřevostaveb), výzkumným partnerem ČVUT UCEEB a dalším komerčním partnerem je firma ŽPSV s.r.o., výrobce prefabrikovaných betonových prvků. V rámci tohoto projektu vznikl experimentální objekt, na kterém byl různými způsoby a s užitím odlišných forem dokumentace vyhodnocen dopad na životní prostředí. Cílem tohoto příspěvku je popsat, jak se během projektu postupně upravují environmentální vyhodnocení a shrnout poznatky z procesu tvorby studií.

V současné době se stavebnictví v rámci digitalizace transformuje a standardem se stává informační model (tzv. BIM – Building Information Modeling), dále jen model. Ten může výrazně pomoci při tvoření LCA studií, zejména díky automatickému vygenerování různých výkazů. Obě problematiky jsou ve stavebnictví poměrně nové a v současné době nejsou využívány veškeré jejich výhody.

Metody posuzování

Environmentální posouzení (zjednodušené LCA)
Vyhodnocení dopadů stavby na životní prostředí z hlediska celého životního cyklu (LCA) je komplexním nástrojem, který je klíčový z hlediska hodnocení udržitelnosti. Z toho důvodu je často zjednodušeně používán při komplexním hodnocení kvality budovy. Česká certifikační metodika pro komplexní hodnocení budov z hlediska udržitelnosti se nazývá SBToolCZ [4]. Na rozdíl od podobných certifikačních systémů ze zahraničí, např. LEED nebo BREEAM, zohledňuje lokální klimatické i legislativní podmínky v České republice.

Hlavní kategorie kritérií v SBToolCZ jsou tři pilíře udržitelnosti: environmentální, ekonomické a sociální. Environmentální kategorie obsahuje čtrnáct kritérií a šest z nich se zabývá kvantifikovanými ukazateli zjednodušené LCA:
■ PEI – spotřeba primární energie (Primary Energy Input);
■ GWP – potenciál globálního oteplování (Global Warming Potential);
■ AP – potenciál okyselení prostředí (Acidification Potential);
■ EP – potenciál eutrofizace prostředí (Eutrophication Potential);
■ ODP – potenciál ničení ozonové vrstvy (Ozone Depletion Potential);
■ POCP – potenciál tvorby přízemního ozonu (Photochemical Ozone Creation Potential).

Indikátory PEI a GWP v SBToolCZ mají jednu z největších vah. U bytových domů je to 32 % (PEI 22,3 % a GWP 9,7 %) ze všech environmentálních kritérií. Další čtyři ukazatele dosahují maximální váhy 5 %. Z tohoto důvodu byly pro zjednodušení těchto posouzení vybrány pouze indikátory PEI, respektive nPEI (spotřeba neobnovitelné primární energie) a GWP. Zjednodušené LCA se zabývá pouze stěžejními fázemi celého životního cyklu: fází výroby (A1-A3) a fází užívání (B6 provozní energie a částečně B4 výměna), viz obr. 2, 3. Metodika SBToolCZ hodnotí i ostatní fáze životního cyklu (dopravu, spotřebu vody či fáze konce životního cyklu...), ale jinými indikátory, které nejsou kompatibilní s metodou LCA pro budovy (ČSN EN 15978 [6]), jsou však méně složité na výpočet a vyhodnocení. Životnost objektu se uvažuje padesát let.

Jak je patrné z obr. 2, největší váhu má v životním cyklu provoz budovy. To se však aktuálně, s rostoucí energetickou efektivitou budov, dramaticky mění a dopad zabudovaných emisí vzrůstá. Na základě mezinárodní analýzy [7] lze předpokládat, že tento vliv bude narůstat až na cca 50 %, tedy že svázané dopady budou přibližně stejné jako provozní. Pro vyhodnocení svázaných dopadů se v SBToolCZ používá česká environmentální databáze Envimat [8]. U některých hodnocení byl záměr některé materiály popsat detailněji a zároveň pro konzistenci použít pouze jeden zdroj generických dat, a proto byla použita obsáhlejší švýcarská databáze Ecoinvent [9], z něhož Envimat vychází. Metodika výpočtu dat je tedy v obou databázích totožná.

Experimentální objekt
V projektu TiCo je minimalizace environmentálních dopadů podpořena maximální mírou prefabrikace, která značně usnadní demontáž budovy na konci jejího životního cyklu. U prefabrikace jsou stěžejními body montáž a spoje jednotlivých dílů. Z toho důvodu vznikl v rámci projektu experimentální objekt, který představuje plnohodnotnou část skutečné vícepodlažní obytné budovy a v tomto článku je funkční jednotkou. Jedná se o dvoupodlažní objekt s plochou střechou, půdorysnými rozměry 11,85 × 10,93 m. Obsahuje tři bytové jednotky různých standardů. Detailněji se popisu daného stavebního systému a experimentálnímu objektu věnuje volně dostupný článek na serveru TZBinfo [10]. Objekt se nachází na experimentální ploše ČVUT UCEEB v Buštěhradu (obr. 1, 4, 6).

Informační model objektu
Od počátku projektu TiCo bylo uvažováno s vytvořením modelu stavby. Jedná se o několikaletý výzkumný projekt, takže jsme měli možnost pracovat s modely v různém detailu. Během úvodní fáze návrhu prototypu vznikl model podrobnosti LOD300 (Level of Development) [11]. Po dopracování podrobného návrhu byl tento model aktualizován zhruba do úrovně LOD350. Klíčovým bodem projektu byla návaznost železobetonových a dřevěných konstrukcí, takže například stěny již byly vymodelovány včetně dřevěných profilů (sloupky, horizontální ztužidla atd.). Geometrie těchto elementů je následně pospojována tak, aby nedocházelo k duplicitám ve výpočtu objemů (sloupek a tepelná izolace apod.). Model při výpočtu environmentálních dopadů stavby slouží zejména jako výkaz výměr. Tento model však obsahuje řadu zjednodušujících detailů, se kterými je třeba počítat v následném exportu dat mimo BIM software.

Mezi nejčastější zjednodušení patří:
■ chybějící výztuž v železobetonu;
■ chybějící spojovací materiály (hřebíky, vruty, kotvy);
■ zjednodušené modelování výplní otvorů;
■ zjednodušené modelování řady detailů stavební konstrukce (věnec, ztužidla);
■ modelování plošných konstrukcí po vrstvách a zanedbání části konstrukce (rektifikační terče).

Další překážkou mohou být specifika jednotlivých softwarů, které se často chovají jinak, než by uživatel očekával. To může být spojeno za prvé s jinými zvyklostmi v zemi, kde je software vyvíjen, za druhé neodborným překladem softwaru do češtiny. Problematické mohou být zejména:
■ hodnoty uvedené jako plocha jsou často plocha povrchu. Je tedy třeba maximálně obezřetně používat exportované hodnoty;
■ některé specifické elementy se obtížně vykazují do výkazu materiálu, například zábradlí, okapy, hrany střechy apod.

Na všechna tato specifika je nutno brát zřetel a v následném výpočtu environmentálních dopadů je za prvé zanedbat, nebo za druhé dopočítat ručně. Pokud je správně pospojována geometrie modelu, objemy jednotlivých materiálů jsou správné.

Dalším důležitým tématem je místo, kde se bude environmentální výpočet provádět. V zásadě je možno využít tři způsoby, přičemž každá z možností má svá specifika.
■ V BIM softwaru
Nejjednodušší, ale také nejméně přesná metoda. Zanedbává se při ní většina zmíněných specifik modelu. Také klade vysoké nároky na projektanta (kromě své profese musí rozumět i problematice environmentálních výpočtů). Vhodná pro hrubé výpočty.
■ Ve vlastním prostředí (Excel)
Ruční metoda, která při dostatečné znalosti odbourá všechny zmíněné problematické body. Vhodná pro detailní výpočty.
■ Ve specializovaném pluginu v BIM softwaru (One Click LCA, Tally)
Tato metoda může také poskytnout relevantní výstupy, avšak je nutná licence tohoto softwaru. Tyto doplňky jsou vyvíjeny v zahraničí, je tedy nezbytná znalost problematiky v angličtině. Metoda je vhodná zejména pro použití v mezinárodním prostředí. Pro účely tohoto projektu byla využita kombinace 1. a 2. metody. Jako modelovací nástroj byl zvolen Autodesk Revit 2021.

Výsledky

Díky projektu TiCo jsme jako výzkumná organizace měli mimo jiné možnost provádět LCA studie v několika fázích projektu různými způsoby. V počátcích vznikla LCA studie zaměřená na porovnání s jinými konstrukčními systémy. Porovnání různých variant je častým způsobem využití LCA studií. Bylo posuzováno pět variant plánovaných pětipodlažních bytových domů:
■ V1 systém TiCo (prefa);
■ V2 systém podobný systému TiCo, ale s betonáží na místě;
■ V3 železobetonový skelet s vyzdívkou z keramických tvárnic;
■ V4 keramické tvárnice;
■ V5 celodřevěná varianta.