DFMA ТА DFD – ІНЖЕНЕРІЯ ЕФЕКТИВНОГО ТА РОЗБІРНОГО ДИЗАЙНУ

Принципи Design for Manufacture and Assembly (DfMA) спрямовані на спрощення виробництва та монтажу будівельних елементів, що є особливо актуальним для великопанельних технологій, таких як CLT. DfMA включає стандартизацію, модульність та мінімізацію кількості компонентів, що значно скорочує час будівництва, зменшує відходи на будмайданчику та підвищує якість. Для “екологічного будинку” з CLT це означає, що кожен елемент, від стінової панелі до вузла кріплення, розробляється з урахуванням його життєвого циклу.

Застосування DfMA до CLT дозволяє оптимізувати виробничі процеси на заводі, використовуючи точне ЧПК обладнання для різання панелей з мінімальними відходами. Це забезпечує високу геометричну точність і значно прискорює монтаж на ділянці, оскільки елементи прибувають готовими до встановлення. Крім того, проєктування DfMA полегшує інтеграцію інженерних систем, таких як електрика та сантехніка, зменшуючи потребу в складних роботах на місці. В результаті, будівництво стає більш передбачуваним, швидким і, що найважливіше, більш контрольованим з точки зору якості та впливу на довкілля. Для отримання додаткової інформації про загальне проєктування, відвідайте сторінку проєкти.

Ключовим аспектом DfMA є також Design for Disassembly (DfD) – проєктування, яке передбачає легке та ефективне розбирання будівлі або її частин після закінчення терміну експлуатації. Це дозволяє повторно використовувати матеріали, зменшуючи потребу в первинних ресурсах та мінімізуючи обсяг відходів, що потрапляють на звалища. У випадку CLT, це може означати можливість повторного використання цілих панелей або їхніх частин для інших проєктів, що надає деревині “друге життя” та сприяє ідеям кругової економіки. Наприклад, CLT панелі класу GL24h, що використовуються для несучих стін, можуть бути демонтовані та повторно використані в менш навантажених конструкціях або як сировина для нових виробів з деревини.

Це передбачає використання реверсивних кріплень, таких як болти та гвинти, замість нероз’ємних з’єднань, що робить демонтаж швидшим і менш руйнівним. Завдяки таким підходам, ми не просто будуємо, а створюємо активи, які зберігають свою цінність далеко за межами першого життєвого циклу будівлі, підтримуючи принципи сталого розвитку та відповідального використання природних ресурсів. Метою є не лише зменшення відходів, а й збереження енергії, необхідної для виробництва нових матеріалів, а також зниження викидів CO₂.

Проєктування для демонтажу (DfD) є невід’ємною частиною DfMA, що передбачає створення будівель, які можуть бути легко, безпечно та ефективно розібрані після закінчення їхнього терміну служби, або у випадку модифікації. При застосуванні DfD до CLT панелей, акцент робиться на виборі конструктивних рішень, які дозволяють зберігати структурну цілісність елементів при демонтажі для їхнього повторного використання або переробки.

Основним принципом DfD є використання механічних, реверсивних кріплень замість хімічних або зварних з’єднань, які ускладнюють або унеможливлюють демонтаж без руйнування матеріалів. Для CLT це означає відмову від клеїв, що не дозволяють роз’єднати шари деревини, та перевагу перед металевими пластинами, які з’єднуються намертво. Замість цього використовуються болти, гвинти, шпильки та спеціальні металеві з’єднувачі, які можна легко відкрутити або витягти. Це дозволяє зберегти несучі елементи з CLT, таких як стіни та перекриття, у стані, придатному для повторного застосування.

На етапі проєктування критично важливо задокументувати всі деталі кріплень та розташування інженерних систем. Створення “паспорта будівлі”, який містить інформацію про матеріали, з’єднання та послідовність демонтажу, є ключовим для майбутніх робіт. Це дозволяє не лише планувати демонтаж, але й оцінювати потенційну вартість та ефективність повторного використання компонентів. Наприклад, CLT панелі товщиною 120 мм для стін та 160 мм для перекриттів, при правильному проєктуванні та використанні відповідних кріплень, можуть бути демонтовані та транспортовані для нового проєкту, зберігаючи свої механічні властивості та теплотехнічні характеристики (наприклад, теплопровідність λ = 0.13 Вт/(м·К)).

Щоб забезпечити належну інтеграцію інженерних систем, які також повинні бути розбірними, слід звернути увагу на системи вентиляції. Правильне планування каналів та вузлів підключення дозволяє їх легко від’єднати без пошкодження навколишніх конструкцій. Це, у свою чергу, знижує загальні витрати на демонтаж та підвищує економічну привабливість переходу до кругової економіки в будівництві.

Вибір і оптимізація вузлів кріплення є центральним елементом Design for Disassembly (DfD), особливо для конструкцій з CLT. Метою є забезпечення міцності та стабільності будівлі протягом усього її терміну експлуатації, а також можливість легкого розбирання для повторного використання матеріалів. Традиційні методи, такі як цвяхи або клейові з’єднання, ускладнюють або унеможливлюють демонтаж без пошкодження елементів.

Для CLT панелей перевагу надають механічним з’єднанням. До них відносяться болтові з’єднання, саморізи великого діаметру, шпильки з різьбою та спеціалізовані металеві кронштейни. Ці кріплення дозволяють легко демонтувати елементи, використовуючи стандартні інструменти. Наприклад, для з’єднання стінових панелей CLT між собою та з перекриттями часто застосовуються болти М16 або М20 з фланцевими гайками та шайбами, що забезпечують необхідну жорсткість з’єднання і водночас дозволяють швидке розбирання.

При проєктуванні таких вузлів необхідно враховувати стандарти, такі як EN 1995-1-1 (Єврокод 5), який регулює проєктування дерев’яних конструкцій. Цей стандарт надає вказівки щодо розрахунку несучої здатності болтових і гвинтових з’єднань, забезпечуючи їхню надійність. Важливо також враховувати можливість зносу різьбових з’єднань після багаторазового використання. Для цього можна передбачити з’єднання з можливістю заміни окремих компонентів або застосовувати кріплення з підвищеною зносостійкістю, наприклад, з нержавіючої сталі.

Для вертикальних з’єднань CLT панелей можуть використовуватися шпонкові з’єднання з дерев’яними або сталевими шпонками, які фіксуються болтами. Це дозволяє передавати значні навантаження та водночас забезпечує реверсивність. Наприклад, з’єднання двох CLT стін товщиною 140 мм з використанням двох рядів болтів M16 із відстанню 200 мм між ними та 150 мм від краю панелі, здатне витримати значні зусилля на зсув, але при цьому дозволяє контрольований демонтаж. Правильний вибір і розташування кріплень забезпечує “здоров’я” деревини для будинку та її довговічне використання.

Вологісний режим є критичним фактором для довговічності дерев’яних конструкцій, зокрема CLT, а також для їхньої придатності до повторного використання після демонтажу. Неконтрольована волога може призвести до деформацій, гниття, утворення плісняви та значного зниження несучої здатності матеріалу, що унеможливить його подальше застосування.

Проєктування DfD передбачає не лише легкий демонтаж, але й збереження якості матеріалів протягом усього їхнього життєвого циклу. Для CLT це означає впровадження ефективних систем захисту від вологи на всіх етапах: від виробництва та транспортування до монтажу та експлуатації. На заводі CLT панелі виробляються з деревини з контрольованою вологістю (зазвичай 8-12%). Під час транспортування та зберігання вони повинні бути захищені від атмосферних опадів, а на будмайданчику – від прямих контактів з водою.

Під час експлуатації будівлі, управління вологісним режимом досягається за рахунок комплексних рішень: правильний дизайн покрівлі та водостічних систем, використання пароізоляційних та вітрозахисних мембран, а також ефективна система вентиляції. Наприклад, для стін з CLT панелей U-значення (коефіцієнт теплопередачі) може бути в діапазоні 0.15-0.20 Вт/(м²·К), але це значення може значно погіршитися при зволоженні теплоізоляції. Тому важливо забезпечити повітронепроникність оболонки будівлі (показник n50 за тестом Blower Door має бути менше 0.6 об/год для пасивних будинків) для запобігання конденсації вологи всередині конструкції.

Для забезпечення довговічності та можливості повторного використання, необхідно уникати використання гігроскопічних матеріалів, які вбирають і утримують вологу, у місцях потенційного контакту з вологою. Конструктивні рішення, які передбачають відведення вологи від дерев’яних елементів (наприклад, вентильовані фасади, захист основи стін від підняття капілярної вологи), є обов’язковими. Також, важливо враховувати вплив кліматичних факторів, таких як опади та відносна вологість повітря, на обрані матеріали та захисні покриття. Завдяки цьому елементи, такі як конструкції з CLT, залишатимуться придатними для вторинного використання.

Скандинавські країни є лідерами у впровадженні принципів DfMA та DfD, особливо у будівництві з деревини. Суворі кліматичні умови, високі вимоги до енергоефективності та сталого розвитку стимулювали розробку інноваційних рішень, які дозволяють створювати довговічні, “екологічні будинки” з можливістю демонтажу та повторного використання компонентів. Скандинавські проєкти часто демонструють, як інтеграція CLT з DfMA дозволяє досягти високої якості та екологічності.

Наприклад, у Швеції та Норвегії проєктування будівель з CLT передбачає модульність та використання реверсивних кріплень вже на етапі архітектурної концепції. Це дозволяє не лише прискорити будівництво, але й забезпечити легкий доступ для обслуговування, ремонту, а в майбутньому – для демонтажу. Скандинавські фахівці ретельно аналізують снігові та вітрові навантаження згідно з EN 1991-1-3 (снігові навантаження) та EN 1991-1-4 (вітрові навантаження), щоб проєктувати кріплення, які витримують екстремальні умови, але при цьому є розбірними. Для центральної Швеції снігові навантаження можуть досягати 2.5 кН/м², а вітрові – до 0.8 кН/м², що вимагає використання міцних болтових з’єднань, які водночас легко відкручуються.

Один з успішних кейсів – багатоповерховий житловий будинок в Умео, Швеція, повністю збудований з CLT панелей. Його проєктування включало DfD, що дозволило використовувати сухі механічні з’єднання для всіх основних елементів. Це означає, що теоретично, після закінчення терміну служби, більшість CLT панелей може бути демонтована та повторно використана в інших проєктах, зменшуючи відходи та споживання ресурсів. Досвід Скандинавії показує, що такий підхід не лише екологічний, але й економічно вигідний у довгостроковій перспективі, оскільки знижує витрати на утилізацію та створює цінність з вторинних матеріалів.

Ці уроки є надзвичайно цінними для інших регіонів, що прагнуть до сталого будівництва. Адаптація скандинавських практик до місцевих умов та нормативів може значно прискорити перехід до “екологічного будинку” та кругової економіки в будівельній галузі.

Сценарії демонтажу в рамках DfD передбачають не просто руйнування будівлі, а її контрольоване розбирання з метою збереження максимальної цінності компонентів. Існує кілька основних сценаріїв, кожен з яких має свої економічні та екологічні переваги:

1. Повторне використання компонентів (Reuse): Найвищий рівень DfD. Елементи, такі як цілі CLT панелі, балки, вікна, двері, демонтуються та встановлюються в нових будівлях без значної переробки. Економія: до 70-80% від вартості нових матеріалів.
2. Повторне використання матеріалів (Recycling): Якщо елементи не можуть бути використані повторно як єдине ціле, їх матеріали переробляються. Наприклад, CLT панелі можуть бути подрібнені для виробництва нової деревинної плити, паливних брикетів або компосту. Економія: до 30-50% від вартості первинних матеріалів.
3. Енергетична утилізація (Energy Recovery): Матеріали, які не підлягають повторному використанню або переробці, спалюються для виробництва енергії. Це мінімізує обсяг відходів на звалищах, але є менш ефективним з точки зору збереження ресурсів.

Економічна ефективність DfD проявляється у кількох аспектах. По-перше, знижуються витрати на утилізацію будівельних відходів. Замість оплати за вивезення та захоронення, компанії можуть отримувати дохід від продажу демонтованих компонентів. По-друге, зменшуються витрати на закупівлю нових матеріалів для майбутніх проєктів. По-третє, це створює нові бізнес-моделі у сфері “міського видобутку” та повторного використання матеріалів.

Порівняльна таблиця “Економіка життєвого циклу будівлі з CLT”

Наведені дані демонструють значні переваги DfMA та DfD для “екологічного будинку” з CLT. Це не лише про збереження природи, а й про розумну інвестицію у майбутнє, що забезпечує довгострокову економічну стабільність.

Перехід до кругової економіки є одним з найважливіших викликів та можливостей для сучасної будівельної галузі. Концепції DfMA та Design for Disassembly (DfD) є основоположними для реалізації цієї парадигми, оскільки вони перетворюють будівлі з кінцевих продуктів на банки матеріалів, які можуть бути використані знову і знову. “Екологічний будинок” завтрашнього дня – це не просто енергоефективна споруда, а конструкція, яка спроєктована для нескінченного циклу використання своїх елементів.

У майбутньому ми побачимо подальшу інтеграцію цифрових технологій з DfMA/DfD. Будівельні інформаційні моделі (BIM) стануть ще більш детальними, включаючи інформацію про кожен компонент, тип кріплення, походження матеріалу та потенційні сценарії демонтажу. Це дозволить створити цифрові паспорти матеріалів, що спростить і прискорить їхній облік та повторне використання. Розробка нових, більш досконалих та легких у демонтажі кріплень також буде пріоритетом. Універсальні роз’ємні з’єднання, що не потребують спеціалізованого інструменту, або “розумні” кріплення, які можуть самостійно сигналізувати про необхідність заміни чи демонтажу, змінять підхід до експлуатації будівель.

Законодавчі та нормативні акти також еволюціонуватимуть, щоб стимулювати DfMA та DfD. Вже зараз у деяких країнах Європи існують програми заохочення для будівель, що відповідають принципам кругової економіки. Очікується, що впровадження обов’язкових вимог до демонтажності та можливості повторного використання матеріалів стане стандартом. Це створить ринок для вторинних будівельних матеріалів та нові робочі місця у сфері “міського видобутку” та переробки.

CLT, як відновлюваний матеріал з високою міцністю та можливостями префабрикації, відіграватиме ключову роль у цьому майбутньому. Його здатність бути легко демонтованим і повторно використаним робить його ідеальним кандидатом для будівництва, орієнтованого на кругову економіку. Інвестиції у дослідження та розробки в цій галузі є критично важливими для формування стійкого, ресурсоефективного та екологічно відповідального будівельного сектора.

DfMA та Design for Disassembly є не просто методиками, а фундаментальними принципами, які переосмислюють будівельний процес, перетворюючи його на відповідальний та стало орієнтований. Завдяки цим підходам, “екологічний будинок” стає реальністю, де кожен елемент має цінність не лише протягом першого життєвого циклу будівлі, але й далеко за його межами. Застосування DfMA до CLT конструкцій дозволяє створювати високоякісні, енергоефективні та гнучкі будівлі, які можна легко адаптувати до мінливих потреб або демонтувати для повторного використання компонентів.

Ключовими висновками є важливість інтегрованого проєктування, що враховує весь життєвий цикл матеріалів, від виробництва до повторного використання. Оптимізація вузлів кріплення для можливості демонтажу, ретельний контроль за вологісним режимом та адаптація до кліматичних умов (як це демонструє скандинавський досвід) – все це сприяє створенню стійких та “екологічних будинків”. Перехід до кругової економіки у будівництві з DfMA – це не лише екологічна необхідність, а й економічна можливість, що відкриває нові ринки та бізнес-моделі.

Для будівельної галузі це означає інвестиції в інновації, навчання персоналу та впровадження передових технологій. Лише через систематичне застосування DfMA та DfD ми зможемо побудувати майбутнє, де будівлі є не лише прихистком, а й джерелом цінних ресурсів для наступних поколінь.