Архитектура от естествени строителни материали: здравословна, комфортна и климатично неутрална жизнена среда

Използването на естествени строителни материали, които са традиционни, здравословни и екологични, е ключово за опазване на природата и смекчаване на климатичните промени

Естествените строителни материали са традиционно строително решение и тенденция в съвременната архитектура, която цели здравословна, екологична комфортна жизнена среда, с нисък отпечатък на въглеродните емисии на достъпна цена. Естествените материали имат широко приложение заради множеството си предимства, свързани със здравословния микроклимат, природосъобразност, икономически и социални фактори.

„Човек е домът, в който живее“: история за къщата „изваяна от глина“

Една от любимите ми немски поговорки е свързана с кулинарното изкуство и гласи: „Човек е това, с което се храни“ (“Mann ist, was man isst”) може да бъде перефразирана и към архитектурно – строителната практика: „Човек е домът, в който живее“.

След приключване на висшето си образование по архитектура, продължих да търся своето призвание – свързано с екологична архитектура и природосъобразно строителство, които ме отведоха до семинарите, които организираха колегите от Асоциация за строителство с естествени материали (АСЕМ). Първите практическите обучения, които посетих, бяха организирани от арх. Георги Георгиев в родово имение „Обичковци“, намиращо се в близост до величествените белоградчишки скални феномени. Проектът е образователна “школа” за обучение на професионалисти и доброволци в използването на техники за строителство с глина: ръчно направени топки от глина (“коб”), пресовани земни блокове, непечени кирпичени тухли с добавена слама, “пълзящ” кофраж, “валци”, глинени мазилки и прочее.

Фигура 1: Имение „Обичковци“. Източник.

Основната къща, обект на демонстрация и практика, е изградена изцяло от естествени материали, като различни строителни техники с използване на глина директно от терена са комбинирани по вдъхновяващ и умел начин: „коб“ и непечени кирпичени тухли, изграждащи включително прозоречни арки и тавански сводове – в съчетание с камък, дърво и множество декоративни елементи, включително две лястовици и костенурка, изрисувани от глинени мазилки. Сградата е увенчана с цъфтящ озеленен покрив.

Теорията и хилядолетната история доказват множеството предимства на естествените материали, а намирайки се в подобен дом успях да усетя благоприятното чувство от здравословната и хармонична жизнена среда с постоянна и оптимална температура и влажност на въздуха. Попаднах на думи, изваяни от глина, върху една колона: „Любов и благодарност – тук и сега“. Усещах, че вложената невидима енергия в дома носи заряд на благодарност към Майката Земя – нашият общ дом, даряващ ни с всичко необходимо, включително и с глината, вложена в сградата.

Фигура 2: Имение „Обичковци“. Източник.

Кои строителни материали са естествени?

Терминът „естествени материали“ е свързан с материалите, които могат да бъдат открити като суровини в природата, например под формата на растителност, в земни недра и почвени слоеве и т.н., и могат да бъдат използвани за строителни нужни директно или след човешка обработка, включително и чрез производствени процеси за придаване на определена форма и размер, но без химическа, термична и друга намеса, променяща структурата и свойствата на материалите. Повечето естествени строителни материали притежават и естетически качества.

Основните естествени строителни материали са: 

• Дърво: в това число и производни елементи от дърво като строителна конструктивна дървесина (колонно-гредова или масивна), дървесен топлоизолационен фазер, дървесни влакна, корк, шиндли от дърво, интериорни и екстериорни обшивки (смърч, бор, ясен, ела), мебели и обекти на интериорния дизайн и др.
• Глинa: приложима под формата на кирпичени (непечени тухли), плетарка, коб, пресовани блокове, трамбована земна маса, лека глина, глинени подове, вътрешни и външни мазилки и т.н.
• Слама: отличен топлоизолационен материал, подходящ и за префабрицирани конструкции и строителство чрез принципите на „направи си сам“.
• Камък: основните използвани материали са варовик, мрамор, гранит, базалт, травертин, които са приложими за конструктивни, облицовъчни и естетически функции.
• Тръстика: подходяща за изграждане на покривно покритие, топло- и шумоизолационни рогозки, подходящи като вътрешна изолация и подложка за мазилки от естествени материали.
• Коноп: приложим под формата на топлоизолационна вата и като „конопобетон“ – в смес заедно с вар – подходящ материал за топлоизолационен пълнеж в стени, изпълнени от дървена конструкция.
• Строителна вар: подходящ материал за екстериорни и интериорни „дишащи“ мазилки, както и като съставен елемент за различни строителни смеси.
• Бамбук: много здрав конструктивен материал със сходна якост на натиск със стоманата и двойно по-висока якост на натиск от бетона. Бамбукът е подходящ за структурни елементи, за покривни и стенни покрития, рогозки/панели, слънцезащитни елементи, интериорен дизайн и мебели.
• Корк: естествен материал с много ниско собствено тегло, подходящ за топло- и шумоизолация и приложим в подови, стенни покривни конструкции, вкл. и за интериорни решения.
• Естествени влакна, вкл. кокосови влакна, сизал, лен, юта, тръстика, вълна – материали, подходящи за топлоизолация.
• Масла, напр. ленено масло за импрегнация на дървен материал и глинени мазилки.
• Рециклирани материали, като например целулоза.

Част от материалите изискват допълнителна обработка, за да бъдат използвани за строителни цели. Дървеният материал например изисква относително малка обработка – едно дърво може да бъде нарязано на малки съставни елементи, които да се използват директно след сушене. Глината обаче изисква допълнителен труд, за да се превърне в тухли и преминава през добив, оформяне, печене и сушене.

Необходимо е да се отбележи, че материали като желязо, алуминий, пясък и др., които се откриват естествено в природата, не са класифицирани като „естествени строителни материали“, защото са неорганични, изискват сериозен производствен процес, обикновено с индустриален характер или са лишени от естетически качества.

Фигура 3: Естествени екологични материали: слама, камък, глина, дърво, бамбук, земна маса, коноп, вар, корк, Източник.

Кои са предимствата на естествените строителни материали? 

Устойчивото развитие е свързано с балансирана човешка дейности в рамките на три аспекта: екология, икономика и социум. В контекста на трите посоки на устойчиво развитие бихме могли да разгледаме и предимствата на естествените материали.

Важно екологично предимство е здравословният микроклимат и „сградната биология“ 

Естествените материали притежават способността да регулират по естествен начин температурата и влажността, като акумулират топлина или хлад на денонощна или сезонна база и отдават топлина в студените периоди или охлаждат в топлите, както и абсорбират влага от въздуха при повишени нива и я освобождават обратно при сух въздух – и в резултат се създават целогодишно оптимални и благоприятни условия за живот.

Фигура 4: Естествени екологични материали осигуряват оптимална температура и влажност, Източник.

Естествените материали са отлични топлоизолатори и са напълно конкурентоспособни спрямо параметрите на водещите, индустриално произведени топлоизолационни материали като EPS, XPS, минерална (стъклена и каменна) вата и др. Бърза калкулация по сградна физика показва, че външна стена на сграда, изпълнена с добре пресовани сламени бали с дебелина от 36 – 40 см, покрива минималните изисквания на стандарта за „Пасивна сграда“ за стойности на коефициента на топлопреминаване, която се равнява на стена изпълнена с 34 см топлоизолация от стъклена вата, поставена между дървена конструкция. 

Фигура 5: Естествени екологични материали осигуряват отлична топлоизолация, Източник.

Естествените материали като глина, вар и др. или комбинация от техники и материали имат голяма термална маса – те осигуряват естествено акумулиране и съхраняване на топлина или хлад в ограждащите елементи на сградата като по-този начин сградите са топли през зимата, когато акумулират топлина, напр. от слънцето през деня и остават хладни през летния сезон, акумулирайки хлад през нощта. В резултат на това разходите за климатизация се понижават, а грижата за природата и климата се увеличава, защото е научно установено, че използването на термална маса намалява необходимата енергия за охлаждане на жилищни сгради до 75%.

Фигура 6: Естествени екологични материали намаляват енергията и разходите за климатизация чрез термална маса, Източник.

Паропропускливостта е естествено движение на водните пари при „дишащите“ и въздухоплътни материали. Естествените материали позволяват изпълнението на дифузионно-отворени („дишащи“) ограждащи елементи, като стени и покриви, които позволяват свободно движение на водните молекули през структурата и излизането на влагата навън, което предпазва от образуване на влага, мухъл, нездравословни плесени, водещи до редица заболявания и т.н. 

Естествените материали са и въздухоплътни и при правилно изпълнение предпазват от нежелани въздушни течения през външната обвивка на сградата, които водят до топлозагуби и дискомфорт през студения сезон, респективно до повишени експлоатационни разходи и преразход на природни ресурси.

Фигура 7: Предимства на естествените екологични материали, Източник.

Естествените материали осигуряват и оптимална звукоизолация на сградата. Например стена от слама с дебелина от 35 см и двустранно измазана с глинена мазилка от 2,5 см осигурява звукоизолация от около 55 dB; съвременна тухлена стена и преградна стена с пълнеж от минерална вата и двустранно поставен единичен слой гипсокартон изолират около 45 dB въздушен шум.

Фигура 8: Предимства на естествените екологични материали, Източник.

Доказано е, че естествените материали като глината, използвана с различни строителни техники, намаляват влиянието на електромагнитните вълни, които ни заобикалят вследствие на бързото нарастване на изкуствените източници на електромагнитно излъчване в края на 20 век.

Друго важно предимство на естествените материали е, че осигуряват по-добра безопасност при земетръс и ветрозащита. Множество изследвания показват устойчивост на земетресения дори до 8-ма степен по Рихтер на сгради, изпълнени дори единствено и само от сламени бали, без допълнителна носеща стенна конструкция. Съвременните сгради от естествени материали се проектират със стандартна носеща конструкция, напр. от дърво, бамбук и т.н. и отговарят на всички земетръсни норми.

Редица експерименти доказват негоримостта и пожаробезопасността на естествените материали. Двустранно измазана с варова или глинена мазилка стена от сламени бали може да постигне стандарт на пожарозащита дори и до висок клас като F90-B, в зависимост от плътността и вида на използваните материали – клас, който е еквивалентен на „масивното“ строителство със стоманобетон и тухли. Добре пресованата сламена бала например е негорима заради липсата на кислород в нея – факт, който е лесно доказуем чрез примера за лист хартия, който макар и лесно запалим, е трудно горим, ако се намира в затворена книга, т.е. безкислородна среда, в която няма „гориво“ за огъня.

Друго предимство на естествените материали е намаленото влияние от вредни вещества, включително абсорбиране на неприятни миризми. Порестата структура на глината може да абсорбира замърсители на въздуха и вредни миризми, които се свързват в порите на глината и се отстраняват от въздуха. В резултат качеството на микроклимата в помещенията е подобрено и въздухът е по-здравословен.

Друго важно екологично предимство е природосъобразността на естествените материали

Естествените строителни материали са въглеродно неутрални или имат отрицателен отпечатък, т.е. абсорбират повече емисии, отколкото се отделят при процеса на производството им. В състава на конструктивната дървесина има около 50% „въплътен въглерод“, защото възобновяемият материал има свойството да поглъща въглероден диоксид от атмосфера и в резултат повечето сгради от дърво са „въглеродно неутрални“. Конопът има сходна функция и може да абсорбира двойно повече въглерод спрямо обикновените гори и понастоящем е често приложим строителен материал, например в техниката, наречена „конопобетон“. Проучване доказва, че строителството на една сграда от сламени бали има отрицателен въглероден отпечатък от около 13 тона CO₂ емисии, докато положителният въглероден отпечатък на една масивна сграда от бетон и тухли е около 42 тона СО₂ емисии. Разликата е генерираните и абсорбирани емисии от двата вида строителство се равняват на повече от 400 000 км пробег с автомобил (при използване на средна класа автомобил, спестяващ гориво). 

Друг интересен пример е, че еднофамилна жилищна сграда от естествени материали абсорбира около 35 тона въглеродни емисии, а сграда, изпълнена с конвенционални материали, генерира около 65 тона, което прави разлика от 100 тона въглеродни емисии. Ако сградата е изпълнена по стандарт “Пасивна сграда”, която отделя около 1 тон емисии на година за отопление и охлаждане, ще отнеме 65 години на сградата да генерира същото количество въглеродни емисии, колкото една конвенционална сграда, създава още преди да бъде обитавана.

Фигура 9: Естествените строителни материали са въглеродно неутрални: Източник. 

Естествените материали изискват минимално количество енергия за производство в сравнение с конвенционалните материали: за сравнение въплътената енергия (енергията, консумирана по време на всички процеси, свързани с производството на материали) на сламените бали е 0,24 MJ/kg, на стъклената вата е 30,3 MJ/kg, а на експандираният пенополистирол (EPS/стиропор) е 117 MJ/kg или с други думи: въплътена енергия в сламата е 126 пъти по-ниска от тази в стъклената вата и 487 пъти по-ниска от енергията, вложена в строителния стиропор, отчетени на килограм материал.

Добивът на естествените материали е натурален, напр. сламата е отпаден продукт от производството на зърнени култури с широко приложение в строителството, енергетиката и земеделието като по данни на ЕС, около 50 метрични тона на годишна база от материала остават неизползвани.  

Материалите са рециклируеми и биоразградими, а цялостната оценка на жизнения им цикъл показва множество предимства в сравнение с конвенционалните материали. Например сламата е водещ екологичен материал във връзка със защитата на човешкото здраве от гледна точка на:

• токсичност, респираторни замърсители, фото-химическа оксидация, опазване на озоновия слой, намаляване влиянието на йонизиращата радиация; 
• неутрализиране на климатичните промени и глобално затопляне; 
• намаляване изчерпването на природните ресурси от гледна точка на добива на минерали и възобновяемост на ресурсите, като единствен минус е използването на големи площи земя за добив на слама.

Животът на естествените материали е сравним като дълготрайност с този на конвенционалните материали, при правилно изпълнение и поддръжка, и е с продължителност от стотици години, както доказва хилядолетната история. В множество случаи дори и надвишава дълготрайността на съвременните материали, в които се използват лепила, пластмаса, подлежащи на разлагане от UV лъчи или метали, подлежащи на корозия.

Естествените материали имат и други икономически и социални предимства

Естествените материали имат изключително ниска себестойност: земната маса и сламата са практически най-евтините строителни материали, особено ако са добити локално, което оптимизира до минимум транспортните разходи, които са основен разход в съвременния строителен сектор. Строителството с естествени материали е достъпно за всеки, защото има нискотехнологичен характер (“лоу-тек”) и позволява използването на местна работна ръка, което стимулира развитието и поддържането на локална икономика и намаляване на разходите. От друга страна, съвременните високотехнологични решения (“хай-тек”), които също намаляват строителните разходи и подпомагат местната икономика, са напълно приложими и за природните материали – например префабрицирането (предварително изготвяне на строителни конструкции в производствени условия) на модулни стенни и покривни дървени конструкции с пълнеж от слама или конопобетон, 3D принтирането на сгради от глина или производството на строителни непечени тухли и т.н.

Фигура 10: Производство на модулни панели с дървена конструкция и топлоизолация от слама в България и Европа: Източник.

Финансовите разходи позволяват сериозно оптимизиране чрез “строителство със собствени сили” или „Направи си сам” (DIY), вкл. работа с доброволци на семеен, приятелски, общностен и др. принцип, като намаляват разходите до себестойността на материалите – принципи, които са се използвали широко дори и рамките на миналия век в български села и градове, а и по света.

И не на последно място, естествените материали са здравословни, безопасни, осигуряват възможност за обучение, развитие на местните общности чрез подпомагане на локалната работна сила, възможност за „строителство със собствени сили“ и установяване на взаимоотношения, основани върху доброволчество и взаимна подкрепа, с цел допълнително оптимизиране на бюджета, както и влагане на положителна, творческа енергия при процеса на изпълнение.

Фигура 11: Строителство “направи си сам” (DIY), Източник: Проект “Екологично Образование”

Приложение на естествените строителни материали в България

Използването на естествени материали в Европа е широко разпространено, като например обявеният от “Европейската строителна асоциация за строителство със слама” брой на сгради, изпълнени с приложение на слама, е над 10 000, като Франция има водеща роля – в страната се изграждат всяка година над 500 сгради със слама и въпреки, че това са едва 0,15% от всички сгради – тенденцията е за увеличаване приложението на естествените материали и потенциалът за използването им е значителен. В България интересът към естествените строителни материали през последните 10 години също се увеличава, но за момента все още липсва правилна информираност и разбиране по темата, включително относно ползите от природните материали.

Цената на строителството с естествени материали е много по-ниска при вариант „строителство със собствени сили“ („Направи си сам“) или работа с доброволци, но остава сходна при изпълнение от фирма-изпълнител в сравнение с конвенционално строителство, изпълнено чрез „масивна строителна система“ (стоманобетон и тухли) – основно заради липсата на достатъчно голямо търсене и конкуренция в сферата, както и наличие на малък брой квалифицирани професионалисти. 

Други предизвикателства пред използването на естествените материали в България са необходимостта от  теоретични и практически систематични обучения, местно производство и добив на материали и строителни решения и конструкции, както и стандартизирането на строителните материали в рамките на законовата рамка, свързана със строителството на сгради.

В хармония със заобикалящата среда

По пътя, където свършва гората и започват тръстиките, се извисява посетителски център върху колони, построени внимателно по ръба на водата. Сградата е обшита със сламен покрив, наподобяващ „камуфлажна“ щора за наблюдение на птици, скриваща от заобикалящия свят всичко, което покрива. Архитектурата използва традиционни, местни материали и геометрия, която наподобява кристал. Стръмните покривни равнини осигуряват дълготрайност. Билото, където е слабото място на сламения покрив, е превърнато в остъклено горно осветление, което осветява хармоничния интериор от дърво.

Фигура 12: Посетителски център от естествени материали, Швеция: поглед от водата. Източник.

Фигура 13: Посетителски център от естествени материали, Швеция: интериор. Източник.

Офис комплекс от трамбована земна маса

Главният офис на Теленор в близост до Исламабад, Пакистан, разпростиращ на обща площ от близо 56 000 кв.м., е забележителен пример за устойчива архитектура с минимално влияние върху околната среда. Комплексът е изграден със стени от трамбована земя, която напомня за естествените нюанси на почвата от долината Потохар, част от района. Технологията, която се използва за изграждането на стените е композитна техника, с топлоизолация между двата слоя от земна маса, изпълнена с армировка и самоносеща конструкция. Впечатляваща е и комуникационната кула, която се извисява на 30 метра височина, което я превръща в най-високата сграда от трамбована земна маса в света.

Фигура 14: Главен офис комплекс на Теленор в Пакистан: 30-метрова комуникационна кула. Източник.

Принтирана къща от глина: синхрон между съвременна технология и традиционни материали 

В Италия през 2021 г. е изработен първият екологичен модел на глинена къща, чрез използване на съвременните технологии за 3D принтиране и локална земна маса. Иновативният проект за овален жилищен модел е резултат от проучване върху традиционни строителни практики, изучаване на биоклиматични принципи и използването на естествени, локални материали. Проектът е с почти нулеви емисии, благодарение на използваните локални материали, от които също така не се отделят отпадъци. Решението е оптимизирано да балансира между термална маса, изолация и вентилация спрямо климатичния контекст.

Фигура 15: Принтирана глинена къща в Италия. Източник.

Сградата е „принтирана“ за 200 часа, като за целта са вложени 60 м³ естествени материали – при средна консумация на по-малко от 6 кВ мощност.

Фигура 16: Принтирана глинена къща в Италия. Източник. 

Използването на естествени строителни материали в жилищния и обществен сектор създава естетически издържана и хармонична архитектурна среда, както и предлага възможност за “хай-тек” (напр.: “3D принтиране”) и “лоу-тек” решения (напр.: “Направи си сам”).

Естествените строителни материали са ключов фактор към постигането на „устойчиво развитие“, защото притежават редица положителни характеристики, свързани с екология, икономика и общество. Материалите на миналото, доказани като здравословно, бюджетно, хармонично решение са и материалите на бъдещето – използвани по правилен начин, естествените материали са основа за комфортна, съвременна жизнена среда, като помагат за опазването на природата и намаляването на климатичните промени.

В публикацията са използвани материали от:

1. Влиянието на глината върху стайния климат 
2. Къща от слама
3. 25. водещи принципа на „сградната биология“
4. Земетръс при строителство с естествени материали: https://strawbale.com/straw-bale-construciton-in-earthquakes/ и https://www.unr.edu/cceer/projects/straw-house и https://www.scidev.net/global/news/straw-house-design-passes-earthquake-tests/ 
5. Строителство със слама и глина: тестове и сертификати 
6. Правила за строителство със слама и глина
7. Къща от сламени бали, арх. Дирк Шармър, Германия
8. Глината като строителен материал
9. Термална маса
10. Влиянието на термалната маса върху топлинния комфорт и енергията за охлаждане на жилищни сгради
11. Топлинен капацитет
12. Имение „Обичковци“, арх. Георги Георгиев, източник
13. Бамбукът като строителен материал
14. Строителство с корк
15. Защитната ефективност на строителните материали (изследване)
16. Проучване за защитния ефект на глината и цимента от радиация 
17. Климатично-ефективно използване на сламата в ЕС 
18. Шумоизолация със стена от сламени бали 
19. Стенни панели от глина 
20. Характеристики и положителни страни на сламата
21. Оценка на жизнения цикъл на сламата , както и нейната роля в енергийната ефективност
22. ArchDaily
23. Асоциация за Строителство с Естествени Материали (АСЕМ)
24. NatureTecture | Природа и Архитектура

Източник: Архитектура от естествени строителни материали: здравословна, комфортна и климатично неутрална жизнена среда, Климатека

Авторът аpxитeĸт Beceлин Beceлинoв e част от авторския кръг на Климатека, той е сертифициран дизайнер на пасивни сгради ĸъм “Инcтитyтa зa пасивни сгради” в Дapмщaд, Гepмaния. Завършил е специалност “Архитектура” в Университета по архитектура, строителство и геодезия в гр. София. Стипендиант е към нeмcĸaтa Фeдepaлнa фoндaция зa oĸoлнa cpeдa (DBU) на тeмa: “Πacивни cгpaди oт ecтecтвeни материали”. Πрез 2009 г. е победител в най-големия световен международен студентски ĸoнĸypc за устойчива архитектура, организиран от компанията “Сен-Гобен”. Има над 10 години опит като упpaвитeл в мeждyнapoднa ĸoмпaния c eĸип oт 60+ дyши, paзpaбoтвaщa пpoeĸти и peшeния в oблacттa нa мoдyлнo и ycтoйчивo cтpoитeлcтвo. Разработва пpoeĸти в сферата на природосъобразната apxитeĸтypa.

Още по темата

07/07/2023

Технологии

Ролята на строителните материали върху климата и околната среда

25/04/2023

Земята

„Пасивната сграда“: архитектурен стандарт, целящ минимално потребление на енергия