Ontwerpen voor aanpasbaarheid

Published · Updated

Het belangrijkste aspect van circulair bouwen is het zo lang mogelijk gebruiken van gebouwen. Om dit mogelijk te maken moeten gebouwen beschikken over een lange levensduur. Essentieel hierbij is een groot aanpassingsvermogen van de gebouwen waardoor ze beter afgestemd kunnen worden op veranderende behoeften van de gebruikers en nieuwe maatschappelijke noden. Hierdoor wordt vroegtijdig slopen en een hoge gebouwleegstand voorkomen. Het aanpassen van gebouwen leidt tot minder afval, een lager verbruik van primaire grondstoffen, minder energieverbruik en minder milieuvervuiling. Aanpasbaarheid is daarom een noodzaak geworden voor een duurzame bebouwde omgeving. Aanpasbaar bouwen vraagt echter een verschuiving in onze ontwerpcultuur, waarbij we een nieuwe visie omarmen waarin gebouwen zo ontworpen worden dat ze eenvoudig aangepast kunnen worden gedurende hun levensduur. Binnen circulair bouwen gaat het ontwerpen voor aanpasbaarheid echter hand in hand met het ontwerpen voor demontage. [1] We moeten namelijk ook goede scenario’s hebben wanneer gebouwen het einde van hun levensduur bereikt hebben. Hier komen we op terug in één van de volgende edities van BETON. In dit artikel gaan we dieper in op het ontwerpen voor aanpasbaarheid aan de hand van een interessante casestudy.

Er is veel literatuur beschikbaar met betrekking tot het bevorderen van de aanpasbaarheid van gebouwen. Daarin worden een aantal ontwerpgebaseerde bevorderende factoren gedefinieerd, die hieronder kort besproken worden. [2]

  1. Ontwerpen in levensduurlagen :

Bouwonderdelen met verschillende levensduren moeten in verschillende onafhankelijke lagen georganiseerd worden zodat ze afzonderlijk vervangen kunnen worden. Gevelelementen moeten bijvoorbeeld gescheiden worden van structurele elementen (balken en kolommen).

  1. Toegang tot informatie :

Nauwkeurige informatie over de as-built en in-situ toestand van een gebouw helpt ontwerpers bij aanpassingen en minimaliseert de risico’s. Building Information Modelling (BIM) is hierbij een krachtig hulpmiddel dat, samen met de komst van materiaal- en productpaspoorten, de digitale databron van gebouwen zal worden.

  1. Reservecapaciteit :

Structurele elementen met draagkrachtreserve zijn vaak beter in staat om schade te weerstaan, maar ze ondersteunen ook de mogelijk­heid om functiewijzigingen met zwaardere belastings­scenario’s in het gebouw te realiseren. Een andere effectieve maatregel voor het verhogen van het aanpassings­vermogen van gebouwen is het voorzien van extra verdiepingshoogte. Deze hoogtereserve kan zowel bij een functiewijziging als bij een aanpassing van de gebouw­techniek worden aangewend.

  1. Mechanische verbindingen :

Het gebruik van mechanische verbindingen maakt het eenvoudig verwijderen en toevoegen van componenten tijdens de levensduur van een gebouw mogelijk. Er bestaan verscheidene systemen om bijvoorbeeld betonnen gevel­panelen en balken mechanisch te verbinden met betonnen kolommen.

  1. Toegankelijkheid :

De levensduur van gebouwtechnieken is korter dan die van de structurele elementen. Om vervanging te vereenvoudigen, moeten ze toegankelijk zijn, bijvoorbeeld in een verlaagd plafond of een verhoogde vloer. Maar ook verbindingen tussen structurele elementen moeten toegankelijk blijven om ze gemakkelijk te kunnen verwijderen indien nodig.

  1. Geschikte materialen :

De duurzaamheid van de draagconstructie is cruciaal om de lange levensduur van het gebouw te verzekeren. Een duurzame constructie wordt in eerste instantie gekenmerkt door de weerstand tegen externe invloeden (o.a. vorst, carbonatatie, chloride-indringing), veroudering, accidentele situaties … De kwaliteit van de geleverde producten speelt hierbij een belangrijke rol.

  1. Eenvoud in het ontwerp :

Eenvoud binnen een structureel systeem helpt ontwerpers bij eventuele aanpassingen begrijpen welke elementen cruciaal zijn voor de structurele integriteit. Modulariteit en standaardisatie spelen hierbij een belangrijke rol.

  1. Open ruimtes :

Open ruimtes, vrij van constructieve belemmeringen, maken het mogelijk om de indeling van de ruimtes aan te passen zonder impact op de bestaande structuur. Dit kan eenvoudig met lichte niet-dragende scheidingswanden.

Dr.-Ing. Christopher Kämereit onderzocht in 2019 hoe het aanpassings­vermogen van een gebouw kan worden verhoogd en analyseerde enkele bouwvarianten voor een typische binnenstedelijke hoogbouw. [3] Als referentie werd een traditioneel kantoor­gebouw gebruikt met vijf bovengrondse ver­diepingen en één ondergrondse (Fig. 1). De kelder wordt gebruikt voor de plaatsing van technieken en als opslagruimte. Om het energieverbruik tijdens de gebruiksfase laag te houden, werd gekozen voor een compacte constructie waarbij de oppervlakte van de gebouwschil relatief klein is in verhouding tot het volume van het gebouw. Dit resulteerde in een gebouw van 45 m lang en 15 m breed met een hoogte, gemeten vanaf het maaiveld, van 16 m. De nuttige hoogte (zonder draagvloer) van de verdiep­ingen bedraagt 2,95 m. De veranderlijke belasting op de draagvloeren is gelijk aan 3,0 kN/m². Om een flexibele indeling van de verdiepingen mogelijk te maken, werd gekozen voor een skelet­constructie waarvan de horizontale stabiliteit wordt gerealiseerd door twee stijve kernen, één aan elk uiteinde (Fig. 2). In elke kern worden trappen, een liftschacht en twee schachten voor technieken voorzien. In de lengte­richting van het gebouw bedraagt de rastermaat 5,0 m. De plaatsing van binnen­kolommen om de overspanning van de vloer te beperken, is omwille van economische redenen verdedigbaar. Om de plaatsing van een centrale gang mogelijk te maken, werd gekozen voor een asymmetrische positie van de binnenkolommen in de dwarsrichting. De vloer­overspanningen zijn hierdoor 6,1 m en 8,9 m op alle verdiepingen. De draagvloer is op alle verdiepingen een vlakke plaatvloer. [3] Dit is een gewapende betonplaat die puntsgewijs ondersteund wordt door kolommen, zonder de aanwezig­heid van draagbalken. Dit soort vloeren kan perfect uitgevoerd worden met breedplaten.

In variant 1 kunnen naast kantoren ook hotel- en woonfuncties 
worden ondergebracht (Fig. 1). De vrije verdiepings­hoogte wordt vastgelegd op 2,75 m waardoor naast traditionele cellenkantoren ook combi­kantoren en landschaps­kantoren mogelijk worden. Bovendien wordt rekening gehouden met een verlaagd plafond van 40 cm hoog en een verhoogde vloer van 15 cm hoog. Dit resulteert in een nuttigeverdiepings­hoogte van 3,30 m. De gekozen hoogtereserve vormt een compromis tussen een grote gebruiksflexibiliteit en een beperkte gevel­oppervlakte. De verander­lijke belasting op de draagvloeren, het type draagvloer en de rastermaten van de skelet­constructie zijn hetzelfde als in het referentiegebouw. Voor het gebruiks­scenario ‘wonen’ moet, afhankelijk van de indeling van de plattegrond, rekening gehouden worden met het feit dat enkele ruimtes niet natuurlijk verlicht kunnen worden. Zowel voor het referentie­gebouw als voor variant 1 wordt rekening gehouden met een levensduur van 50 jaar. [3]

In variant 2 staat de aanpasbaarheid van de constructie centraal in het ontwerp. De beoogde levensduur van de constructie wordt vastgelegd op 100 jaar. Voor deze variant wordt geëist dat de functies handel en parkeren op­­genomen worden in het herbestemmings­potentieel (Fig. 1). De begane grond en de eerste verdieping worden daarom voor­bereid op commercieel gebruik met de bij­komende optie om een foyer te voorzien over deze twee verdiepingen. In de kelder wordt de mogelijkheid gecreëerd om deze te gebruiken als uitbreiding van de winkelruimte op de begane grond. Optioneel moet de kelder ook ingericht kunnen worden als parkeergarage. Het gebouw moet ook uitgebreid kunnen worden met één of twee verdiepingen, zonder ingrijpende structurele aanpassingen aan de primaire structuur. [3]

De tweede, derde en vierde verdieping van variant 2 bestaan uit een skelet­constructie met dezelfde raster­maten als het referentiegebouw en variant 1. In deze zone (zone I) worden de vloeren opgebouwd uit holle vloer­elementen die op prefab betonbalken liggen. Deze balken liggen in de lengte­richting van het gebouw om conflicten met gebouwtechnieken te vermijden/verminderen (Fig. 2). De lengte van de vloerelementen bedraagt 5,8 en 8,6 m en de veranderlijke belasting bedraagt 3,0 kN/m² plus 0,8 kN/m² voor de scheidingswanden. De holle vloerelementen hebben een dikte van 26 cm en worden niet voorzien van een druklaag. De nodige schijfwerking wordt gerealiseerd door wapening in de voegen en een ringanker rondom de vloer. Om lokaal hogere belastingen te kunnen dragen, wordt op elke verdieping in zone I een midden­strook van 3,0 m breed voorzien met een veranderlijke belasting van 6,0 kN/m². Dit biedt de mogelijkheid om bijvoorbeeld een archief of bibliotheek in te richten of om zware machines te plaatsen. De nuttige verdiepings­hoogte in zone I is 3,3 m. Dankzij de aanpasbaarheid van de vloer­constructie kunnen vrij eenvoudig openingen gecreëerd worden door middel van raveelconstructies waardoor ook duplex appartementen tot de mogelijkheden behoren. [3]

De begane grond en de eerste verdiep­ing van variant 2 (zone II) worden uitgevoerd zonder binnenkolommen. De nuttige hoogtes van de begane grond en de eerste verdieping zijn respectievelijk 4,1 m en 3,3 m. De verander­lijke belasting van de vloeren boven deze verdiepingen bedraagt 5,0 kN/m². Voor de constructie werd gekozen voor een staal-betonconstructie die bestaat uit staal-betonliggers, stalen liggers, staal-betonkolommen en betonnen vloerplaten. Staal-betonliggers zijn stalen liggers die samenwerken met de betonnen vloerplaat. De staal-beton­ligger boven de eerste verdieping is een opvangconstructie voor de binnen­kolommen van de bovenliggende zone I. De stalen ligger heeft hierdoor een hoogte van 80 cm. De vloerplaat van 24 cm kan uitgevoerd worden als een breedplaatvloer. De mogelijkheid om dergelijke opvang­constructies te voorzien, hangt in belangrijke mate af van het aantal bovenliggende verdiepingen. Het concept bereikt zijn grenzen bij meer dan drie boven­liggende verdiepingen. Een oplossing in dat geval is een constructie zonder binnenkolommen op alle ver­diepingen (zie variant 3) of verdiepingshoge balken die weggewerkt worden in een technische verdieping. Voor het overspannen van de begane grond werd niet gekozen voor staal-betonliggers, maar voor stalen liggers van 64 cm hoog in combinatie met holle vloer­elementen van 4,9 m lang, die niet voorzien worden van een constructieve voegvulling en druklaag (Fig. 3). Op die manier kan vrij eenvoudig een willekeurig aantal vloerelementen verwijderd worden, tot zelfs een grote zone inclusief de dragende stalen liggers. 
Hierdoor kan deze vloer echter geen schijfwerking realiseren. De twee verdiepingen tellende kolommen in zone II moeten daarom gedimensioneerd worden om de horizontale belastingen over te brengen naar de aangrenzende vloeren boven de kelder en de eerste ver­dieping, waarbij rekening gehouden wordt met een verdubbeling van de kniklengte door het eventueel wegvallen van de stalen liggers boven de begane grond. Deze kolommen zijn ontworpen als staal-betonkolommen bestaande uit stalen dubbel T-profielen die volledig omsloten zijn met beton. In de stalen liggers van zone I worden voldoende grote openingen voorzien zodat de gebouwtechnieken direct onder de betonnen vloeren voorzien kunnen worden. [3]

Om in de kelderverdieping van variant 2 ook een parkeergarage te kunnen realiseren of om deze verdieping ook bij commercieel gebruik toegankelijk te kunnen maken, zonder het gebruik van de trappen of liften in de stijve kernen, wordt de mogelijkheid gecreëerd om een deel van de vloer boven de kelder te openen. De vloer is ontworpen als een betonnen balkenvloer (h.o.h. afstand balken 5,0 m). [3] De betonplaat kan uitgevoerd worden met breedplaten of holle vloerelementen.

Variant 2 kan uitgebreid worden met één volledige, twee volledige of één volledige en een inspringende ver­dieping door middel van een vrijdragende constructie die in de dwars­richting draagt van gevel tot gevel (Fig. 4). Inspringende ver­diepingen zijn interessante uit­breidingen van woongebouwen vanwege de terugsprong van het gevelvlak, die de creatie van grote terrassen mogelijk maakt. De primaire draag­constructie (kolommen en fundering) is ontworpen voor deze extra belastingen. Voor een uitbreiding met één verdieping bedraagt de veranderlijke belasting van de vloer boven de vierde ver­dieping 3,0 kN/m². Naast de mogelijkheid om een extra kantoorverdieping toe te voegen, kan deze belastings­reserve worden gebruikt voor de installatie van een groendak of een dakterras in combinatie met een restaurant of bar. Voor een uitbreiding van twee verdiepingen wordt rekening gehouden met een lagere belastingscategorie (veranderlijke belasting 2,0 kN/m²). 
De uitbreiding met twee verdiepingen met een veranderlijke belasting van 3,0 kN/m² is in dat geval ook mogelijk, mits in andere verdiepingen compenserende maatregelen genomen worden om de belasting te verminderen. Om de uitbreiding te garanderen moeten ook andere voorzorgs­maatregelen genomen worden zoals de horizon­tale stabiliteit van de twee stijve kernen en extra schachtruimte voor gebouwtechnieken in de stijve kernen. Bij het uitbreiden met twee verdiepingen wordt de hoogtegrens van 25 m overschreden. Vanuit de wetgeving inzake brandveiligheid moet in het ontwerp dan rekening gehouden worden met eventuele bijkomende verplichtingen voor hoge gebouwen. [3] Zo zullen alle structuurelementen, inclusief de vloeren, een brand­weerstand R 120 moeten hebben [4].

Bij variant 3 wordt afgezien van de binnenkolommen die bij de andere varianten zijn voorzien (Fig. 1). 
Hierdoor wordt een maximale gebruiksflexibiliteit en ontwerp­vrijheid bekomen. De draagvloeren bestaan uit staal-betonliggers, met openingen voor de gebouwtechnieken, en betonnen vloerplaten, bijvoorbeeld breedplaatvloeren. Dit resulteert in een grotere gebouwhoogte door de grotere constructiehoogte van de vrijdragende draagvloeren. Latere vloeropeningen zijn in hun grootte beperkt omdat de betonnen vloerplaten samenwerken met de stalen liggers. [3] De draagvloeren van variant 3 kunnen ook uitgevoerd worden met voorgespannen holle vloerelementen van 40 cm dik, plus een druklaag van 6 cm dik, die in de dwarsrichting dragen van gevel tot gevel (≈ 15 m). [5] Onder de holle vloer­elementen kan een vals plafond van 40 cm hoog voorzien worden voor de gebouwtechnieken. De gebouwhoogte in dit geval is vergelijkbaar met de oplossing met staal-betonliggers.

Dr.-Ing. Christopher Kämereit bewijst het positieve effect van aanpasbare modulaire ontwerpconcepten op de milieu-impacten. De bouw van een aanpasbaar gebouw veroorzaakt meer broeikasgasemissies (het GWP – Global Warming Potential). In vergelijking met variant 1 bedraagt de uitstoot van broeikasgassen van variant 2 ongeveer 16 % meer. De toename is vooral te wijten aan de toename in massa van de dragende structuur. Variant 3 vereist een verdere verhoging van de constructie­massa. In vergelijking met variant 1 stijgt het GWP met ongeveer 27 %. Het potentieel van levensduurverlenging voor het verminderen van het GWP wordt duidelijk zichtbaar wanneer het GWP wordt gerelateerd aan de levensduur van de constructie. De extra milieubelasting die ontstaat bij de bouw van variant 2 verdient zichzelf al terug bij een levensduur­verlenging van acht jaar (Fig. 5). Bij een verwachte levensduur van 100 jaar slaagt variant 2 erin het GWP, vergeleken met variant 1, met ongeveer 42 % te verminderen. De hogere milieu­belasting van variant 3 wordt bij een levensduurverlenging van veertien jaar terugverdiend (Fig. 5). Ook hier kan bij een verwachte levensduur van 100 jaar een duidelijke vermindering van het GWP ten opzichte van variant 1 bereikt worden, namelijk +/- 37 % minder. [3]

Deze casestudy illustreert duidelijk het potentieel van gebouwen die ontworpen zijn met het oog op een lange levensduur en een hoge mate van aanpasbaarheid. De technische en ontwerpmatige principes om dit te realiseren worden steeds beter begrepen en toegepast. Tegelijk rijst de vraag hoe we kunnen verzekeren dat dit potentieel ook effectief benut wordt gedurende de volledige levensduur van het gebouw. Hoe kunnen opdrachtgevers en gebouweigenaren gestimuleerd worden om te investeren in constructies die voorbereid zijn op toekomstige functiewijzigingen, ook wanneer de directe voordelen zich pas op langere termijn manifesteren? En hoe kan de meerwaarde van deze aanpak op een heldere en objectieve manier worden aangetoond? Daarnaast is het van belang om bij de evaluatie van de milieu-impact verder te kijken dan één enkele indicator zoals het GWP. Enkel door rekening te houden met de volledige levenscyclus en een brede set van milieu-impact­indicatoren kunnen bouwmaterialen en constructie­concepten op een eerlijke en evenwichtige manier worden vergeleken. De weg naar ontwerpen voor aanpasbaarheid is duidelijk ingezet, en naarmate de technische oplossingen verder verfijnd worden, ligt er een belangrijke opportuniteit om ook op het vlak van besluitvorming en waardering de voordelen van deze toekomstgerichte ontwerp­benadering verder te verankeren. [BHE]

Referenties

[1]Adaptability of Buildings – A Critical Review on the Concept Evolution, Askar et al., 2021.
[2] Enabling adaptable buildings: Results of a preliminary expert survey, Ross et al., 2016.
[3] Zur Rolle der Konstruktion in der nachhaltigen Gebäudeplanung, Christopher Kämereit, TU Dortmund, 2019.
[4] Koninklijk Besluit van 20 mei 2022, ‘Basisnormen brandpreventie’.
[5] Brochure Holle vloerelementen, FEBE, 2020.