מערכות בניין

כל מבנה כולל בתוכו מספר מערכות תשתית המשרתות את משתמשיו לצרכיהם השונים. התשתיות של המערכות מוחבאות לרוב בתוך המבנה אך הן מהוות חלק בלתי נפרד מתפקודו של הבניין כמכונה גדולה ומורכבת.
בעבר, היו מערכות הבניין מצומצמות מאוד אך כיום הן רבות ודורשות תכנון קפדני של מיקומן בבניין, חיבורן תוך כדי הבנייה, תיאום בין המערכות השונות והכנות למערכות בניין עתידיות שניתן להוסיף או להרחיב גם לאחר תום הבנייה. מערכות הבנייה הבסיסיות ביותר והעתיקות ביותר הן מערכות הביוב והמים. מערכות אלו מאפשרות חיים נוחים בבניין ושומרות על תברואת משתמשיו. מערכות בניין נוספות אשר הפכו במהלך מאה השנים האחרונות למערכות בסיסיות בכל מבנה הן: חשמל, תאורה, גז וטלפוניה. בבנייה המודרנית ניתן למצוא לפחות עשר מערכות נוספות כגון קווי תקשורת, כבלים, מיזוג אוויר, מערכת אזעקה, מערכת כיבוי אש (בדרך כלל רק במבני ציבור), קולנוע ביתי ועוד.
רוב סוגי מערכות הבניין, לפחות הבסיסיות שביניהן, עובדות כחלק ממערכת תשתיתית רחבה והיררכית בכמה רמות, מרמת הדירה או היחידה הבסיסית של הבניין, הבניין כולו, הרמה העירונית או המקומית וגם בקנה המידה האזורי-ארצי. לדוגמה, מערכת המים של דירה מסוימת בבניין קשורה למערכת המים של הבניין כולו ומסתמכת על משאבת הבניין. הבניין עצמו מחובר לתשתיות המים העירוניות שמקורותיהן יכולים להיות גם ברמה האזורית או הארצית (כגון המוביל הארצי, במקרה של ישראל).

מערכות בניין נפוצות

מגוון המערכות אותן ניתן למצוא כיום במבנים שונים הוא עצום, משתנה בין סוגי מבנים שונים וגדל באופן מתמיד עם התקדמות הטכנולוגיה ובעיקר עם העלייה ברמת החיים. להלן סוגי המערכות הנפוצות ביותר, מן הבסיסיות והעתיקות ביותר ועד המיוחדות והמתקדמות ביותר או אלו הנבנות לרוב כמותרות יוקרתיות.

ניקוז

מערכת ניקוז המים היא מערכת פשוטה ובסיסית גם כן ותפקידה פינוי מי גשמים מן הבניין. ברוב המבנים, די בגגות משופעים ומרזבים חיצוניים לפינוי מי הגשמים אך במבנים בעלי גגות שטחים עם מעקות, כאלה המהווים שטחים שימושיים בעצמם ובפרט, מבנים בעלי גגות מדורגים הכוללים כמה מפלסי גג שחלקם רחוקים מן הקירות החיצוניים ביותר של הבניין, נדרשים צינורות שתפקידם פינוי יעיל של מי הגשם. בדומה למערכת הביוב, גם מערכת פשוטה זו אינה צורכת אנרגיה ודי בשיפועים קלים כדי לפנות את המים. קיומה של מערכת זו בקירות חיצוניים בלבד, לרוב בפינות הבניין, מקלה מאוד על תכנונה בשל העובדה שאינה מתנגשת עם מערכות אחרות. בבניינים מסוימים בהם קיימות הכנות למערכת מיזוג אוויר מרכזיות, נוספים צינורות ניקוז למים מזוקקים הנפלטים מן המזגנים גם בפנים המבנה, אותם ניתן לנקז כמו מי הגשם, לאו דווקא אל הביוב.
הבדל משמעותי נוסף בין מערכת הניקוז למערכת הביוב הוא העובדה כי ניקוז מי הגשמים יכול להתנקז לאדמה, לתעלות או לנחל טבעי ללא חשש. בערים שונות קיימת אף הקפדה על הפרדת ניקוז מי הגשמים וניקוז הביוב מכמה סיבות: ספיגת המים באדמה או ניקוזם לנחלים טבעיים שומר על מי התהום או על מאגרי המים המתוקים ולמעשה יכול לחסוך במקורות מים. בנוסף, הפרדתם מקטינה את העומס על מערכת הביוב ומונעת הצפת מערכת הביוב בזמן גשמים כבדים (דבר בלתי נסבל לעומת הצפה זמנית של מי גשמים בלבד). עם זאת, ברוב המקומות אין הקפדה על כך וניקוז מי הגשמים מגיע לבסוף למערכת הביוב, בין אם בתוך הבניין עצמו ובין אם למערכת העירונית.

מערכת גז

גז בישול הוא חומר שימושי מאוד בבתי מגורים המשמש לצורך בישול וחימום הבית. מערכת הגז היא פשוטה באופן יחסי אך מצריכה טיפול זהיר שכן היא המסוכנת ביותר במקרה של תקלה. ייעוד מערכות גז בבניינים הוא להעביר את הגז (בישראל משתמשים בגז גפ"מ - גז פחממני מעובה) ממאגר גז לצרכני קצה כמו כיריים, תנורי בישול, תנורי הסקה וכו'.
המערכת מורכבת משלושה חלקים: מאגר, מערכת איוד גז, מערכת צינורות ווסתים.
מאגר גז יכול להיות צובר או תחנות בלונים של 12 או 48 ק"ג. גז נמצא במאגר במצב צבירה נוזלי תחת לחץ הטבעי שלו (שזה בערך 5 אטמוספירות בטמפרטורה של 15 מעלות).
כאשר צריכת הגז נמוכה משתמשים באידוי טבעי של הגז ללא שימוש במאייד. גז תחת לחץ עובר דרך צנרת גז בבניין ומערכת ויסות ומגיע לצרכני קצה. כאשר צריכה גבוהה מתקינים מאייד שתפקידו לחמם את הגז ולאייד אותו. כאשר משתמשים במאייד קודם גז בפאזה נוזלית זורם למאייד, מתאדה בו ורק אז מוזרם לבניין.
עקב כך שגז הוא חומר דליק מאוד מערכות גז צריכות לעמוד בסטנדרטים גבוהים מאוד. בישראל רק טכנאי גז מוסמך מורשה לבצע שינויים במערכות הגז. כל תקלה צריכה להיות מטופלת באופן מיידי על ידי גורם מוסמך ומקצועי.

שינוע

במבנים רבים קיימות מערכות במיועדות לשינוע אנשים ומטלטלין בתוך המבנה. הנפוצה במערכות הללו היא המעלית, בנוסף לה אפשר למצוא דרגנועים, מסועים, מערכות דואר פנאומטי ועוד.

מערכות בניין ייחודיות

מערכת ייחודית ידועה ויוצאת דופן היא מערכת העברת קפסולות בצינורות פנאומטיים על ידי לחץ אוויר. מערכת זו הומצאה כבר במאה ה-19 לצורך העברה של עצמים קטנים, מסמכים ואף כסף מזומן בתוך קפסולות קטנות הניתנות לשליחה מנקודה ונקודה בבניין או בעיר על ידי לחץ אוויר וואקום. מערכות כאלו היו בשימוש עד שנות ה-70 לערך ורבים ראו בהן פוטנציאל רב עד אותה עת, בה החל שימוש מפותח של אמצעי תקשורת חדשים שהפכו את המערכת לבעלת תועלת נמוכה מאוד. בתי חולים מסוימים, משתשמשים בטכנולוגיה זו עד היום לפינוי אשפה מזהמת.
מערכת נוספת הפועלת באמצעות צינורות לחץ אוויר שנעשה בו שימוש כיום היא מערכת שאיבת אבק מרכזית. מערכת זו אינה מערכת שבלעדיה הבניין אינו מתפקד והיא בגדר מותרות. היא מותקנת לרוב בבתי מלון ובבתי ודירות יוקרה ומקלה על פעולת שאיבת האבק במבנה. המערכת כוללת משאבה מרכזית הממוקמת באזור ארון החשמל או בתוך מחסן וממנה יוצאים צינורות אוויר בקוטר 5 ס"מ אל החדרים. נקודות הקצה של הצינורות הן פיות עם סגר אליהן ניתן לחבר צינור שואב אבק הפועל כשואב אבק לכל דבר. באופן זה נמנע הצורך לסחוב את שואב האבק ברחבי הבית או הבניין ודי בנשיאת הצינור. השימוש במערכת מונע פגיעות של שואב האבק בקירות או בריהוט כאשר הוא נגרר אך מאידך, צורכת המשאבה המרכזית כמות גדולה יותר של חשמל בשל נפח האוויר הגדול יותר הנמצא במערכת המצריך הפעלת לחץ גדול יותר.
בית חולים הוא גם דוגמה למבנה מיוחד אשר קיימות בו מערכות בניין ייחודיות נוספות הנותנות מענה לצרכים המיוחדים של אותו בניין. דוגמה לכזו היא מערכת להעברת חמצן המתחברת לצד כל מיטה בבית החולים. במבני תעשייה שונים ניתן למצוא אינספור סוגי מערכות ייחודיות להעברת חומרים נוזליים או גזים דרך צינורות בהתאם לתחום העיסוק של המפעל. עוד מערכות, בסדרי גודל אחרים, קיימות בשדות תעופה, נמלי ים ומסופי תחבורה גדולים מאוד לשינוע של כבודה או סחורות. מערכות אלה לעיתים פועלות כמערכת חיצונית ולעיתים, כפי שנהוג כמעט בכל שדה תעופה מודרני, כחלק מהמבנה עצמו.

תכנון המערכות

כמות המערכות הקיימות כיום בכל בניין ממוצע, וקל וחומר בבניינים מורכבים, דורשת תכנון מפורט וקפדני על ידי צוות מתכנני הבניין. ככלל, אחראי האדריכל המתכנן על כלל המערכות אלא שבכל מבנה כמעט, ולו גם בתים וחנויות קטנים, נדרש תכנון של מהנדסים יועצים הפועלים כצוות תחת ניצוחו של האדריכל, וזאת בשל כמות הידע הגדולה הנדרשת בה לא ניתן לשלוט באופן מלא. כל פרויקט בנייה כולל לפחות מספר יועצים בתחום החשמל והתאורה, האינסטלציה (מים וביוב) ומיזוג האוויר ובמרביתם אף יועצים נוספים.
צורת העבודה הנפוצה היא תכנון מקביל של כל אחת מן המערכות בהתאם לתכנון האדריכלי, שינויים מתמידים בכל אחת מהתוכניות בהתאם לאילוצים המתגלים במהלך התכנון ופתרונות יצירתיים למניעת תקלות, התנגשויות ופגיעה בחזות המבנה. לרוב, מוטלת על האדריכל האחריות לתיאום בין תוכניות המערכות השונות בצורה של תוכנית סופרפוזיציה אולם בפרויקטים גדולים ממונה גם יועץ סופרפוזיציה במיוחד למשימה זו. בתוכנית זו מתוכננים הממשקים בין המערכות ומיקומם המדויק של כל חלקיהן. התנגשויות שיש להימנע מהן כוללות לדוגמה חפיפה בין חללים הנדרשים על ידי מערכת מיזוג האוויר והתאורה, צנרות ביוב עבות המתנגשות עם מערכות תת-רצפתיות אחרות או כבלי חשמל הצמודים לצינורות גז. כל זאת חייב להסתדר עם הממשק החיצוני המשרת את משתמשי הבניין תוך כדי אפשרות נגישות מקסימלית עבור טכנאים ומראה חיצוני אסתטי.
פתרונות למיקום כל המערכות חייבים בדרך כלל להימצא עוד לפני תכנון המערכות בשלב התכנון האדריכלי הכללי, בו מושארים חללים קטנים לטובת בנייה נוחה ומסודרת של מערכות הבניין. חללים אלה קיימים בדרך כלל בצורה אנכית לאורך חדרי מדרגות בגרעין הבניין או בצורה אופקית בתוך תקרות מונמכות בכל קומה וקומה. תקרות מונמכות יכולות להיות תקרות גבס עם פתחים מקומיים, המקובלים מאוד בבנייני מגורים, או תקרות אקוסטיות מתפרקות המקובלות מאוד בבנייני משרדים ומוסדות ציבור. למעט ביוב ומים, רוב המערכות יכולות להיות מותקנות בקלות בתקרות מונמכות ובהן התאורה וכיבוי האש שבהכרח חייבים להימצא בהן, חשמל, תקשורת, מיזוג אוויר ומערכות אחרות. במבנים בהם לא מותקנות תקרות מונמכות נהוג להעביר גם את תשתיות החשמל והתאורה בתוך נפח התקרה/רצפה עצמה.

בנייה

על מנת להגיע לאיכויות אדריכליות במבנה, רוב מערכות הבניין מוחבאות בדרך כלל בתוך הקירות, הרצפות, התקרות ושלד הבניין ומושארות רק נקודות בודדות מחוץ להן כדי לאפשר את הממשק עם המשתמשים. מסיבה זו, חלק מתשתיות המערכות נבנות עוד בשלב השלד או בשלבים שמיד אחריו. צינורות ביוב מ-PVC לדוגמה, מונחים במרכז חלל הטפסות של עמודים טרם יציקת הבטון ובכך מוגנים על ידי הבטון וגם חוסכים מכמותו במקומות בהם הוא חשוב פחות לטובת יציבות המבנה (מרכזי עמודים הם כאלה, לדוגמה). עבור מערכות תקשורת, חשמל ותאורה מוטמנים צינורות פלסטיק חלולים בתוך הקירות או תחת הריצוף בהם מושחלים בשלב מאוחר יותר הכבלים הרלוונטיים. ההשחלה נעשית על ידי השחלה ראשונית של חבל בעזרת "סטאלבנד" ובשלב השני נמשך החבל החוצה לאחר שבצידו האחד נקשר אליו כבל החשמל או התקשורת הרצוי. במבנים רבים מונחים צינורות פלסטיק חלולים ריקים, כהכנה עתידית למערכת פוטנציאלית נוספת.
מערכות אחרות, מונחות בתקרות אקוסטיות או תקרות גבס מונמכות אשר מאפשרות גישה קלה אליהן לצורכי תחזוקה. מערכות אלו, מותקנות בשלב הגימור של הבניין ולא בשלב בניית השלד.

קומה טכנית

בבניינים רבי קומות, קיים צורך לבנות קומה המוקדשת רובה ככולה למערכות. בבניינים בעלי מספר קומות קומה זו היא חלק מקומת הגג וברבי קומות וגורדי שחקים מוקדשת למערכות קומה שלמה ולעיתים מספר קומות הקרויות "קומות טכניות". בקומה זו מרוכזות מכונות גדולות ומרכזיות הדרושות לתפעול הבניין כגון מזגן מרכזי, שנאי חשמל, משאבות ומכלי מים וכדומה.

מערכות בניין כאלמנטים אדריכליים

לרוב מערכות הבניין מוסתרות בתוך קירות ורצפות המבנה ורק נקודות הקצה שלהן נשארות חשופות לטובת המשתמש. התכנון האדריכלי המסורתי, ולמעשה ברוב מוחלט של המקרים גם היום, שואף להסתיר ולהצניע את המערכות כמה שאפשר ומתייחס אליהן כאל מפגע חזותי שפתרונו הוא בהסתרה. לעומת זאת, קיימת גישה אשר מיושמת כיום במבנים רבים, של שימוש במערכות הבניין כאלמנטים אסתטיים ואף הדגשתם במקום הסתרתם. על אף שמדובר בעניין של טעם אישי, קיימות דוגמאות רבות הנחשבות על ידי מבקרי אדריכלות כמוצלחות מאוד בניסיונות להתפאר במערכות הבניין ולנצלן כאלמנטים אדריכליים קישוטיים.
שימוש בסיסי במערכות בניין פשוטות כאלמנטים אדריכליים נעשה בסגנונות בנייה מסורתיים בהם טופלו באופן אדריכלי-פיסולי מערכות המחויבות מטבען להיות חשופות. בין אלה ניתן למנות ארובות במרכזי מבנים, שהן מערכות הסקה פשוטות ועתיקות, אשר זכו תמיד לסגנון כחלק בלתי נפרד מהחזית האדריכלית של המבנה. כמו כן, ניתן לציין את הגרגויל הגותי, אשר שימש כמרזב שניקז את מי הגג.
ניצני הרקע למחשבה מתקדמת של שימוש במערכות מודרניות כאלמנט אסתטי החל כבר בתחילת המאה ה-20 עם רעיונות בדבר "האסתטיקה של המכונה" של תנועת הפוטוריזם. אמני התנועה התייחסו למכונות כגון הקטר, מכונות ירייה ומכונות במפעלי תעשייה כעצמים בעלי ערך אסתטי מיוחד ובלתי שגרתי. הגישה הפוטוריסטית נשארה ברמה התאורטית וכמעט ולא צמחה ממנה אדריכלות של ממש, וכמו כן היא לא התייחסה באופן ספציפי למערכות הבניין דווקא, אלא ל"מכונתיות" של הבניין בכלל. עם זאת, השפיעו חלק מרעיונותיהם על אדריכלים בתקופה מאוחרת יותר, בהם ריצ'רד רוג'רס, רנצו פיאנו ופיטר קוק מקבוצת האדריכלים ארכיגראם.
ארכיגראם עסקו בעיקר באדריכלות תאורטית אך בשנות ה-70, נבנה בפריז מרכז פומפידו שנחשב בקרב אדריכלים רבים ליישום מוצלח של כמה רעיונות דומים לאלו של ארכיגראם בדבר אדריכלות בעלת מראה שונה לחלוטין מכל מה שהיה מקובל עד אז. הבניין, שתוכנן על ידי רוג'רס ופיאנו התאפיין בין השאר בהדגשה קיצונית של מערכות הבניין באופן מאוד לא מקובל. מערכות הבניין, כמו גם שלד הבניין החשוף לחלוטין, הודגשו בצבעים שונים ועוצבו כאלמנטים קישוטיים מרובי פרטים אך בעלי שימוש, בניגוד לקישוטים אדריכליים המקובלים בסגנונות הבנייה העתיקים. מרכז פומפידו, שזכה בשל כך לכינוי הגנאי "בית הזיקוק של פריז", גרם דווקא לשינוי דפוס המחשבה בנוגע ליופיים של מערכות הבניין וגרר אחריו עוד מבנים רבים אשר השתמשו בכלי אדריכלי זה.