eCPI
э л е к т р о н н а я   в е р с и я   ж у р н а л а

Технологии трехмерной печати для производства опалубки

Облегченное перекрытие с оптимизированной несущей конструкцией

Ис­сле­до­ва­те­ли Швей­цар­ской выс­шей тех­ни­че­ской шко­лы Цю­ри­ха пред­ста­ви­ли в рам­ках про­ек­та DFAB House об­лег­чен­ное этаж­ное бе­тон­ное пе­ре­кры­тие пло­ща­дью 80 м2. Это пер­вый ар­хи­тек­тур­ный про­ект в ре­аль­ных мас­шта­бах, для ко­то­ро­го опа­луб­ка бы­ла из­го­тов­ле­на ме­то­дом трех­мер­ной пе­ча­ти. Са­мое тон­кое се­че­ние пе­ре­кры­тия со­став­ля­ет все­го лишь 20 мм, при этом пе­ре­кры­тие укра­ше­но де­ко­ра­тив­ны­ми реб­ра­ми и ве­сит в два ра­за мень­ше, чем тра­ди­ци­он­ная ж/б пли­та пе­ре­кры­тия: про­грам­ма бы­ла на­зва­на «Smart Slab», что в пе­ре­во­де озна­ча­ет «ум­ная пли­та». Пе­ре­кры­тие со­че­та­ет в се­бе кон­струк­тив­но-тех­ни­че­ские пре­иму­ще­ства бе­то­на и ши­ро­кие ди­зай­нер­ские воз­мож­но­сти трех­мер­ной пе­ча­ти.

1/1

Пли­та «Smart Slab» бы­ла раз­ра­бо­та­на груп­пой Бе­нья­ми­на Дил­лен­бур­ге­ра, до­цен­та Швей­цар­ской выс­шей тех­ни­че­ской шко­лы Цю­ри­ха. «Smart Slab» – это один из клю­че­вых эле­мен­тов жи­ло­го бло­ка DFAB House. Не­дав­но это пли­та бы­ла уста­нов­ле­на в опыт­но-кон­струк­тор­ском зда­нии NEST Швей­цар­ской фе­де­раль­ной ма­те­ри­а­ло­вед­че­ско-тех­но­ло­ги­че­ской ла­бо­ра­то­рии (Empa) и Швей­цар­ско­го НИИ вод­ных на­ук и тех­но­ло­гий (Eawag) в Дю­бен­дор­фе. Пли­та пло­ща­дью 80 м2 и ве­сом 15 тонн со­сто­ит из один­на­дца­ти бе­тон­ных сег­мен­тов и со­еди­ня­ет цо­коль­ный этаж с над­стро­ен­ной двух­этаж­ной де­ре­вян­ной кон­струк­ци­ей.


Ничего лишнего: оптимизация расхода бетона

В на­сто­я­щее вре­мя трех­мер­ная бе­тон­ная пе­чать поль­зу­ет­ся ши­ро­ким спро­сом в ар­хи­тек­ту­ре. Це­лые до­ма из­го­тав­ли­ва­ют­ся пу­тем по­слой­ной пе­ча­ти. В про­ек­те «Smart Slab» ис­сле­до­ва­те­ли ис­поль­зу­ют трех­мер­ную пе­чать не для про­из­вод­ства бе­тон­ных эле­мен­тов, а для со­зда­ния опа­луб­ки – то есть не­га­тив­но­го от­пе­чат­ка. Для это­го они ра­бо­та­ют с круп­но­фор­мат­ным пес­ча­ным 3D-прин­те­ром; опа­лу­боч­ные про­фи­ли из­го­тав­ли­ва­ют­ся из ма­те­ри­а­ла, ко­то­рый мож­но на­звать ис­кус­ствен­ным пес­ча­ни­ком. Пре­иму­ще­ства, по срав­не­нию с трех­мер­ной бе­тон­ной пе­ча­тью, за­клю­ча­ют­ся в воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния вы­со­ко­тех­но­ло­гич­ной фиб­ро­ар­ми­ро­ван­ной бе­тон­ной сме­си и со­зда­ния кон­струк­ции с точ­но­стью до мил­ли­мет­ра.

iccbp
Трехмерный принтер во время производства опалубки из искусственного песчаника. Рабочий объем принтера с микронным разрешением составляет 8 кубических метров

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Том Манди

Про­из­вод­ство опа­луб­ки – это тру­до­ем­кий про­цесс в бе­тон­ном стро­и­тель­стве, осо­бен­но в слу­чае с не­ти­по­вы­ми эле­мен­та­ми. Вви­ду де­ше­виз­ны и до­ступ­но­сти бе­то­на стро­и­тель­ная от­расль стре­мит­ся ис­поль­зо­вать стан­дар­ти­зо­ван­ные сплош­ные пли­ты пе­ре­кры­тия, од­на­ко об­рат­ная сто­ро­на это­го – вы­со­кий рас­ход ма­те­ри­а­ла и, как след­ствие, боль­шие вы­бро­сы CO2. Циф­ро­вые про­из­вод­ствен­ные ме­то­ди­ки спо­соб­ны вне­сти не­ма­ло­важ­ный вклад в по­вы­ше­ние эф­фек­тив­но­сти про­цес­са: они поз­во­ля­ют оп­ти­ми­зи­ро­вать кон­струк­тив­ные эле­мен­ты та­ким об­ра­зом, что­бы до­бить­ся тех же по­ка­за­те­лей устой­чи­во­сти при су­ще­ствен­но мень­шем рас­хо­де ма­те­ри­а­ла. Для трех­мер­ной пе­ча­ти нет гео­мет­ри­че­ских огра­ни­че­ний и до­пол­ни­тель­ных за­трат – прин­тер спо­со­бен на­пе­ча­тать лю­бую фор­му, ко­то­рую при­ду­ма­ет про­ек­ти­ров­щик.


iccbp
Трехмерный принтер во время производства опалубки из искусственного песчаника. Рабочий объем принтера с микронным разрешением составляет 8 кубических метров

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Том Манди

Новое программное обеспечение для координирования параметров

Для про­из­вод­ства опа­лу­боч­ных эле­мен­тов на­уч­но-ис­сле­до­ва­тель­ская груп­па Дил­лен­бур­ге­ра раз­ра­бо­та­ла спе­ци­аль­ное про­грамм­ное обес­пе­че­ние для сбо­ра и ко­ор­ди­ни­ро­ва­ния всех па­ра­мет­ров, име­ю­щих зна­че­ние для про­из­вод­ства. По­ми­мо ба­зо­вых дан­ных (на­при­мер, раз­ме­ры по­ме­ще­ния), ис­сле­до­ва­те­ли ин­те­гри­ро­ва­ли скан изо­гну­той сте­ны с точ­но­стью до мил­ли­мет­ров, при этом сте­на слу­жит глав­ной опо­рой бе­тон­но­го пе­ре­кры­тия. С по­мо­щью про­грамм­но­го обес­пе­че­ния гео­мет­рия пе­ре­кры­тия бы­ла адап­ти­ро­ва­на та­ким об­ра­зом, что в каж­дой точ­ке по схе­ме пе­ре­да­чи уси­лий ис­поль­зу­ет­ся ров­но столь­ко бе­то­на, сколь­ко нуж­но для вы­пол­не­ния кон­струк­тив­ных за­дач. «Мы не чер­ти­ли пе­ре­кры­тие, мы его за­про­грам­ми­ро­ва­ли», - от­ме­ча­ет Ма­ниа Мей­бо­ди, стар­ший на­уч­ный со­труд­ник и ру­ко­во­ди­тель про­ек­та «Smart Slab» в груп­пе Дил­лен­бур­ге­ра. «Ана­ло­го­вое про­ек­ти­ро­ва­ние не да­ло бы нам воз­мож­но­сти со­гла­со­вать все эти ас­пек­ты, по край­ней ме­ре, не с та­кой вы­со­кой точ­но­стью».


iccbp
Опалубочные элементы соединяются друг с другом для подготовки к бетонированию

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Андрей Йипа

На ниж­нюю по­верх­ность пли­ты пе­ре­кры­тия на­не­се­на де­ко­ра­тив­ная мно­го­уров­не­вая струк­ту­ра с ор­на­мен­том. В то вре­мя как ос­нов­ные реб­ра вос­при­ни­ма­ют на­груз­ки, не­боль­шие фи­ли­гран­ные реб­ра слу­жат для со­зда­ния ар­хи­тек­тур­но­го об­ли­ка и аку­сти­ки в по­ме­ще­нии. Ста­ти­че­ская проч­ность и де­ко­ра­тив­ность – это две сто­ро­ны од­ной ме­да­ли в слу­чае с пли­той пе­ре­кры­тия «Smart Slab».

Кро­ме то­го, в кон­струк­цию пе­ре­кры­тия ин­те­гри­ро­ва­на осве­ти­тель­ная ап­па­ра­ту­ра и сприн­кле­ры. Раз­ме­ры и раз­ме­ще­ние этой тех­ни­ки так­же опре­де­ля­лись с по­мо­щью про­грамм­но­го обес­пе­че­ния. Для их мон­та­жа во вре­мя пе­ча­ти бы­ли сфор­ми­ро­ва­ны со­от­вет­ству­ю­щие углуб­ле­ния.


Кро­ме то­го, в кон­струк­цию пе­ре­кры­тия ин­те­гри­ро­ва­на осве­ти­тель­ная ап­па­ра­ту­ра и сприн­кле­ры. Раз­ме­ры и раз­ме­ще­ние этой тех­ни­ки так­же опре­де­ля­лись с по­мо­щью про­грамм­но­го обес­пе­че­ния. Для их мон­та­жа во вре­мя пе­ча­ти бы­ли сфор­ми­ро­ва­ны со­от­вет­ству­ю­щие углуб­ле­ния. Это ре­ше­ние поз­во­ля­ет эле­гант­но скрыть ин­же­нер­но-тех­ни­че­ское обо­ру­до­ва­ние в пе­ре­кры­тии, сэко­но­мив про­стран­ство. Для до­ма DFAB-House это все­го лишь не­сколь­ко сан­ти­мет­ров, но для вы­сот­ных зда­ний эта эко­но­мия мо­жет озна­чать не­сколь­ко до­пол­ни­тель­ных эта­жей без из­ме­не­ния вы­со­ты.


iccbp
Разделительная смазка на основе масла упрощает распалубку после затвердения бетонной смеси

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Андрей Йипа

Старт производства одним нажатием кнопки

По за­вер­ше­нии про­ек­ти­ро­ва­ния про­из­вод­ствен­ные дан­ные экс­пор­ти­ру­ют­ся на уста­нов­ку од­ним на­жа­ти­ем кноп­ки. На этом эта­пе в про­ект «Smart Slab» бы­ли при­вле­че­ны не­сколь­ко про­мыш­лен­ных парт­не­ров: од­на фир­ма из­го­то­ви­ла опа­луб­ку из ис­кус­ствен­но­го пес­ча­ни­ка ме­то­дом трех­мер­ной пе­ча­ти, при­чем из со­об­ра­же­ний удоб­ства транс­пор­ти­ров­ки она бы­ло раз­де­ле­на на сег­мен­ты раз­ме­ром с под­дон. Па­рал­лель­но с этим дру­гая ком­па­ния про­из­ве­ла де­ре­вян­ную опа­луб­ку на ла­зер­ном стан­ке с ЧПУ. Де­ре­вян­ная опа­луб­ка при­да­ет фор­му верх­ней по­верх­но­сти пе­ре­кры­тия «Smart Slab» и фор­ми­ру­ет пу­сто­ты для эко­но­мии ве­са и ма­те­ри­а­ла и про­клад­ки элек­тро­про­вод­ки.

Тре­тья фир­ма вы­пол­ни­ла бе­то­ни­ро­ва­ние в опа­луб­ке. Сна­ча­ла в опа­луб­ку из ис­кус­ствен­но­го пес­ча­ни­ка за­ка­чи­вал­ся фиб­ро­бе­тон для по­лу­че­ния реб­ри­стой по­верх­но­сти ниж­ней бе­тон­ной обо­лоч­ки, за­тем в де­ре­вян­ную опа­луб­ку за­ли­ва­лась осталь­ная бе­тон­ная смесь.

iccbp
Фибробетон послойно заливается в опалубку, изготовленную методом трехмерной печати

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Андрей Йипа
iccbp
Сборные ж/б элементы по очереди укладываются на решетчатый каркас стены с ячейкой шириной 12 см

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Том Манди

Прочность за счет предварительного напряжения

По­сле двух­не­дель­ной вы­держ­ки один­на­дцать ин­ди­ви­ду­аль­ных бе­тон­ных сег­мен­тов бы­ли го­то­вы для от­прав­ки на строй­пло­щад­ку про­ек­та NEST. Бла­го­да­ря точ­но­му пла­ни­ро­ва­нию и сбор­ным ж/б тех­но­ло­ги­ям ра­бо­ты на строй­пло­щад­ке бы­ли све­де­ны к ми­ни­му­му. Кран по­да­вал эле­мен­ты на не­су­щую сте­ну, где к эле­мен­там при­кла­ды­ва­лось пред­ва­ри­тель­ное на­пря­же­ние: ра­бо­чие про­тя­ги­ва­ли вдоль и по­пе­рек ка­на­ты для на­тя­же­ния че­рез за­ра­нее уло­жен­ные в опа­луб­ку па­труб­ки. Пред­ва­ри­тель­ное на­пря­же­ние тро­сов поз­во­ля­ет су­ще­ствен­но по­вы­сить не­су­щую спо­соб­ность си­сте­мы.

iccbp
Ребристая структура перекрытия «Smart Slab»

© Digital Building Technologies (dbt), ETH Zürich / Андрей Йипа

«Это не­пе­ре­да­ва­е­мое ощу­ще­ние – уви­деть, как точ­но на­ши эле­мен­ты по­до­шли друг дру­гу на строй­пло­щад­ке до­ма DFAB House, на­сколь­ко иде­аль­но они впи­са­лись в уже су­ще­ству­ю­щую кон­струк­цию», - рас­ска­зы­ва­ет Дил­лен­бур­гер. «Этим мы обя­за­ны ве­ли­ко­леп­но­му меж­дис­ци­пли­нар­но­му со­труд­ни­че­ству с на­ши­ми парт­не­ра­ми. Скру­пу­лез­ная ра­бо­та по пла­ни­ро­ва­нию пол­но­стью оправ­да­ла се­бя».





www.ethz.ch