Создание архитектурных форм посредством аддитивных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Создание архитектурных форм посредством аддитивных технологий

Ж.Э. Уморина, И.Э. Мохов, Е.Ю. Витюк

УрГАХУ, Екатеринбург, Россия

В современном мире инновационным способом создания объектов является 3D печать или аддитивные технологии, основанные на цифровых технологиях и робототехнике, которые используют в процессе 3D-печати разные материалы и могут влиять на их свойства. Эти технологии широко применяются в различных областях жизни человека от дизайна малых форм до медицины. Повторяя форму заданной на цифровом носителе модели, роботы могут создавать объекты разной величины и плотности, с разными характеристиками и из различных материалов. При этом задавать параметры и свойства структур можно на начальном этапе программирования процесса обработки данных посредствам расчета конструктивных нагрузок и эксплуатационных особенностей.

Ключевые слова: аддитивные технологии, архитектурное формообразование, инженерное оборудование, контурный крафтинг, синтетическая биология.

THE CREATION OF ARCHITECTURAL FORMS BY MEANS OF ADDITIVE TECHNOLOGIES

J. E. Umorina, I. E. Mokhov, E. J. Vityuk USAAA, Ekaterinburg, Russia

Abstract. In the modern world, an innovative way to create objects is 3D-printing or additive technologies based on digital technologies and robotics, which use different materials in the process of 3D-printing and can affect their properties. These technologies are widely used in various areas of human life from small form design to medicine. Repeating the shape of the model specified on a digital medium, robots can create objects of different sizes and densities, with different characteristics and from different materials. At the same time, the parameters and properties of the structures can be set at the initial stage of programming the data processing process by calculating the design loads and operating characteristics.

Key words: additive technologies, architectural shaping, engineering equipment, synthetic biology, contour crafting.

Аддитивные технологии, широко применяемые в разных сферах деятельности человека, таких как: медицина, строительство, дизайн; нашли свое применение и в архитектуре. Создавая необычные футуристические формы, архитектор проектирует модель, которую в дальнейшем при расчете нагрузки может построить или вылепить робот-3D-принтер из разных материалов. Роботы могут быть запрограммированы, повторять движения насекомых, действовать на удаленном от цифрового источника расстоянии или повторять одинаковые манипуляции с разной частотой, тем самым формируя объем подобный ячейковому или фрактальному, также можно программировать синтетические материалы их внутреннюю структуру и клеточное строение таким образом, как этого требует расчет нагрузок. Такие материалы, созданные из смесей полимеров, органических веществ и даже живых бактерий называют синтетическими и используют в аддитивных технологиях. Эти технологии используют для улучшения прочностных характеристик конструкций, для строительства в космосе и воплощения в реальность необычных архитектурных решений.

Итальянский робототехник Энрико Дини был первым, кто напечатал сооружение в архитектурном масштабе, на огромном D-образном принтере, который использует песок и химический связующий агент для создания материала, похожего на камень. Машина Энрико Дини называется D-форма и является крупнейшим в мире 3D-принтером. Расположенный на складе недалеко от Пизы, он выглядит как установка освещения сцены и работает как лазерно-спекающая машина, но с песком вместо нейлонового порошка и химическими веществами вместо лазера.

С применением этой технологии архитекторы Андреа Морганте и Энрико Дини произвели печать трехметрового павильона размером 10 м в 2009 году, напоминающего гигантское яйцо с большими отверстиями на его поверхности. Эта первая напечатанная архитектурно-акустическая структура.

Также примером маломасштабного жилого объекта служит небольшой одноэтажный дом-структура, напоминающий горную хижину, который был напечатан для выставки в Триеннале в Милане Энрико Дини с дизайнером Марко Фер- рери в 2010 году [1].

Сельский дом в виде бесконечной ленты. Пример этого проекта показывает, как можно реализовать фантазии нидерландского архитектора напечатать дом в форме ленты Мёбиуса. Концепцию своего проекта архитектор объясняет так: «Планета Земля не имеет начала и конца, и мы стремимся к такой же форме». Принтер, разработанный для проекта инженером Энрико Дини, может печатать квадраты размером 7*7 м.

Фирма Universe Architecture совместно с инженерной компанией BAM испытывают его в одном из производственных помещений Амстердама. Работа принтера основана на послойном отвержении рабочего порошка, который насыпается в ванну, разравнивается и отвергается в нужных местах с помощью робота. Инструментом является прямоугольная матрица с соплами, через которые подается раствор [2].

Среди выдающихся разработчиков 30-технологий в области строительства лидирующее место занимает американская корпорация Contour Crafting (CCCorp), являющаяся эксклюзивным разработчиком различных типов строительных конструкций, включая жилые, коммерческие и правительственные здания. Другой областью применения является инфраструктура, которая может включать в себя фундаменты, плиты, мосты, пилоны и т. И, наконец, внеземное строительство, то есть строительство на Луне и Марсе для разведки, эксплуатации, обитания и колонизации планет, является еще одной важной областью использования CCCorp технологии. Технология контурный крафтинг имеет потенциал для создания безопасных, надежных и доступных лунных и марсианских структур, мест обитания, лабораторий и других объектов для пребывания людей. В настоящее время разрабатываются строительные системы контурный крафтинг, которые используют природные ресурсы и могут использовать лунный реголит в качестве строительного материала [3]. Эти структуры могут включать в себя комплексную защиту от излучения, водопроводную, электрическую и сенсорную сети.

На более концептуальном уровне ученые пытаются определить реальный потенциал 3D-печати и то, как это может спровоцировать совершенно новые строительные типологии, а, следовательно, произвести революцию в строительных технологиях. Это послужит созданию в будущем жилых структур, напечатанных роботами. Однако, неизбежно, что технология 3D-печати будет продолжать развиваться, и по мере снижения стоимости и сложности применяться все чаще в строительстве и архитектуре.

Уже на данный отрезок времени можно подвести некоторые итоги, которые выявляют преимущества применения аддитивных технологий - «АМ-технологий» (АМ - Additive Manufakturing) в строительной индустрии:

Дом, спроектированный под индивидуального заказчика с учётом его требований, строится за 1 день (без отделки). При этом, изготовление сборных модулей, строительных элементов происходит за пределами стройплощадки.

Достойное и приемлемое жилье для людей с низкими доходами.

Комфортабельные жилые убежища для длительного пользования пострадавшими от стихии; строятся очень быстро.

Строительство без отходов, шума, пыли и загрязнений воздуха.

Нет инцидентов и травм на строительных площадках, нет соответствующих судебных разбирательств.

Любое отклонение от стандартного проекта (например, использование криволинейной поверхности вместо прямой стены) не повлияет на стоимость построенного объекта, по сравнению с аналогичной ситуацией в традиционном строительстве.

Результаты обзора аддитивных технологий для строительной индустрии и опыта их применения показывают хорошие перспективы для развития этого направления. Материалы практически те же, как и при монолитном строительстве. Экономия возникает только за счет автоматизации производства, возможности быстро и без особых трудозатрат сделать сложные формы фасадов, конструктив стен. Кроме того, 3D-печать - это некий дополнительный инструмент, с помощью которого удобно решать ряд строительных задач. Ее удел - не только единичные авторские постройки, но и массовые применения, например, очень сложные многокамерные стены с большим количеством полостей под коммуникации.

Примерами успешного использования АМ-технологий в строительстве является Компания Winsun (Китай), которая занимается оказанием услуг по строительству, используя портальные 3D-принтеры собственной разработки. Офисный комплекс в Дубае был построен с помощью этого портального 3D-принтера за 17 дней и использовался для временного размещения Фонда будущего Дубая. Интерьер был изготовлен также с помощью аддитивных технологий. В настоящее время «Офис будущего» эксплуатируется фондом Future Foundation и используется для проведения выставок, конференций и других мероприятий. Объект изначально был напечатан фирмой Winsun в мастерской, после чего собран в течение двух дней уже на месте [4].

Временные казармы для Пентагона. В Пентагоне американские военные инженеры готовятся возводить временные казармы с помощью строительных 3D- принтеров и с использованием местных строительных материалов 3D-принтер способен наносить бетон с наполнителем из частиц размером до десяти миллиметров, при этом предусматривается армирование бетона как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Жилой блок площадью 50 м2 отпечатан на 3D-принтере. Мобильные аддитивные строения могут оказаться полезны и при возведении временного жилья для гражданского населения. Сельский экодом компании WASP(Италия) в технопарке Шамбала. Рабочий материал - смесь соломы с клеем. Цель проекта показать, как можно построить дома, имея ограниченный бюджет, с экономией электроэнергии и минимальными отходами стройматериалов [5].

Ажурный мост в Амстердаме построенный с помощью 3D-принтера. Дизайн моста через канал Oudezijds Achterburgwal был разработан в лаборатории Joris Laarman Lab. Символизм моста в соединении технологий будущего со старым городом. Принтер MX3Dоборудован 6-осевым роботом ABB, который позволяет создавать из металла за счет наплавки пространственные структуры. Объем не ограничен традиционным «кубиком» рабочей зоны обычного 3D-принтера, поэтому печать реального моста явилась хорошим шансом продемонстрировать неограниченные возможности этой технологии [6].

Строительная 3D-печать в России так же имеет своих специалистов. Первый портальный малоформатный строительный 3D-принтер разработала и представила на рынок в 2015 г. компания из Ярославля ООО «Спецавиа», ныне резидент Сколково, торговая марка «АМТ». Первоначальная ориентация была на малый бизнес как основного потребителя оборудования для создания малых форм элементов ландшафтного дизайна. После того, как гиганты строительного рынка проявили интерес к крупноформатным принтерам, компания разработала линейку из 7 основных типов портальных 3D-принтеров, выпускаемых как серийно, так и по специальным требованиям заказчиков. Это машины: малого формата (объем строительных конструкций до 36 м3) для печати частей зданий, которые за счет разработанных технических решений могут быть интегрированы в типовые проекты домов индивидуального жилищного строительства; принтеры для строительства домов площадью до 140 м2 и более до 2-х этажей:

а) стационарные для печати домов площадью до 140 м2 в 2 этажа;

б) мобильные, позволяющие печатать дом или серию домов без ограничения площади застройки и высоты объекта.

Это профессиональное оборудование, рассчитанное на непрерывную эксплуатацию в условиях производства. Целиком дом на строительной площадке размером 1212 м можно напечатать за одну установку принтера. На сегодня компания продала свыше 50 принтеров заказчикам из РФ, Казахстана, Молдовы, Дании [7].

Для цехового производства, для печати одноэтажных зданий, для печати здания от 2 этажей и выше. Используемый материал: пескобетон М300 - М500, геополимерный бетон, гипс, специализированные смеси. Принтер лёгок в управлении и обслуживании. Программа обучения персонала работе на принтере рассчитана на 16 часов.

«Напечатанный» жилой дом в Ярославле - самое большое здание в Европе и СНГ, построенное с применением аддитивной технологии. Его общая площадь 298,5 м2. Проект осуществила группа компаний «АМТ-СПЕЦАВИА». Начало строительству положено в 2015 году. Коробка здания была отпечатана по частям и смонтирована на фундаменте за один месяц в декабре 2015 года. Летом 2017 г. завершено устройство крыши и проведен основной объем внутренних отделочных работ. На сегодня дом подключен ко всем инженерным коммуникациям и готов к заселению [7].

Кроме строительства больших объектов, компания располагает разнообразным спектром 3Б-разработок для малых архитектурных форм и изделий благоустройства окружающей среды.

Компания Apis Соr из Иркутска напечатала дом площадью 38 м2 в Подмосковье, используя 3D-принтер собственной разработки [8]. Впервые в российской строительной практике дом был отпечатан целиком, а не собран из отпечатанных панелей.

Дизайн одноэтажного жилого дома необычный. Такой проект был выбран неслучайно, так как одна из главных целей строительства - продемонстрировать гибкие возможности оборудования и разнообразность доступных форм. Дом может быть любой формы, в том числе и привычной квадратной, ведь аддитивная технология не имеет ограничений по дизайну возводимого здания, кроме действующих законов физики, а значит, пора говорить о новом фантастическом потенциале архитектурных решений.

Дом возводили в самое холодное время года. Зима добавила сложности для участников проекта, поскольку применение бетонной смеси, используемой в качестве «чернил» возможно только при температуре от 5 0С выше нуля, хотя само оборудование способно работать при температуре до минус 35 0С. Задачу решили с помощью установки крытого тента, где поддерживался необходимый температурный режим [9].

В скором времени с применением новых строительных материалов, например, геобетона, можно будет печатать дома в любое время года [10]. На сегодня наука продвинулась так далеко, что можно программировать синтетические материалы их внутреннюю структуру и клеточное строение таким образом, как этого требует расчет нагрузок, климатические особенности региона и энергоэффективные показатели. Такие материалы, созданные из смесей полимеров, органических веществ и даже живых бактерий называют синтетическими и могут быть использованы в аддитивных технологиях.

Возможностью менять структуру внутреннего строения клеток материалов занимается наука синтетическая биология. Совместно с инженерами, разрабатывающими роботов для 3Б-печати биологи создают материалы способные менять свою структуру под воздействием температур, влажностного режима и давления. Такие материалы могут быть однородными по своей структуре, но при этом менять свои качественные характеристики в местах этого требующих. Например, они могут усиливать прочность на изгиб и сжатие и одновременно быть пластичными. Возможно сегодня начинать проектирование с конструктивные нагрузки. В лаборатории Массачусетского университета были разработаны композитные материалы на основе клеточных структур, которые используют ветвящиеся системы роста, чтобы исследовать определенные принципы в естественных системах и реализовать их в генеративной среде проектирования [11]. Совмещая цифровую и физическую форму поиска можно создавать объекты архитектуры и дизайна с новыми свойствами. Структуры на основе хитозана применяемые в аддитивных технологиях могут изменять свою физическую форму и бить прочными, но гибкими зачет изменения температур при подаче материала 3D роботом. Так же возможно добавление новых свойств материала при формировании массы зачёт добавления новых примесей в процессе создания объекта.

Использование смесей с бактериями в аддитивных технологиях позволит создавать прочные структуры с новыми свойствами, высокоэкологичными и эффективными при эксплуатации. Так, например, материалы с применением бактерий могут самосветится или расти в процессе эксплуатации. Светящиеся бактерии могут реагировать на движение человека и создавать эффект живой архитектуры. Существуют бактерии, вырабатывающие электричество и очищающие воду, их применение в строительстве позволит сделать архитектуру более эффективной. Подобные материалы находятся в стадии экспериментальной разработки, однако имеются проверенные аналоги уже применяемые в архитектуре. Светящиеся кирпичные блоки, блоки с дождевой водой и бактериями для её очищения, бассейны с бактериями, вырабатывающими электроэнергию разработаны и применяются учеными из бельгийского университета Гента (Universiteit Ghent) [12].

Возможность применения гидропоники в аддитивных технологиях и строительстве позволит создавать формы зеленой архитектуры, висячие сады и фермы. Эти пространство гармоничные для человека и природы имеют экологические преимущества и могут рассматриваться с точки зрения биосфер для городских пространств и быть частью зеленого каркаса. Проекты бельгийского архитектора Винсента Калебо наполнены сетчатыми конструкциями, заполненными зеленой растительностью, эти структуры являются ячейковыми и в качестве наполнителя используют гидропонику для чистого способа выращивания растений [13].

Благодаря применению новых строительных материалов можно создавать живую архитектуру будущего, способную реагировать на потребности человека и при этом быть частью природной среды. Применяя эти технологии сегодня можно прогнозировать улучшение экологической среды и гармонизацию техногенной урбосреды. При помощи цифрового проектирования материалов и аддитивных технологий можно создавать формы, которые раньше не позволяли конструктивные нагрузки. Поэтому можно сказать что новые синтетические материалы и цифровые аддитивные технологии несут большой вклад в архитектуру как науку и практику. Строительство займёт лидирующую позицию на потребительском рынке, где дом или другая структура может быть спроектирована и построена семьей, которая ее займет. Снижение затрат и автоматическое строительство сделают строительство доступным для всех.

Трехмерная печать в строительстве станет привычной и будет широко использоваться, как только появится строительный стандарт на аддитивную строительную технологию.

Литература

аддитивный строительный трехмерный

1. Рудный, Ю. Трехмерный принтер возведет на луне песочные базы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/1999.

2. Ruijssenaar, J. UNIVERSE ARCHITECTURE LTD // 3D printing congress at University of Cambridge and NEXT Berlin / J. Ruijssenaar [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.universearchitecture.com/projects/landscape-house.

3. Coldewey, D. NASA's 3D-printed Mars Habitat competition doles out prizes to concept habs [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://techcmnch.com/2018/07/27/nasas-3d-printed-mars-habitat-competition-doles-out-prizes- to-concept-habs/. (дата обращения 19.12.18.).

4. Диксон, М. Управление будущего. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.officeofthefuture.ae. (дата обращения 19.12.18.).

5. Кейс, М. Инженерные войска армии США перейдут на строительную 3d печать. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/the-army-corps-of-engineers-us-army-will-adopt-construction-3d-printin/. (дата обращения 19.12.18.).

6. Маккей, Т. Мост который выглядит потусторонним. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gizmodo.com/these-new-photos-of-the-worlds-first-3d-printed-steel-b-1829899180. (дата обращения 19.12.18.).

7. Маслов, А. В. В Ярославле планируют создать Российский центр аддитивных технологий в строительстве. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://specavia.pro. (дата обращения 19.12.18.).

8. Камоничкина, Н. В., Кочешков, И. В. Исследование прочностных характеристик модельного материала, получаемого методом fdm-печати // Аддитивные технологии № 3-2018. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://additiv-tech.ru.

9. Максимов, Н. Н. Аддитивные технологии в строительстве, оборудование и материалы // Аддитивные технологии № 4-2018. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://additiv-tech.ru/publications/additivnye-tehnologii-v-stroitelstve-oborudovanie-i-materialy.html. (дата обращения 19.12.18.).

10. Принципы расчетного проектирования и аддитивного производства // медиа лаборатория МТИ. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://matter.media.mit.edu/courses/details/principles-of-computational-design-and-additive- manufacturing. (дата обращения 19.12.18).

11. Микробы эффективно вырабатывают электричество из сточных вод. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://softserver.com.ua/2006/05/10/20060510205134797/. (дата обращения 19.12.18.).

12. Зеленый квартал. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://realty.rbc.ru/news/577d23e59a7947a78ce91a0d?from=materials_on_subject. (дата обращения 19.12.18.).

Размещено на Allbest.ru