Фасадни елементи от 3D принтиран бетон

Фасадните елементи са неносещата обвивка на сградата: облицовъчни панели, декоративни екрани, парапетни и корнизни детайли, засенчващи ребра. При тях 3D принтирането има ясно предимство, защото разходът за отделен кофраж на всеки различен панел отпада. Формата, която се променя плавно по фасадата, престава да бъде скъпо изключение.

Какво може да се принтира

Принтират се плоски панели с релефна лицева повърхност, извити панели с единична кривина, перфорирани екрани с променлив процент отвор, вертикални и хоризонтални засенчващи ребра с променливо сечение, както и парапетни елементи и детайли около отвори.

Обичайният начин на изпълнение е панелът да се принтира легнал, с лицето надолу или настрани, а не изправен. Така релефът се получава по вертикалната ос на печата, надвесите се управляват по-лесно, а панелът остава устойчив по време на изграждането. Това решение обаче определя посоката на слоевете спрямо натоварването и трябва да се съгласува с конструктора.

Перфорираните екрани са особено подходящи, защото при тях отворът е част от траекторията, а не резултат от изрязване. Процентът отвор може да варира плавно по височина или в зависимост от ориентацията, без това да усложни производството.

За обемни фасадни елементи се използва същата схема като при стените: двойна обвивка с ребра и кухина. Кухината намалява масата, а масата на фасадния панел е пряко свързана с цената на укрепването.

Съображения при проектирането

Определящото решение е закрепването и то се взема преди формата. Панелът се окачва към подконструкция, която поема теглото и ветровото натоварване и позволява регулиране в три посоки. Точките за захващане се залагат в модела, като се съобразява, че принтираният материал около закладната част е неармиран и не понася концентрирано натоварване.

Габаритът се ограничава от транспорта и от повдигателната техника, а не от машината. Голям панел намалява броя фуги, но увеличава разхода за монтаж и риска при повдигане. Разделянето на фасадата на панели се прави заедно с този анализ.

Фугите между панелите са част от архитектурата, а не техническо неудобство. Те поемат допуските при производство и монтаж, както и температурните деформации. При вентилируема фасада отворената фуга е и част от вентилационното решение.

Водата определя детайлите. Всяка хоризонтална повърхност получава наклон навън, всеки долен ръб получава капкообразувател, а местата, където вода може да се задържи в печатния релеф, се преразглеждат. Този анализ е по-важен за фасадните елементи, отколкото за който и да е друг вид принтиран елемент.

Накрая, релефът се проектира с оглед на светлината. Печатните линии сами по себе си създават хоризонтална текстура с изразена игра на сянка при ниско слънце. Ако това не е желано, релефът трябва да се направи достатъчно едър, за да доминира над линиите на слоевете.

Материали и дълготрайност

Фасадният елемент е изложен на пълния набор атмосферни въздействия: дъжд, слънчева радиация, температурни колебания, замръзване, градски замърсители. Печатаемата смес за фасада трябва да е плътна, с ниска водопопиваемост и устойчива на циклите замразяване и размразяване, характерни за софийската зима.

Наличието на хоризонтални фуги между слоевете е специфичният риск. Ако връзката между слоевете е отслабена заради дълго изчакване, фугата става път за вода. При вертикално монтиран панел това се проявява като локални зацапвания и, при мраз, като отлющване по фугата. Затова контролът върху времето между слоевете е пряко свързан с дълготрайността на фасадата.

Цветът и остаряването също трябва да се обсъдят предварително. Циментовите повърхности избеляват неравномерно, събират биологично замърсяване на сенчестите страни и се променят през първите години. Хидрофобното покритие забавя процеса, но не го спира и се подновява периодично.

Обичайният конструктивен отговор е панелът да се монтира като вентилируема фасада: с въздушна кухина зад него и изолация върху носещата стена. Така панелът изсъхва и от двете страни, а влагата не се задържа в конструкцията.

Процес и срокове

Работата започва от архитектурния проект и от разделянето на фасадата на панели. Следва конструктивно решение за подконструкцията и за закрепването, което определя допустимата маса и позициите на закладните части.

След това се изгражда параметричен модел, при който всеки панел се извежда от обща логика, а не се моделира отделно. Моделите се нарязват на слоеве и се генерира машинният код. Прави се пробен панел в реален размер, който служи за оценка на релефа, на цвета и на реалната маса, както и за изпробване на закрепването.

Производственият цикъл на серията включва печат, отлежаване, повърхностна обработка, евентуално нанасяне на покритие, складиране, товарене и монтаж. Складирането е отделна задача, защото панелите са едрогабаритни и чувствителни към ръбове, и изисква проектирани стелажи.

Продължителността се определя от броя и размера на панелите, от това колко от тях са различни, от времето за отлежаване преди повдигане и от графика на монтажа, който обикновено зависи от скелето и от останалите дейности на обекта. Проверката на пробния панел е етап, който по правило води до корекции и не бива да се пропуска.

Ограничения

Принтираният панел е крехък, докато не е монтиран. Най-честите повреди се случват при манипулация, товарене и повдигане, а не в експлоатация. Това налага такелажно решение, проектирано заедно с панела.

Материалът е анизотропен и това има пряко значение за фасаден панел, натоварен на огъване от вятър. Посоката на слоевете спрямо основната посока на огъване трябва да се избере съзнателно и да се докаже с изпитване, а не да се приеме по аналогия с отлят бетон.

Нормативната обосновка е ограничение. Фасадните облицовки подлежат на изисквания за пожарна безопасност, за закрепване и за реакция при сеизмично въздействие. Няма установен стандарт за 3D принтиран бетон, затова доказването минава през изпитване на конкретния елемент и през оценка от проектанта, което удължава съгласуването.

Точността е по-ниска, отколкото при отливане в твърд кофраж. Отклоненията се поемат от фугите и от регулируемото закрепване, но това означава по-широки фуги, отколкото при прецизни облицовъчни системи.

Накрая, малката серия остава скъпа. Икономиката работи, когато панелите са много и различни, а не когато са малко.

Concreef в контекст

Concreef е ранен етап на проект в София, без регистрирано дружество и без изпълнени обекти. Досегашният физически резултат са пробни стенни отпечатъци с размер около метър, направени в нает цех на машина Crane WASP, плюс продължаваща работа по печатаемата смес.

Фасадните приложения изискват доказана дълготрайност и изпитано закрепване, а тези неща при Concreef все още не са налице. Затова разговор по такава тема се води на ниво проучване: какъв релеф е изпълним, какъв пробен елемент може да се направи и какви изпитвания биха били необходими, преди изобщо да се обсъжда реален обект.