3D принтирани къщи: състояние на технологията

Concreef не предлага принтирани къщи и не е изграждал такива. Тази страница описва какво в действителност означава 3D принтиране на жилищна сграда днес, къде са техническите и нормативните граници и какво би трябвало да е налице, преди изобщо да се говори за такава услуга. Причината страницата да съществува е, че очакванията по темата често са много по-широки от възможностите на технологията.

Какво може да се принтира

При така наречените принтирани къщи се принтира стенната обвивка, почти винаги на едноетажна сграда. Машината изгражда външните и вътрешните стени слой по слой, обикновено като двойна обвивка с напречни ребра, а в получената кухина се поставя изолация или се излива бетон с армировка.

Всичко останало се изпълнява конвенционално. Фундаментите се изкопават, армират и отливат по обичайния начин. Подовите и покривните плочи не се принтират, защото машината не може да изгради хоризонтална конструкция без опора. Покривната конструкция, дограмата, водопроводните и електрическите инсталации, отоплението и довършителните работи също остават класически.

Поради това делът на принтираното в общия обем на един жилищен строеж е сравнително малък. Стените са видимата част, но не са преобладаващата част от труда, от срока и от разхода.

Съществуват и междинни подходи. Част от екипите принтират стенни секции в цех и ги монтират като сглобяеми елементи. Друга част принтира изгубен кофраж и залива в него армиран бетон, което прехвърля носещата функция върху материал с установена нормативна база. Трети работят с торкретно нанасяне върху принтирана или монтирана основа.

Реализациите в Европа и Северна Америка засега са малко и в голямата си част са демонстрационни: показни обекти, изследователски постройки и отделни жилища, изпълнени със значително инженерно съпровождане. Сред известните в бранша участници са COBOD, WASP, PERI, ICON и XtreeE. Тези имена се посочват като контекст на пазара и не са партньори на Concreef.

Съображения при проектирането

Проектирането започва от конструкцията, а не от формата. Решава се какво носи сградата: принтираната стена с вътрешно армиране и заливане, отделна рамка или комбинация. Този избор определя всичко останало.

Печатната геометрия влияе върху плана. Извитите стени са не по-скъпи от правите, затова планът може да се освободи от правоъгълната логика. Същевременно всеки отвор за врата и прозорец изисква решение за преодоляване на разстоянието, защото принтирането не образува свободно висяща хоризонтална част.

Топлотехниката се проектира съзнателно. Непрекъснатите бетонни ребра през дебелината на стената са топлинни мостове и в български климат това има значение за енергийните изисквания към сградата. Схемата на ребрата, видът на пълнежа и евентуалната външна изолация се избират заедно.

Сеизмичните изисквания са определящи за голяма част от територията на България. Те налагат непрекъснатост на носещите елементи, поемане на опънни усилия и връзка между стените и плочите, а точно тези неща са трудни при неармирана принтирана обвивка. Затова конструктивното решение обикновено връща основната работа към армиран бетон.

Накрая, инсталационният проект трябва да е завършен преди печата, защото шахтите, каналите и гнездата се залагат в геометрията. Това измества значителна проектантска работа по-рано във времето, отколкото е обичайно.

Материали и дълготрайност

Печатаемите разтвори са фино зърнести и богати на свързващо вещество, с добавки за управление на реологията. Това е необходимо, за да се екструдира лентата и веднага да поддържа формата си, но означава и че съставът се различава от конструктивния бетон.

Оттук следва важно уточнение по въпроса за устойчивостта. Тъй като печатаемите смеси са по-богати на цимент, принтираната стена не е автоматично с по-нисък въглероден отпечатък от зиданата или монолитната. Литературата отчита, че резултатът зависи изцяло от състава, от количеството спестен материал благодарение на геометрията и от избраната база за сравнение. Работата по нискоклинкерни свързващи вещества, включително LC3, е насочена именно към този проблем, но не променя картината автоматично.

Дълготрайността на жилищна сграда се измерва в десетилетия и точно тук данните са най-оскъдни. Няма достатъчно дълги наблюдения върху принтирани стени в експлоатация, а междусловната връзка, поведението при циклично замразяване и дългосрочното съсъхване са свойства, които се проявяват бавно.

Процес и срокове

Последователността при такъв обект е: проектиране, включително конструктивно решение и стратегия за армиране, съгласуване и разрешителни, изпълнение на фундаменти, подготовка и калибриране на машината на обекта, пробни печати, печат на стените на етапи с прекъсвания за поставяне на армировка и заливане, изпълнение на плочите и покрива, инсталации, довършителни работи, въвеждане в експлоатация.

Продължителността се определя основно от етапите, които не са принтиране. Самият печат на стените е относително кратка част от процеса, докато проектирането, съгласуването, фундаментите, покривът, инсталациите и довършването заемат преобладаващата част. Метеорологичните условия влияят пряко върху печата, защото температурата и вятърът променят поведението на сместа.

Конкретни срокове не се посочват тук съзнателно. Публикуваните кратки срокове за принтиране на къща обикновено се отнасят само до времето на печат на стените и не описват общата продължителност на строежа.

Ограничения

Армирането е първото и най-тежко ограничение. Няма установен и нормативно приет начин за армиране на принтирана стена и решенията остават индивидуални.

Нормативната рамка е второто. Еврокод 2 не покрива този начин на изпълнение. Одобряването минава през индивидуална оценка и изпитвания, а не през позоваване на стандарт, което удължава процеса и прехвърля риска към проектанта и възложителя.

Трето, технологията не покрива хоризонталните конструкции. Плочите и покривът остават конвенционални, което ограничава ефекта върху общия срок и разход.

Четвърто, многоетажността е практически извън обхвата. Почти всички реализации са едноетажни, а преминаването към повече етажи поставя изисквания за носимоспособност и сеизмично поведение, които сегашните решения не покриват убедително.

Пето, машината има ограничения по работен обем, по достъп и по захранване, а обектът изисква подготвена площадка, стабилна основа и организация на снабдяването с готова смес.

Накрая, икономиката не е доказана при единични обекти. Разходът за подготовка, транспорт и инженерно съпровождане е висок, а икономията от отпадналия кофраж се проявява само при подходяща геометрия.

Concreef в контекст

Позицията на Concreef по този въпрос е еднозначна. Няма изградена къща, няма започнат жилищен обект и няма предлагана услуга за принтиране на сгради. Concreef е ранен етап на проект без регистрирано дружество, който работи в нает цех в София с крановия принтер Crane WASP и екструдер LDM XXL. Физическият резултат дотук са пробни стенни отпечатъци с размер около метър и продължаващи изпитвания на смеси.

Преди изобщо да може да се говори за такава услуга, трябва да са налице няколко неща: валидирана смес с изпитвания на реални принтирани пробни тела, завършено конструктивно проектиране и приета стратегия за армиране, изяснен път през нормативните изисквания до въвеждане в експлоатация, достатъчен капацитет и надеждност на машината за работа на обект и решена логистика по снабдяване и подготовка на площадката. Нито едно от тези условия не е изпълнено. Докато това не се промени, Concreef обсъжда темата като изследователска, а не като предложение.