Železobeton se po desetiletí používal jako ekonomická stavební metoda. Možnosti digitální technologie včetně využití 3D tisku však přinášejí nové výrobní postupy zvyšující produktivitu. Krátí dobu výstavby a především ji zlevňují.
Na trhu už existuje celá řada vhodných technologií, softwarů, tiskáren i materiálů využitelných ve stavebnictví. A další se vyvíjejí.
Architekt AI v Texasu
Obří robotická tiskárna 3D vytvořená startupem Icon v Austinu v Texasu byla už koncem roku 2022 považována za senzaci. Jejím úkolem je vytisknout celou čtvrť předměstských domů, kterou nenavrhl ani tak architekt, jako spíše umělá inteligence (AI). Bezesporu se jedná o technologický skok, o kterém autoři říkají, že by jednoho dne mohl zahájit éru levného, nízkouhlíkového a klimaticky odolného bydlení.
Ukázka rodinných domů postavených technologií 3D tisku v Texasu © Icon
Icon vyvíjel 18 měsíců svůj program umělé inteligence pojmenovaný Vitruvius po starověkém římském architektovi. Používá chatbota ke konverzaci s potenciálními majiteli domů o jejich vysněných projektech. Poté, co uživatelé zodpovědí řadu otázek, nabídne jim Vitruvius několik verzí domu doplněných venkovními a vnitřními omítkami a půdorysy.
Vitruvius je navíc už jen krok od toho, aby mohl na přání zákazníka vypracovat i kompletní stavební dokumentaci, žádosti o povolení, rozpočty a harmonogram stavby. To je ambiciózní plán pro nevyzkoušenou technologii, která řeší složitou souhru úkolů. Pokud se však tyto procesy podaří zautomatizovat, odhaduje se, že by software mohl snížit cenu domu nejméně o 100 000 dolarů.
Robotické 3D zařízení realizující samotnou stavbu se skládá z ramena s tryskou, která se pohybuje horizontálně mezi dvěma věžemi a vertikálně po pevných kolejnicích. Tryska vytlačuje patentovanou betonovou směs zvanou Lavacrete, ze které robot vytvoří vnější i vnitřní stěny jednopatrové budovy. Tato nízkouhlíková betonová struktura snižuje množství emisí (vztažené na stavbu pomocí 3D tisku) o 2—6 % v porovnání se stejně velkou budovou postavenou tradičně.
První vytištěné domy byly postaveny v oblasti Wolf Ranch ve městě Georgetown poblíž Austinu. Plánuje se nejméně 80 dalších a v prvních se už bydlí. Plán letos nabízí osm různě řešených domů se třemi až čtyřmi ložnicemi a dvěma až třemi koupelnami. Nová čtvrť bude také zahrnovat vybavení, jako jsou bazény, rekreační stezky a parky se snadným přístupem do centra Georgetownu a Austinu. Každý dům je navíc vybaven fotovoltaickými panely, které pomáhají snížit závislost na vnějších dodávkách energie.
Díky projektům, jako je 100 rodinných domů v Austinu v Texasu, se architektura 3D tisku ve Spojených státech skutečně rozmáhá. Další významný milník pochází ze společnosti Printed Farms, která dokončuje prý největší 3D tištěnou budovu na světě. Je to „luxusní koňská stáj“ na Floridě o rozměrech téměř 940 m2.
Školy rychle a levně
„Výstavba“ prostřednictvím 3D tiskáren se osvědčila i na dalších místech. Například tak vznikla první vytištěná škola v Malawi. UNICEF odhaduje, že v této africké zemi je zapotřebí 36 000 učeben, jejichž vybudování za použití konvenčních metod by trvalo 70 let. Tato propast v infrastruktuře by přitom pomocí 3D tisku mohla být údajně překlenuta už za pouhých 10 let, což znamená, že z formálního vzdělávacího prostředí bude mít prospěch mnoho dalších generací.
Nyní se tímto způsobem staví také škola na Ukrajině. V zemi bránící se ruské agresi bojuje mnoho techniků a stavebních dělníků v první linii, 3D tisk tak pomáhá čelit i nedostatku pracovních sil.
Na místě bývalých amerických kasáren Campell v Heidelbergu v Německu vytiskli největší budovu zhotovenou 3D tiskovým procesem v Evropě
„Vlnící se“ datové centrum
Na místě bývalých amerických kasáren Campell v Heidelbergu v Německu loni vytiskli doposud největší 3D tištěnou budovu v Evropě. Letos na jaře se do ní nastěhoval první nájemce: Heidelberg IT. Tento poskytovatel počítačových služeb ji bude využívat jako „serverový hotel“, tedy jako datové centrum Wave House.
Podle společnosti Krausgruppe, která budovu „postavila“, jde o dosud největší projekt, který byl v Evropě pomocí 3D tisku realizován.
Budova o rozloze 600 m2 s rozměry 54 m na délku, 11 m na šířku a 9 m na výšku byla vytištěna jen za 140 hodin. Celkem si však výstavba vyžádala 10 měsíců. Obtížné bylo například postavit střechu na vlnovitý tvar budovy.
Pro tisk byl použit speciální beton. Tiskárna nanáší beton na místo určení s pomocí ramena s pohyblivou hadicí, vytlačuje ji podobně jako zubní pastu z tuby na zubní kartářek, jen ve větším rozsahu a množství, pěkně na sebe, vrstvu po vrstvě. Beton pro tzv. portálovou tiskárnu se míchá na místě a spotřebuje se ho méně než při dodávce kamionem. Na realizaci stavby je navíc potřeba méně zaměstnanců.
Podle architektů a stavitelů je konstrukce 3D tisku rychlejší a šetrnější k životnímu prostředí než konvenční metody.
U budovy datového centra je typická absence oken a velkých otvorů ve všech nebo hlavních oblastech, a to z bezpečnostních a jiných důvodů. Taková datová centra mají tendenci vypadat docela nudně a neinspirativně. Pokud jsou umístěna mimo města, je tento aspekt nepodstatný, ale trend směřuje k tomu, aby byla datová centra více v blízkosti uživatelů, a proto se umisťují do příměstských oblastí a měst. To vyvolalo i potřebu estetického působení, aby se datová centra stala vizuálně přitažlivějšími. Výzvu v projektu Heidelberg vyřešili tím, že stěnám dodali zmíněný vlnový design, což je prvek, který dal budově i jméno: The Wave House.
Takto vlnité stěny ani nemohly být realizovány konvenčními konstrukčními metodami, takže místo toho byla kvůli konstrukční svobodě této konstrukční metody použita technologie 3D tisku.
První mešita na světě vytištěná 3D tiskem zabírá plochu 5 600 m2 a najdete ji v Jeddahu © Fast Company Middle East
Mešita z tiskárny
Velkým unikátem se nyní chlubí rovněž Saúdská Arábie. Jde o první 3D tištěnou mešitu na světě, s rozlohou 5 600 m2. Nachází se na předměstí Al-Jawhara v Jeddahu. Stavba byla dokončena během šesti měsíců.
Mešita se zaměřuje na podporu klidu mezi věřícími a zároveň integruje přirozené světlo a vyznačuje se také výraznými minarety, které vytvářejí orientační body. Projekt si získal celosvětovou pozornost a ukazuje neomezené možnosti technologie 3D tisku ve stavebnictví.
Království Saúdské Arábie prochází obrovskou transformací, která nově definuje jeho identitu na globální úrovni. V rámci své vize 2030 se království posouvá k inovacím v celém zastavěném prostředí s cílem oživit kulturu a diverzifikovat ekonomiku.
Nejvyšší aditivně budovaná věž na světě se tiskne ve Švýcarsku © RTH Zürich
Třicetimetrová věž
Nejvyšší tištěná věž na světě se rodí ve Švýcarsku. Architekti Michael Hansmeyer a Benjamin Dillenburger stavějí ve švýcarských Alpách 30 m vysokou věž, kterou technická univerzita ETH Zürich 3D tiskne z betonu. Budova pojmenovaná Tor Alva neboli Bílá věž se podle autorů stane v Mulegns koncem tohoto roku „nejvyšší 3D tištěnou strukturou na světě“.
Autoři tak chtějí demonstrovat přednosti 3D ve stavebnictví. Technici na univerzitě v Curychu už vytiskli 8 z 32 strukturálních sloupů. Ty během procesu vznikly z vytlačovaného betonu vyztužovaného ocelí. Sloupy jsou tenké a duté, aby se snížila spotřeba materiálu při zachování strukturální pevnosti. Takové tenkoskořepinové tisky betonu se zatím převážně používaly jako „bednění“, které je vyplněno litým betonem a běžnou výztuží.
„Náš 3D tištěný beton má integrovanou výztuž už během procesu robotického tisku. Integrovaná výztuž v kombinaci se systémem dodatečného napínání dává sloupům potřebnou pevnost umožňující stavět do výšky 30 m. Konstrukční metoda také umožňuje vytvářet složité geometrie a zakázkové komponenty, jak je vidět na geometrických vzorech na povrchu struktury Tor Alva. V tenkostěnných, dutých sloupech věže se beton používá jen tam, kde to konstrukce vyžaduje,“ vysvětluje architekt Hansmeyer.
„Tisk umožňuje snadnou výrobu dílů na zakázku a nestandardních geometrií a nabízí architektům novou svobodu designu.“
Celkem 32 sloupů ve tvaru Y, které budou společně tvořit věž, je potištěno geometrickými texturovanými povrchy. Budou spojeny bez lepidel, pomocí odnímatelných šroubů a dodatečně napínacích kabelů, aby bylo zajištěno, že konstrukci lze v budoucnu snadno demontovat a znovu postavit jinde. Točité schodiště povede do klenutého prostoru v nejvyšším patře, který poskytne panoramatický výhled na okolní krajinu.
Celková předpokládaná doba tisku Tor Alva je 900 hodin a stavba by měla být dokončena letos v létě. Budova bude mít šest pater a bude ji možné využít jako vyhlídkovou věž i jako koncertní síň nebo divadlo. Hostit tedy bude hudební i divadelní představení a fungovat bude rovněž jako „maják“ lákající turisty do historické alpské vesnice.
Tiskárna nové generace
Univerzita v Maine překonala svůj vlastní rekord uvedený v Guinnessově knize rekordů z roku 2019 pro největší polymerovou 3D tiskárnu a představila novou generaci, která je 4× větší než její předchůdce.
Nová tiskárna, nazvaná Factory of the Future 1.0 (FoF 1.0), byla představena koncem dubna v Advanced Structures and Composites Center (ASCC) publiku, v němž byl například zástupce amerického ministerstva obrany a amerického ministerstva energetiky a dále průmysloví partneři, kteří chtějí tuto technologii využívat. Termoplastická polymerová tiskárna je navržena tak, aby vyráběla předměty dlouhé až 30 m, široké 10 m a téměř 6 m vysoké.
FoF 1.0 není pouze velkoformátová tiskárna. Dynamicky přepíná mezi různými procesy, jako je aditivní výroba ve velkém měřítku a operace robotického ramena. FoF 1.0 posouvá nové hranice výzkumu pro integraci těchto kolaborativních robotických operací ve velkém měřítku s novými senzory, vysoce výkonnými počítači a umělou inteligencí za účelem vytvoření certifikovaných systémů, které splňují vysoké standardy kvality. Vědci vyvíjejí pro 3D tiskový materiál na biologické bázi ze zbytků dřeva, jehož je v Maine dostatek. Tato technologie posílí úsilí o komercializaci, jako je BioHome3D a vytváření cenově dostupného bydlení.
Maine potřebuje do roku 2030 odhadem 80 000 dalších domů, mnoho speciálně pro domácnosti s průměrnými příjmy. Zároveň urychluje technologický pokrok v rámci bezpečnostních programů, zejména v segmentu lehkých, snadno přemístitelných budov.
„Ministerstvo obrany zdokonaluje kompozitní a výrobní technologie s University of Maine ASCC již téměř dvě desetiletí. Nejnovější inovace ve výrobě, kompozitních technologiích a materiálech pocházející z našich univerzit jsou a nadále budou zásadní pro bezpečnost a ekonomickou vitalitu USA a jejich spojenců a partnerů po celém světě,“ řekla Heidi Shyuovoá, náměstkyně ministra obrany pro výzkum a průmysl.
Nabízejí se tedy slogany jako „Revoluce ve stavebnictví“? Na odpověď je ještě brzy a stále zůstává mnoho nezodpovězených otázek. Podle některých ekonomů existují levnější a rychlejší alternativy 3D tisku, jako jsou montované a modulární budovy. Prefabrikáty vyrobené z dílů, které jsou konstruovány v továrnách a rychle smontovány na místě, byly oblíbené na počátku 20. století, kdy byly použity k přestavbě po druhé světové válce a poskytovaly levné bydlení.
Ale jsou situace, kdy je 3D tisk už dnes opravdu skvělý, či dokonce nenahraditelný. Například když architekt vyžaduje speciální geometrie a tvary. To tiskárny zvládnou rychle a ekonomicky.