Влияние элементов, изготовленных с помощью аддитивных технологий, на формообразование зданий и сооружений

Введение

В настоящее время в строительстве применяются аддитивные технологии (англ. additive manufacturing), под которыми в общем виде понимаются способы изготовления элементов по цифровой трёхмерной модели (3D-печати) путём последовательного добавления материала (к ним относятся стеновые конструкции, элементы фасада и отдельные части павильонов). Простыми словами, 3D-печать в строительстве представляет собой изготовление частей здания по цифровой модели с помощью оборудования, которое наносит материал в заданной последовательности. Из цифровой 3D-модели извлекаются данные о геометрии будущего элемента, после чего в зависимости от назначения элемента и характеристик оборудования специалист (это может быть проектировщик или конструктор (например, разработчик фасада, инженер по строительным конструкциям и др.)) выбирает способ его изготовления. Далее изготовленные элементы включаются в состав здания, и проектировщик может оценить их влияние на очертания фасада, организацию пространства или выразительность формы. Сегодня 3D-печать в строительстве – это целая группа способов изготовления конструкций, различающихся применяемым оборудованием и возможностями воспроизведения сложной геометрии [7, с. 1-30]. Интеграция аддитивных технологий в проектную практику предполагает оценку формы сооружения и его назначения, поскольку для проектов зданий значимы «критерии утилитарного комфорта и эстетической привлекательности» [2, с. 20]. В связи с этим цель настоящего исследования заключается в изучении влияния элементов, изготовленных с помощью аддитивных технологий, на формообразование зданий и сооружений.

Объекты и методы исследования

Исследование основано на сравнительном анализе научных публикаций о применении аддитивных технологий для изготовления элементов зданий и сооружений. Рассмотрены способы изготовления стен и фасадных элементов методом 3D-печати для определения их влияния на внешний вид зданий и организацию пространства. Также изучены примеры построенных зданий и сооружений и различия во влиянии напечатанных элементов на их форму в зависимости от масштаба применения технологии.

Результаты и их обсуждение

В настоящее время использование аддитивных технологий в проектировании зданий всё теснее связано с возможностью изготавливать элементы, геометрия которых определяется ещё на стадии разработки цифровой модели. Так, 3D-печать в строительстве позволяет воспроизводить прямолинейные и криволинейные стены, благодаря чему проектировщики могут выбирать очертания наружных конструкций с учётом особенностей будущего сооружения [6, с. 653-669]. Сегодня применение 3D-печати рассматривается в исследованиях формообразования зданий, при этом возможности её использования распространяются и на отдельные части зданий, изготовленные для дальнейшего монтажа [3, с. 20-28]. В современной практике значение технологии связано, прежде всего, с различием между геометрией напечатанного элемента и формой всего здания, которая определяется расположением стен и пространственной композицией. По результатам сравнения данных характеристик можно выделить случаи, в которых изготовление сложной детали почти не меняет облик сооружения, хотя сама деталь отличается необычной геометрией.

В научной литературе достаточно подробно рассмотрены отдельные возможности формообразования зданий с помощью 3D-печати. В рамках исследований бетонной печати изучаются размеры изготавливаемых конструкций и способы перемещения оборудования, в работах по проектированию зданий исследователи рассматривают кривизну стен и особенности пространственной композиции.

Между тем здания, возведённые с применением одной технологии, могут в значительной степени различаться по форме, поэтому для оценки её возможностей важно учитывать расположение оборудования и способ соединения напечатанных конструкций. В целом, в исследованиях зданий, созданных методом 3D-печати, рассматриваются как изготовление непосредственно на строительной площадке, так и предварительное производство отдельных компонентов. Так, в работе Хуан, Сюя и Ли (по результатам анализа 42 объектов) отмечены различия в геометрических возможностях портальных систем и роботизированных манипуляторов [6, с. 653-669].

На практике выбор оборудования влияет на то, можно ли изготовить крупную часть здания целиком или её придётся разделить на отдельные компоненты. Ключевое место в этом вопросе отводится размерам рабочей зоны и способу перемещения печатающей головки, от которых зависят габариты конструкции и допустимая кривизна поверхности. В случае портального оборудования изготовление стен обычно связано с рабочим пространством установки, в то же время роботизированные манипуляторы позволяют свободнее изменять направление нанесения материала [6, с. 653-669]. Так, выбор системы печати сопоставлен с геометрической сложностью зданий и способом их возведения. В современной практике проектирования выбор оборудования – один из факторов, влияющих на разнообразие форм во время изготовления элементов непосредственно на месте строительства.

Основное направление исследований последних лет связано с изготовлением стен зданий, поскольку для этих конструкций накоплен наиболее заметный опыт применения 3D-печати. Анализ проектных решений охватывает форму стен и способы соединения их с перекрытиями, в то время как объёмно-пространственное решение зависит также от положения остальных частей здания. Однако здесь важно различать, каким образом напечатанная стена влияет на облик сооружения – например, в обзоре Е. В. Мальцевой рассмотрены реализованные здания Project Milestone и The Wave House с выразительными наружными формами [2, с. 20-27]. Возможности 3D-печати могут использоваться для получения необычного фасадного рельефа, хотя выразительность здания зависит и от расположения проёмов. Для облика здания также важно сочетание напечатанных стен с конструкциями, изготовленными другими способами, поскольку проектное решение охватывает всё здание.

Обоснованность данного положения подтверждается исследованием Е. В. Мальцевой, в котором на примерах реализованных зданий и проектов индивидуального жилья рассмотрено влияние технологии 3D-печати на художественную выразительность сооружений [2, с. 20-27], что является основанием для интерпретации наружной геометрии печатных стен в связи с композицией всего здания.

В проектировании зданий расширение возможностей 3D-печати тесно связано с изготовлением отдельных конструкций, предназначенных для включения в общий объём сооружения. Возможности сегментного изготовления во многом определяются способом соединения элементов, поэтому целесообразно рассматривать форму каждого сегмента и положение конструкции после монтажа [1, с. 12-19]. Важно подчеркнуть, что это касается и перекрытий – предлагаемое А. В. Дмитриевым и И. О. Разовым решение о сегментном изготовлении предусматривает печать поворотных сегментов с установкой в проектное положение после достижения необходимой прочности.

Как правило, перекрытие рассматривается в составе конструктивной системы здания, в то время как его нижняя поверхность может участвовать и в формировании облика внутреннего пространства. Так, проектирование полимерного перекрытия, описанное Лю, Чжаном и Хуа, связано с разделением конструкции на отдельные печатные модули и подбором их геометрии по распределению усилий [8, с. 1739-1753]. Изготовленный авторами экспериментальный образец в масштабе 1:2 отражает, по сути, возможности создания сложной поверхности перекрытия, хотя в данном случае подтверждена лишь реализуемость макета.

Также важно отметить, что общий ход исследования формообразования связан с анализом наружной геометрии зданий, однако на свойства напечатанных конструкций влияет и геометрия их внутренних частей [5, с. 1-21]. Высокая значимость внутреннего строения стен связана с возможностью изменять расположение полостей ещё на стадии проектирования. Изменение геометрии стен заметно на примере решётчатых структур, т. е. внутренних перегородок между наружными поверхностями, которые можно располагать различными способами.

Наиболее заметным следствием изменения внутренней структуры является различие теплотехнических характеристик стен, внешняя форма которых остаётся прежней. В частности, результаты численного исследования Чаматете и Ялчынкая подтверждают зависимость теплопередачи от геометрии перегородок между полостями [5, с. 1-21]. Важно отметить, что изменение внутреннего строения печатной стены следует оценивать отдельно от изменения пространственной композиции здания.

В этом смысле большую роль играет различие между единичной печатной деталью и модулем, из которого предполагается формировать более крупную конструкцию [9, с. 1-22]. В исследованиях роботизированной 3D-печати целесообразно оценивать геометрию отдельного модуля и предполагаемый способ соединения нескольких элементов в составе сооружения. Появление новых возможностей изготовления строительных модулей связано с созданием замкнутых элементов сложной геометрии, которые могут использоваться для формирования сборных конструкций [9, с. 1-22].

Важно отметить, что роботизированное оборудование позволяет изготавливать подобные элементы с различными размерами и внутренними полостями, хотя их дальнейшее применение в здании зависит от массы деталей и способа сборки [9, с. 1-22]. Вместе с тем дальнейшее изучение влияния 3D-печати на форму зданий связано с разграничением построенных сооружений, проектных предложений и экспериментальных образцов, поскольку эти примеры характеризуют разные стадии практической реализации [1, с. 12-19; 8, с. 1739-1753; 9, с. 1-22]. В самом деле, изготовление отдельного макета может подтвердить возможность воспроизведения заданной геометрии, поэтому оценка применения технологии в строительстве должна учитывать ещё и способ включения элемента в состав здания [8, с. 1739-1753].

Стоит полагать, что степень влияния 3D-печати на формообразование здания определяется тем, насколько изготовленные элементы участвуют в создании наружного объёма и организации внутреннего пространства, с учётом масштаба их применения. В связи с этим целесообразно рассмотреть различия между основными способами применения печатных элементов и их влиянием на формообразование зданий и сооружений (табл.).

Таблица

Влияние элементов, изготовленных с помощью аддитивных технологий, на формообразование зданий и сооружений (авторская разработка на основе [1, с. 12-19; 2, с. 20-27; 3, с. 20-28; 5, с. 1-21; 6, с. 653-669; 8, с. 1739-1753; 9, с. 1-22])

Рассмотренные способы применения 3D-печати различаются тем, какую часть сооружения формирует изготовленный элемент. В связи с этим целесообразно концептуализировать взаимосвязь характеристик печатных элементов и формообразования зданий и сооружений (рис.).

Рис. Взаимосвязь характеристик печатных элементов и формообразования зданий и сооружений (авторская разработка)

В целом по характеру влияния на проектное решение можно выделить четыре направления:

• изготовление криволинейных стен для формирования наружного объёма здания. Данное направление связано с возможностью воспроизводить сложные очертания стен, от которых зависит форма фасада и расположение внутренних помещений;
• применение печатного рельефа для изменения облика фасада. В этих случаях меняются рисунок и глубина наружной поверхности, тогда как положение основных конструкций может оставаться прежним;
• изготовление перекрытий из отдельных печатных элементов, что связано с возможностью воспроизводить сложную геометрию конструкции, поскольку форма сегментов влияет на очертания её нижней поверхности после монтажа;
• создание пространственных модулей для сборных сооружений. Возможность изготовления элементов сложной формы уже исследована на опытных образцах, однако для применения подобных решений в зданиях предстоит изучить способы соединения модулей и условия их монтажа.

Вместе с тем степень влияния 3D-печати на форму сооружения определяется положением изготовленных элементов в его пространственной композиции, поскольку изменение геометрии отдельной конструкции может затрагивать наружный объём здания или ограничиваться формой и фактурой самого элемента.

Заключение

Таким образом, применение аддитивных технологий для изготовления элементов зданий и сооружений позволяет изменять геометрию отдельных конструкций, в разной степени влияющую на рельеф фасадов, очертания наружного объёма и форму отдельных внутренних пространств. За сравнительно короткое время 3D-печать в строительстве стала использоваться для изготовления стен и отдельных элементов перекрытий, поэтому влияние напечатанных конструкций необходимо оценивать по их роли в пространственной композиции всего здания.

Дальнейшее развитие проектирования зданий будет зависеть от того, насколько точно проектировщики смогут учитывать геометрию напечатанных конструкций и способы их соединения, определяющие возможности формирования объёмно-пространственного решения в каждом конкретном проекте.