Parametrikus tervezés és digitális gyártás

A kortárs építészetben a 3D nyomtatás mellett számos más egyéb digitális additív és szubtraktív gyártási eljárást alkalmaznak, az egyes épületszerkezeti alkatrészektől kezdve a különleges betonzsaluzatokon át a komplett épületszerkezetig egyre több minden készül gyártósorokon robotika segítségével.

Egy pár évvel ez előtti projekt – amelyet még a bécsi TU kísérleti magasépítés szakán készítettünk Bernardo Rührig-gel közösen – többféle digitális tervezési és gyártási eljárást is jól szemléltet. A két féléves stúdió az experimentális épületszerkezetek 3 fajtája köré szerveződött: pneumatikus (felfújt) épületszerkezetek, membránszerkezetek és a különleges UHPC beton (UltraHighPerformanceConcrete) alkalmazásával kísérleteztünk.

© parametric | art

© parametric | art

A pneumatikus épületszerkezetek egyre nagyobb teret hódítanak a kortárs parametrikus és high-tech építészetben, ugyanis ezekkel a szerkezetekkel lehet a „leggazdaságosabban” lefedni egy teret; azaz itt lehet a lehető legkisebb mennyiségű beépített anyaggal és legkisebb keresztmetszettel a legnagyobb fesztávokat áthidalni. A természet számára sem ismeretlenek ezek a megoldások, a sejtek tulajdonképpen mind kis pneumatikus cellák, amelyek a külső és belső nyomáskülönbségek miatt a vékony sejtfalukkal mégis képesek megvédeni a sejtmagot. Feszített membránszerkezetekkel is gyakran találkozni a természetben, vehetnénk példának a pók hálóját vagy egy szitakötő szárnyát; az evolóciós fejlődés minden faj esetében a legoptimálisabb megoldásokat alakította ki az adott követelményeknek megfelelően.

DSC_0033

A parametrikus/generatív építészet az organikus formáival nem csak a természet formavilágát igyekszik leképezni, de az anyatermészet „tervezési módszertanát” is megpróbálja elsajátítani az optimalizáló algoritmusok modellezésével és adaptálásával. Az így szert tett tudást aztán nagyobb léptékbe átültetve különlegesen hatékony és gazdaságos épületek és épületszerkezetek tervezhetőek, amelyek a fenntartható fejlődés jegyében nem csak, hogy gazdaságosabb erőforrás-felhasználást tesznek lehetővé, de jelentősen kibővítik az építészet műszaki-technológiai és formai kelléktárát is.

© parametric | art

© parametric | art

Az új technológiákkal és épületszerkezetekkel együtt új anyagok is megjelentek, amelyek nagy része az űrkutatásból került be az építészeti gyakorlatba. Nem csak a 3D nyomtatással történt ez így, az összes többi, digitális gyártási és tervezési eljárással nagyjából ugyanez zajlott le. Az autó- és repülőgépgyártás illetve az űrtechnológia számára fejlesztett új anyagok – mint például az alumíniumhab vagy a különböző kompozitok – egyre többször jelennek meg mind a homlokzatokon, mind belsőépítészeti elemeken. Említhetnénk még az Aerogel-t is, amely egy teljesen átlátszó anyag, kinézetre az üveghez hasonló, viszont jobb a hőszigetelő képessége a kőzetgyapotnál és magasabb a hőállósága mint az alumíniumnak. Továbbá léteznek már a „smart material”-ként is emlegetett kompozit anyagok és szerkezetek is, amelyek valamilyen impulzus hatására (például elektromágneses impulzus vagy fény) képesek megváltoztatni fizikai tulajdonságaikat. Ennek kapcsán indultak el a fejlesztések a 4D nyomtatás irányába, na de ne siessünk ennyire előre. Képzeljünk el egy épülethomlokzatot, amelynek paneljei, mint egy virág szirmai védik az épület belsejét az erős napfénytől, széltől, esőtől – formailag mindig az adott környezeti hatásokhoz alkalmazkodva, amelyről szenzorok folyamatosan gyűjtik az adatokat.

Egy korábbi bejegyzésben már volt szó héjszerkezetről, ott 3D nyomtatással készült parametrikus tojások kapcsán került szóba a héj- és membránszerkezetek működése. Az építészeti gyakorlatban az egy- és kétirányban hajlított héjszerkezeteket leggyakrabban különleges betonokból készítik el, ugyanis ez az anyag formálható a legszabadabban, és a különböző kiegészítő megoldásoknak és vasalásoknak köszönhetően ezzel lehet a leghatékonyabban áthidalni nagy fesztávokat. Jóllehet a hagyományos beton egyáltalán nem számít újfajta technológiának, az UHPC nem régóta van jelen az építőanyagok között. Nyomó és húzószilárdsága a normálbeton sokszorosa, ráadásul olyan finom szemmegoszlású a homok benne, hogy akár sűrített levegős festékszóró pisztolyból is felvihető a zsaluzatra.

DSC_0084

A projektünkben – ezúttal a 3D nyomtatás sebessége miatt más, de szintén digitális eljárásokkal – pneumatikus és membránszerkezetek felhasználásával szerettünk volna létrehozni egy organikus formát, amely – a nyomás alatt lévő elemek leeresztésével – visszanyerhető zsaluzatként működhetne üveghajjal vasalt UHPC beton felhordásához. Ezzel a különleges betonnal még senki nem találkozott közülünk korábban, így az első pár héten magával az anyaggal kísérleteztünk. A rendkívül finom szemmegoszlásnak köszönhetően a beton bármilyen aprólékos formát képes felvenni, a látszóbetonnál is finomabb részletek jelenhetnek meg a felületen. A színe alapvetően sötétszürke, de különböző adalékanyagokkal világosítható és színezhető is. Az alábbi képeken néhány ilyen kísérlet látható, amint különböző formákat próbáltunk meg kiönteni/bespriccelni UHPC betonnal.

A következő lépés magának a betonozandó membrán formájának a kitalálása volt. A zsaluzatot feszített membránfelületként képzeltük el, amelyet pneumatikus, felfújt tartók merevítenek ki. A membránszerkezet ideális alakja minimálfelület, így a szerkezet optimalizálását elősegítendő ilyen formákat szerettünk volna létrehozni. Amilyen nehéz matematikailag definiálni a minimál-felületeket, annyira könnyű fizikailag modellezni ezeket a szerkezeteket. A legegyszerűbb módja például íves keretek közti minimálfelület modellezésének a közönséges harisnya, amely elasztikussága révén a minimálfelületet közelítő alakot vesz fel. Egy kétnapos workshop keretén belül számtalan változat készült különféle anyagokból, melyek között volt az is, amit aztán később továbbgondoltunk. A workshopon született modellek között rengeteg érdekes darab akadt.

Miután megvolt a koncepció, neki kellett állni a kiviteli tervek elkészítésének, hogy aztán megépülhessen a prototípus. A modul célja, hogy a 2 félév végére egy 1:1-es prototípus készüljön el, amelyet aztán adott pontokon kiállítanak majd. A koncepciómodell készítésekor még könnyű dolgunk volt, a rugalmas harisnyaszövet magától felveszi a legkisebb feszültségekkel járó alakzatot, a megépülő prototípusnál azonban már nem jöhetnek szóba rugalmas anyagok, hiszen körülbelül egy tonna betonnal szerettük volna bevonni a membránt, amit csak feszített, nem elasztikus szerkezettel lehet megoldani. Az anyagválasztás – többféle sikertelen kisérletet követően – PE fóliára esett a pneumatikus tartópárnák esetében, és siklőernyő vászonra a feszített membránszerkezeteknél, ugyanis ez elég teherbíró, hogy elbírja a rákerülő betont, és a varrások is strapabíróbbak lehetnek, mivel nem foszlik az anyag.

Szerencsére sikerült szponzort szerezni mindegyik alapanyagra, így el lehetett kezdeni dolgozni a kiviteli terveken. A következő lépés valamilyen szabásminta elkészítése volt, hiszen az íves, csavarodó formát egy teljesen kifeszített, merev szerkezettel kell elérnünk. Analóg módszerekkel is megoldható lett volna, a harisnyamodellen bejelölhettünk volna vonalakat és azokat kiterítve megkaptuk volna a darabokat. De pontatlan lett volna (mivel nem volt köztünk gyakorlott szabó) és rengeteg időbe is telt volna. Épp ezért hasznos a parametrikus tervezés, a harisnyamodellünket ugyanis a fizikai kísérletet követően digiálisan is előállítottam Grasshopperben. Az algoritmus nagyon egyszerű volt, az alapgörbét egy meghatározott távolsággal (60 cm) és meghatározott szöggel (36 fok) elforgatva sokszorozza, ezek alkotják az oszlopgerinc merevítőit, majd ezek közé – a feszített membrán alakváltozásait közelítve – paraméteresen minimálfelületet generáltunk. A Grasshopper Kangaroo kiegészítője, amelyet Daniel Piker fejlesztett, remek eszköz membránokkal végezendő formatanulmányokra, különböző erőket képes szimulálni, és részecskékkel modellezni a 3D-s térben. Hatalmas előnye, hogy teljesen ingyenes. Mi is ezzel kezdtük el, aztán külsős konzulensként kapcsolatba kerültünk egy bécsi építészirodával, akiknek volt egy fantasztikus saját fejlesztésű szoftverük, a Formfinder, amely direkt membránszerkezetek méretezésére és tervezésére való, ráadásul egyből szabásminta is generáltatható vele csomóponti szerekezeti elemek tervezésével együtt. A mi projektünk esetében elég volt az ötből egyetlen modult  kidolgozni, a membránfelület szabásmintája elforgatva ismétlődik végig az oszlopon.

110428_D_Turm

Ekkoriban még nem volt saját asztali 3D nyomtatóm, viszont pont ezidőtájt sikerült közelebbről megismerkedni a bécsi TU építészkarának laborjaival. Van vagy 8db belőlük, a legkorszerűbb gépekkel (CNC-k, robotok, arduino-k, szerelőaknák, 3D nyomtatók) vannak felszerelve, így minden adott akár 1 : 1 –es méretrányú prototípusok készítéséhez. Minden laborban volt legalább egy 3D nyomtató, némelyekben PolyJet gépekkel, sőt akadt egy Eos SLS gép is, amely fémmel is tud nyomtatni. Természetesen a mi mmodellünket is elkészítettük 1:10-ben 3D nyomtatással, a lényeg itt azonban a végleleges kivitelezés volt. A szabásminta generálása szintén Grasshopper-ben történt; az eredeti, 2 irányban hajlított íves NURBS felületet függőleges osztásokkal (melyek sűrűsége parametrikusan változtatható) felosztottuk több, már csak egy irányban hajlított lemezre. Az így kapott 1 irányban hajlított membránokat kiterítve megkaptuk azok szabásmintáját. Azért volt szükség a felosztásra, mert a Grasshopper-ben 2 irányban hajlított felületek pontos kiterítésére nincs lehetőség. Maya-ban és 3dsMax-ban is létezik UV Wrap funkció, ez azonban csak közelítően működik, és csak mesh-ekkel dolgozik (inkább low-poly modellezésnél használatosak a texturázás megkönnyítésére). Miután megvolt minden egyes szalagnak a saját szabásmintája (gyártmányterve), először egy 1 : 5 léptékű kisebb prototípus megépítésén teszteltük, hogy működik-e. Mivel a siklóernyő vászon nem olcsó mulatság, a kis próbadarab esetében papírból vágtam ki a szabásminta alkotóelemeit és ragasztottam őket össze, hogy kiadják-e a megfelelő formát.

Miután az 1 : 5 –ös prototípus működőképesnek bizonyult, belefoghattunk az eredeti, 1 : 1 –es pneumatikus- és membránszerkezet megépítésének. A minimálfelületek szabásmintái már megvoltak, azokat csak fel kellett nagyítani. A penumatikus szerkezeteket, a felfújható PE-fóliából hegesztett tartókat – szintén generált szabásminta alapján – kivágtuk és összehegesztettük, majd vizes próbával vizsgáltuk a vízzáróságát. Mivel jelentős tömegű betont kell majd megtartania a szerkezetnek, a pneumatikus tartókat teljesen keményre kell fújni, ezt önmagában a 0.8 mm vastag PE-fólia és a hegesztései nem bírnák el, így a felfújt szerkezet köré szükség volt – a membránszerkezetnél már alkalmazott – siklóernyő vászonból egy második burkot készíteni, amely megakadályozza, hogy a nyomástól alakváltozást szenvedjen a fólia. Mivel a pneumatikus zsákot egy kis zseben át is bele lehet tenni a vászonba, elég volt egy zipzáras nyílás, majd a tartó a felfújást követően magától rászorul a gerinctartó oszlopra, kifeszítve ezzel a gerinctartók közti membránszerkezeteket.

A gerinctartó a recycling jegyében egy kartonpapírból készült szőnyeghenger lett, amelyet a betonozás következtében fellépő nedvesség ellen impregnáltunk. Az alső és legfelső gerinctartó – a többi, pneumatikus párnával ellentétben – merev szerkezetként került kialakításra, másfél centis rétegelt lemezből vágtuk a talp- és fejprofilt, amelyre aztán rögzíteni tudtuk a membrán végeit. Miután felkerültek a gerinctartók az oszlopra, felhúztuk a membránt, rögzítettük a két végét, majd felfújtuk a fóliákat. Mivel folyamatos és jelentős túlnyomásra volt szükség, a párnákat egy akváriumpumpával folyamatosan fújtuk tele levegővel. Miután kész volt a szerkezet, egy raklapból ideiglenes talapzatot készítettünk neki, majd 2 napig teszütemben állt.

Photo on 2011-06-01 at 15.54 #2

A projektünket és az évfolyam egy másik munkáját ki is állították egy fesztiválon Bécs külvárosában, majd pár hétig a TU udvarán voltak megtekinthetőek. A mi installációnkat végül nem is fújtuk be betonnal, mivel az évfolyam célja az UHPC beton mellett a membrán- és pneumatikus szerkezettervezés megismerése volt, demonstrációs céllal megmaradt tisztán a beton nélküli szerkezet. A többi képen látható, ahogy egyéb – szintén a modul keretén belül készült – terveket fújnak be betonnal festékszóró pisztollyal. Ezekben az esetekben a beton húzószilárdságának növelésére vasalásként üvegszövet került beépítésre.

Ezen a projekten remélem áttekinthető volt egy kisebb léptékű digitális tervezési és kivitelezési feladat az elejétől a végéig. A koncepció kiindulási pontji ebben az esetében adott épületszerkezetek voltak, amelyekkel dolgozni szerettünk volna. Majd analóg kísérletekkel igyekeztünk megtalálni a megfelelő formát, amelyet aztán digitálisan szimuláltunk a pontosabb modellezés érdekében. A digitálisan megtervezett 3D modellből aztán különböző algoritmusok segítségével gyártmányterveket generáltunk, amelyet kód által vezérelt gépek hajtottak végre. Kivételt képez ez alól a membrán elkészítése, amelyet egy profi varrónő készített el magas minőségben.


Jóllehet ennek a feladatnak nem túl sok köze volt  3D nyomtatás technológiájához, ha alaposan belegondolunk azonban, a betonnal történő építés – kiváltképp, ha betonpumpából történik a beépítés – nagyonis hasonlít a 3D nyomtatók additív működési elvéhez. Nem véletlen, hogy az első 3D nyomtatott épületek koncepciói is mind-mind a betontechnológián alapulnak, ugyanisezzel az anyaggal szintén lehetséges a rétegről rétegre történő felpítése a formáknak, csak éppen jóval nagyobb léptékben, mint például a 3D nyomtatás kővel, ahol polimerrel összeragasztott kőporral lehet 3D nyomtatni egy átalakított asztali 3D nyomtatón. De erről majd egy későbbi bejegyzésben bőven lesz szó.

Advertisements

About bonooobong

parametric | architecture

2 comments

  1. Visszajelzés: 3D Drucken in der Bauindustrie | 3dfizz - die Gemeinschaft um 3D Drucken

  2. Visszajelzés: Workshop: Generatív 3D modellezés 3D nyomtatásra | parametric | art

Vélemény, hozzászólás?

Adatok megadása vagy bejelentkezés valamelyik ikonnal:

WordPress.com Logo

Hozzászólhat a WordPress.com felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Twitter kép

Hozzászólhat a Twitter felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Facebook kép

Hozzászólhat a Facebook felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Google+ kép

Hozzászólhat a Google+ felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Kapcsolódás: %s

%d blogger ezt kedveli: