Český unikát. Zastávka tramvaje u Stromovky je vyrobená z digitálního betonu

V pražské Bubenči byl na zastávce Výstaviště umístěn první přístřešek MHD vytvořený z vysokopevnostního betonu na 3D tiskárně. Konstrukce zastávky využívá přírodní principy rozkládání vnitřních sil nebo tlaků a tahů v konstrukci a výsledný design je díky tomu maximálně efektivní.

Oproti běžným technologiím ušetří tento přístup až 60 % materiálu a z hlediska ekonomického i udržitelnosti lze o robotickém 3D tisku vysokopevnostního betonu uvažovat jako o technologii budoucnosti.

Zastávku vyrobenou technologií 3D tisku betonu s minimálním podílem lidské práce navrhla a realizovala společnost So Concrete. Výroba jednotlivých dílů přístřešku trvala 36 hodin. Přístřešek má rozměry 2,5 krát osm metrů, výšku tři metry a je vybaven lavičkou a LCD informačními panely. Cílem bylo ukázat funkčnost technologie a vysokou estetickou přidanou hodnotu.

„Technologie 3D tisku využívá to, že beton je použit pouze v místech, kde nutně ze statického hlediska musí být,“ řekl náměstek primátora Adam Scheinherr (Praha Sobě). Proti běžnému postupu podle něj lze ušetřit až tři pětiny materiálu.

Přístřešek je složen z několika konstrukčních segmentů, na jejichž výrobu byly použity různé druhy betonu a různé přístupy 3D tisku. Střecha a lavička pro cestující jsou vyrobeny pomocí robotického 3D tisku. Typ betonu výrobce zvolil podle funkce a zatížení daného segmentu. Například pro sedací plochu lavičky nebyla použita rozptýlená výztuž z ocelových drátků, proti střeše, která tuto výztuž obsahuje. Při výrobě hlavic sloupů robot vyfrézoval a vytiskl formy, do kterých byly následně z betonu odlity finální hlavice.

Design zastávky

Parametrický design tramvajové zastávky vychází z přírodních principů především v oblasti rozkládání sil a tahů. Podoba zastávky, umístění a tvary žeber, sloupy, to vše maximálně využívá efektivitu přírodou ověřených řešení. Příroda je totiž maximálně efektivní a nikdy neplýtvá energií a „materiálem“. Záviš Unzeitig, designér So Concrete, vysvětluje, jak proces navrhování inspirovaný těmito vlivy probíhá:

„Už při návrhu dochází k analýze konstrukce po statické stránce a pomocí topologické optimalizace je pak možné redukovat objem použitého materiálu. Estetické kvality a statické požadavky přitom zůstávají zachovány. Výsledné tvarosloví žeber odráží skutečné chování konstrukce při zatížení a přímo tak ukazuje síly, které v ní probíhají. Díky optimalizaci jsme pak místa s menší využitelností mohli z konstrukce odstranit a ušetřit 60 % materiálu. Výsledkem je perforovaná jemná struktura, která odolá stejnému zatížení jako plná betonová deska.“

Digitální pracovní postup

Projekt zastávky byl zpracován digitálním pracovním postupem, který je založen na parametrickém navrhování v programu Grasshopper (Rhino). „Tento framework používáme k návrhu svých vlastních softwarových nástrojů, které pokrývají procesy od generování geometrie přes topologickou optimalizaci, statickou analýzu, 3D slicery a inverzní kinematické solvery až po postprocesory.

Zaměření na tvorbu vlastních digitálních řešení nám umožňuje rychle se přizpůsobit široké škále standardních formátů souborů a typů geometrie. Úzká spolupráce s našimi zákazníky na optimalizaci vstupních digitálních modelů pro náš výrobní proces umožňuje rychlý přechod od nápadu k fyzickému objektu,“ přibližuje Dmitrij Nikitin, inženýr robotiky So Concrete. Aby statické ověření návrhu konstrukce zastávky a její konečné podoby bylo zcela nezávislé, byla pro schválení oslovena přední inženýrská kancelář SHP, Stráský, Hustý a partneři.

Výroba a použité materiály

Zastávka je složena z několika konstrukčních segmentů, na něž byly použity různé druhy betonu a různé přístupy 3D tisku. Střecha a lavička pro cestující jsou vyrobeny pomocí robotického 3D tisku. Materiál – beton – byl zvolen podle funkce a zatížení. Např. pro sedací plochu lavičky nebyla použita rozptýlená výztuž z ocelových drátků, oproti střeše, která tuto výztuž obsahuje. Při výrobě hlavic sloupů robot vyfrézoval a vytiskl formy, do kterých byly následně vytištěny finální hlavice.

Technologie pro budoucnost

Technologie je založena na třech pilířích: topologické optimalizaci, ultra-vysokopevnostním betonu (UHPC) a robotickém 3D tisku. Díky integraci těchto principů bylo možné základní konstrukci zastávky vyrobit do 24 hodin. Topologická optimalizace dovolila úsporu materiálu až o 60 % a docílení přírodní estetiky.

Vlastnosti UHPC umožňují vyrábět takto subtilní samonosné konstrukce za použití minimálního množství oceli. Robotický 3D tisk přináší nejen výhodu úspory lidské práce, ale také možnost vyrábět takto komplexní tvary bez nutnosti používat formy či bednění.

O digitálním betonu

Nejmodernější digitální techniky a procesy umožňují beton využívat novými způsoby, které pomáhají stavět nové konstrukce a infrastrukturu efektivněji a hospodárněji. Nedávný vývoj ukazuje, že nové vynálezy, jako je 3D tisk betonových konstrukcí a bednění, jsou nejen možné, ale v příštích letech pravděpodobně ovládnou stavební technologie.

3D tisk má potenciál vyrábět zejména stavební prvky se složitými tvary. Toho lze dosáhnout buď tiskem jednotlivých komponent, nebo vytvořením bednění čili forem, jež umožní konstrukce více vytvarovat a zdokonalit. Automatizovaná výroba posiluje výrobu mimo staveniště, která je považována za klíčovou pro zvýšení produktivity v celém stavebním odvětví.

Betonové prvky, například podlahy a stěny, se vyrábějí v kontrolovaných podmínkách v továrnách s využitím digitálních technologií, poté se převážejí a rychle montují na staveništi. Díky tomu se zkracuje doba výstavby, snižují se úspory nákladů a podporuje udržitelnost.