Jak obyčejné bláto může snížit náklady na výstavbu

Výstavba budov je v dnešní době velmi nákladná. Při stavbě betonových budov však existuje materiál, který může výrazně snížit tyto náklady: bláto.

Výzkumníci z MIT vyvinuli metodu, která využívá lehce upravenou hlínu, včetně půdy z místa stavby, jako „bednění“ pro lití betonu. Tato technika využívá 3D tisk a může nahradit drahé dřevěné bednění pro betonové konstrukce.

„Ukázali jsme, že můžeme vzít půdu, na které stojíme, nebo odpadní hlínu ze staveniště, a proměnit ji na přesné, vysoce komplexní a flexibilní bednění pro zakázkové betonové konstrukce,“ říká Sandy Curth, doktorand na katedře architektury MIT, který se na projektu podílel.

Tento přístup by mohl urychlit a zefektivnit betonové stavby. Mohlo by to také snížit náklady a emise uhlíku.

„Má potenciál pro okamžitý dopad a nevyžaduje změnu charakteru stavebnictví,“ říká Curth, který zároveň působí jako ředitel Programmable Mud Initiative.

Curth je spoluautorem několika článků o této metodě, naposledy článku „EarthWorks: Zero waste 3D printed earthen formwork for shape-optimized, reinforced concrete construction“, publikovaného v časopise Construction and Building Materials. Spolu s Curthem na článku pracovalo devět dalších spoluautorů, včetně studentů MIT Natalie Pearl, Emily Wissemann, Tim Cousin, Latifa Alkhayat, Vincent Jackow, Keith Lee a Oliver Moldow; a Mohameda Ismailia z University of Virginia.

Posledními dvěma spoluautory jsou Lawrence Sass, profesor a předseda výpočetní skupiny na katedře architektury MIT, a Caitlin Mueller, docentka na katedře architektury a katedře stavebního a environmentálního inženýrství MIT. Sass je Curthovým školitelem.

Stavět konstrukci jednou, ne dvakrát

Výroba dřevěného bednění pro budovu je nákladná a časově náročná. V oboru se říká, že betonové konstrukce se musí stavět dvakrát – jednou pomocí dřevěného bednění a podruhé z betonu, který se do forem nalije.

Použití půdy pro bednění by mohlo tento proces změnit. I když se to může zdát jako neobvyklý materiál ve srovnání s pevností dřevěného bednění, půda je dostatečně pevná na to, aby zvládla nalitý beton. Metoda EarthWorks, jak se jí říká, zavádí některé přísady, jako je sláma, a voskový povlak pro půdní materiál, aby se zabránilo odtoku vody z betonu. Pomocí velkoplošného 3D tisku mohou vědci vzít půdu ze staveniště a vytisknout ji do tvaru individuálně navrženého bednění.

„Vytvořili jsme systém, kde používáme převážně jednoduchou, velkoplošnou 3D tiskovou technologii a činíme ji vysoce funkční pro daný materiál,“ říká Curth. „Našli jsme způsob, jak vyrobit bednění, které je nekonečně recyklovatelné. Je to jenom hlína.“

Kromě nákladů a snadné dostupnosti materiálů nabízí tato metoda alespoň další dvě související výhody. Jednou z nich je ochrana životního prostředí: Betonové stavby představují až 8 % globálních emisí uhlíku a tento přístup podporuje značné snížení emisí, a to jak samotným materiálem bednění, tak i snadnou tvarovatelností výsledného betonu, kdy se použije jen tolik, kolik je strukturně potřeba. Pomocí metody optimalizace tvaru, vyvinuté pro železobeton v předchozím výzkumu Ismailem a Muellerem, je možné snížit emise uhlíku betonových nosných konstrukcí o více než 50 procent.

„Technika EarthWorks přibližuje tyto složité, optimalizované struktury mnohem blíže k realizaci tím, že nabízí levný, nízkouhlíkový způsob výroby bednění, který lze použít kdekoli na světě,“ říká Mueller.

„Je to umožňující technologie, která umožní vytvářet železobetonové budovy mnohem, mnohem efektivněji z hlediska materiálu, což má přímý dopad na globální emise uhlíku,“ dodává Curth.

Obecněji řečeno, metoda EarthWorks umožňuje architektům a inženýrům snadněji vytvářet individuálně navržené betonové tvary díky flexibilitě materiálu bednění. Je snazší odlévat beton do neobvyklého tvaru, když se tvaruje s hlínou, nikoli s dřevem.

„Co je zde skvělé, je to, že jsme schopni vyrábět tvarově optimalizované stavební prvky za stejnou dobu a energii, jako by to trvalo výrobu obdélníkových stavebních prvků,“ říká Curth.

Týmový projekt

Jak Curth poznamenává, projekty vyvíjené skupinou Programmable Mud jsou vysoce kolaborativní. Zdůrazňuje roli Sass, lídra v oblasti využívání výpočtů pro vývoj levného bydlení, a Mueller, jejíž práce také využívá nové výpočetní metody k hodnocení inovativních strukturálních nápadů v architektuře.

„Beton je skvělý materiál, pokud se používá promyšleně a efektivně, což je neodmyslitelně spojeno s tím, jak je tvarován,“ říká Mueller. „Minimální formy, které vznikají při optimalizaci, jsou však v rozporu s konvenčními stavebními logikami. Je velmi vzrušující rozvíjet techniku, která tento zdánlivý kompromis potlačuje a ukazuje, že výkonnostně řízená komplexnost může být dosažena s nízkými emisemi uhlíku a nízkými náklady.“

Během dokončování doktorátu na MIT Curth také založil firmu FORMA Systems, prostřednictvím které doufá, že zavede metodu EarthWorks do stavebnictví. Použití tohoto přístupu znamená, že stavitelé by museli mít na staveništi velkoformátovou 3D tiskárnu. Ušetřili by však značné náklady na materiál, říká.

V budoucnu si Curth představuje dobu, kdy by se tato metoda mohla používat nejen pro bednění, ale i pro vytváření šablon, například pro dvoupatrové rodinné domy vyrobené zcela ze země. Samozřejmě, některé části světa, včetně USA, rozsáhle využívají adobe architekturu již nyní, ale myšlenkou zde je systematizovat výrobu takových domů a v tomto procesu je zlevnit.

V obou případech, říká Curth, ať už jako bednění pro beton, nebo samostatně, máme nyní nové způsoby, jak aplikovat půdu ve stavebnictví.

„Lidé staví ze země tak dlouho, dokud existují budovy, ale vzhledem k současným požadavkům na městské betonové budovy tento přístup v podstatě odděluje náklady od složitosti,“ říká Curth. „Zaručuji vám, že můžeme začít stavět výkonnější budovy za méně peněz.“

Projekt byl podpořen Sidara Urban Research Seed Fund, spravovaným Leventhal Center for Advanced Urbanism na MIT.