Композитные решения ускоряют изготовление бетонных фасадов

Каждый многоэтажный здание, построенное сегодня, требует фасад. Происходящее от французского слова façade, которое в свою очередь пришло от итальянского facciata, оно означает «лицо». Короче, фасад — это внешняя, публично-обращенная структура, которая дает зданию свой характер, цвет и форму. Для архитекторов фасад очень сильно задает тон для остального здания и говорит много об архитектурном замысле дизайнера.

Фасад также функционален. Он обеспечивает структуру, окружающую окна и двери, защищает здание от погоды и воздействий, и влияет на энергоэффективность здания. Фасад может быть построен из разнообразных материалов, включая композиты, камень, сталь, стекло или бетон. Бетон в фасаде, благодаря своей формовочной способности, может использоваться для придания зданию высоко размерного и визуально впечатляющего внешнего вида, особенно если бетонные формы варьируются.

Сахар — король

Так было в Domino Park, 11-акровом проекте реорганизации вдоль набережной Уильямсбурга в Бруклине, Нью-Йорк, США. В сердце Domino Park находится 138-летняя сахарная рафинадия Domino, закрытая в 2004 году и сейчас реновируемая как офисное и ритейловое пространство. Часть Domino Park включает несколько новых зданий, включая 45-этажное One South First и соединенное 10 Grand. Для этих зданий архитектор COOKFOX (Нью-Йорк, Нью-Йорк) решил использовать бетонный фасад, который имеет множество углов поверхностей, множественные формы оконных рам и множественные ширины оконных рам, чтобы, с расстояния, слабо передать чувство кристалличности сахара, в соответствии с историей места.

Gate Precast Co. (Джексонвилл, Флорида, США) выиграла контракт на строительство бетонного фасада — по сути, серии оконных рам — для проекта One South First. Компания должна была, как типично для бетонного фасада, изготовить рамы на своем объекте и затем отгрузить готовые рамы на строительную площадку, где они бы поднимались на место установки краном. Если бы Gate решила следовать традиции, она бы построила деревянные формы для формовки всех бетонных рам. Однако Gate решила не следовать традиции.

Чтобы понять, вернемся к 2017 году, когда Gate партнерила с Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI, Чикаго, Иллинойс, США) и Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Оук-Ридж, Теннесси, США) для предварительной оценки использования крупноформатного аддитивного производства для построения композитных форм для в-заводского прекаст-бетонного формования. Эта оценка проводилась с использованием машины BAAM (Big Area Additive Manufacturing) в ORNL. BAAM — это крупноформатная аддитивная производственная машина с 25-кв.м. строительной зоной, совместной разработкой ORNL и Cincinnati Inc. (Харрисон, Огайо, США). Gate обязалась построить композитные формы для фасада One South First. Проект требовал 80 форм всего, 37 из которых бы были напечатаны. Оставшиеся 43 были бы сделаны из дерева. К тому моменту, когда это решение было принято, сроки поставки форм были тугой.

В 2016 году Additive Engineering Solutions (AES, Акрон, Огайо) приобрела свою первую машину BAAM от Cincinnati Inc. Из-за этого ORNL и Gate Precast обратились к AES за помощью. Эндрю Бейдер, вице-президент и сооснователь AES, говорит, что его компания и ORNL разделили пакет работы, с AES производящей 18 из 37 форм. Бейдер говорит, что каждая форма оконной рамы измеряет примерно 5–6 футов в ширину, 9–10 футов в высоту и 16 дюймов в глубину и весит около 500 фуントов.

Бейдер говорит, что внутренняя геометрия форм, потому что они спроектированы для производства рам, окружающих прямоугольные окна, была относительно простой. Однако дизайн внешних поверхностей рам, как отмечалось, был более сложным, с вариативными глубинами и углами, интегрированными в каждую форму. Одна напечатанная форма заменила деревянную форму, состоящую из множества индивидуально вырезанных кусков, забитых гвоздями вместе. «Геометрия была простой, но сложной», — говорит Бейдер. «Проект требовал нескольких уникальных дизайнов рам, в зависимости от расположения рамы».

Для части своего производства AES выбрала соединение LNP THERMOCOMP AM, высокомодульный, низко-деформирующий материал на базе ABS с 20% рубленого карбонового волокна, поставляемого SABIC (Хьюстон, Техас, США). Бейдер говорит, что машине BAAM потребовалось 8–10 часов на построение каждой монолитной формы, за которым следовало 4–8 часов обработки и финишинга в CNC-станке Quintax (Стоу, Огайо, США). Он сообщает, что формы шлифовались до требуемых размеров, но не герметизировались.

Фабрикация оконных рам

Формы были доставлены на объект Gate в Винчестере, Кентукки, США, где они использовались вместе с 43 традиционными деревянными формами, которые Gate построила для проекта. Деревянные формы были вручную собраны сотрудниками Gate, затем наносился стекловолокнистый мат и смоляное покрытие, с формовочным маслом, распыляемым для облегчения выпуска сформированной бетонной рамы. Формовое масло также распылялось на композитные формы для облегчения выпуска.

Для выполнения бетонной заливки, множественные формы размещались на деревянном столе для заливки длиной 40–50 футов. Формы группировались для производства одинарной, двойной или тройной рамы. Стальной арматурный стержень позиционировался внутри каждой формы и бетон заливался вокруг арматуры. Стол для заливки затем вибрировал для консолидации бетона. После 14–20 часов отвердевания, оконные рамы снимались с форм, кислотно мылись и полировались. Затем окна устанавливались и весь пакет отгружался грузовиком на строительную площадку в Бруклине.

Бейдер говорит, что композитные формы AES, работая рядом с традиционными деревянными формами, быстро раскрыли свои преимущества. Во-первых, он говорит, деревянная форма позволяет только 15–20 бетонных заливок перед тем, как её нужно снять с эксплуатации и реновировать или заменить. Композитные формы AES, напротив, позволяли 200 бетонных заливок с минимальной реновацией или временем вне эксплуатации. И 200 заливок, говорит Бейдер, представляли конец проекта, не конец срока службы формы. «Именно там они остановились», — говорит он. «Если за нашими формами правильно ухаживать, мы думаем, что их можно использовать сотни и сотни раз».

Кроме того, для использования 150 заливок или более, Gate рассчитывает, что потребовалось бы до 10 деревянных форм для достижения производительности одной формы AES. Также, учитывая, что Gate тратит 40 человеко-часов на производство деревянной формы, без 37 композитных форм компания не смогла бы выполнить требования графика проекта One South First.

Бейдер признает, что композитная форма AES стоит в четыре раза дороже деревянной, но как минимум в 10 раз более долговечна. «Способ, которым прекаст-формы строились, оставался относительно неизменным десятилетиями», — утверждает Бейдер. «Вдруг, однажды, мы делаем 500-фунтовые 3D-формы и все были в шоке». Тем не менее, он признает, что аддитивное производство таких форм наиболее затратно-эффективно в применениях, где бетонные формы имеют сложную геометрию или высокую повторяемость — одна форма много раз.

AES, по отчету Бейдера, теперь владеет и эксплуатирует четыре машины BAAM и может производить детали до 8 футов в высоту. Значительно более крупные детали были построены путем соединения множественных кусков.