Phương pháp chế tạo mới cho cầu thang bê tông nhẹ và có thể tái sử dụng từ ETH Zurich

Các phương pháp xây dựng tiết kiệm vật liệu và có thể đảo ngược đã được giới thiệu trong cầu thang xoắn bê tông Cadenza hình như cái xương sống, được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu tại trường đại học công nghệ ETH Zurich hợp tác với ROK Architects.

Cầu thang Cadenza là đóng góp mới nhất cho tòa nhà NEST, một phòng thí nghiệm cho các kỹ thuật chế tạo thử nghiệm mà ETH Zurich chia sẻ với các viện nghiên cứu khác tại thành phố Dübendorf, Thụy Sĩ.

Cầu thang Cadenza được lắp đặt giữa các tầng trong đơn vị mới nhất của tòa nhà, có tên là STEP2, và bao gồm 16 bậc bê tông chế tạo sẵn giống hệt nhau được sắp xếp theo hình xoắn ốc. Tất cả các bậc đều được làm từ một khuôn in 3D giống nhau, giải quyết vấn đề chất thải liên quan đến khuôn bê tông dùng một lần thường được sử dụng, và được giữ cố định bằng các mối nối khô. Điều này có nghĩa là chúng có thể được tháo rời và tái sử dụng trong một tòa nhà khác thay vì bị phá hủy.

Lượng bê tông sử dụng cũng được giữ ở mức tối thiểu cần thiết, điều này làm tăng thêm vẻ đẹp khác thường của cầu thang với các hình dáng mảnh mai như bộ xương.

Trưởng nhóm Công nghệ Xây dựng Kỹ thuật số của ETH Zurich, Benjamin Dillenburger, cho biết cầu thang này biểu trưng cho những lợi ích của các công cụ kỹ thuật số trong kiến trúc và kỹ thuật, và giải pháp này đã sẵn sàng để áp dụng trong các dự án xây dựng riêng lẻ.

"Cấu trúc bê tông tùy chỉnh là một thách thức đối với khuôn truyền thống" Dillenburger nói. "Các khuôn thiết kế đến sản xuất bằng kỹ thuật số với khuôn in 3D mang lại những lợi thế lớn cho biểu đạt kiến trúc, hiệu suất cấu trúc và hiệu quả vật liệu."

"Các bậc thang có độ dày chỉ 20 milimet và đã được tối ưu hóa về cấu trúc để giảm trọng lượng một cách đáng kể" ông nói thêm. "Việc sản xuất của chúng tạo ra rất ít chất thải vì một bộ khuôn in 3D duy nhất cho phép sản xuất tất cả các bậc thang."

Các khuôn cho các bậc thang được in 3D từ nhựa PET gia cố bằng sợi carbon. Trong khi một số kỹ sư có thể bị cám dỗ để in cầu thang trực tiếp từ bê tông, các nhà nghiên cứu của dự án lại thấy lợi thế trong việc in khuôn thay vào đó. "Một bộ khuôn in 3D nhỏ gọn có thể tái sử dụng có thể được sử dụng để đúc nhiều bậc thang một cách lặp đi lặp lại" trợ lý nghiên cứu Angela Yoo cho biết.

"Điều này cho phép lắp ráp nhiều nhánh cầu thang với một lượng chế tạo số tối thiểu, làm cho nó trở thành một giải pháp lý tưởng cho việc sản xuất quy mô lớn các thiết kế tùy chỉnh."

Cách tiếp cận này cũng cho phép tích hợp cốt thép gia cường, cô nói thêm, điều này thường không tương thích với in 3D vì các thanh cốt thép cản trở quá trình chế tạo. Cầu thang Cadenza được lắp ráp ngoài công trường và hạ xuống tòa nhà NEST bằng cần cẩu, mặc dù ETH Zurich cho biết nó có thể được xử lý và lắp ráp mà không cần máy móc nặng và có thể được lắp đặt trong các không gian chật hẹp, bao gồm cả trong quá trình cải tạo.

Các bậc thang được làm từ bê tông gia cường bằng sợi thép siêu cường và nặng 45 kilogam – khoảng 60% nhẹ hơn so với một bậc bê tông thông thường. Các thiết kế khác nhau có thể được thực hiện bằng cách sử dụng cùng một quy trình tính toán, được phát triển cùng với công ty Thụy Sĩ ROK Architects.

Việc lắp ráp được hỗ trợ bởi hai thành phần: thứ nhất là một loạt các đầu nối liên kết in vào mỗi bậc thang để gắn chúng lại với nhau một cách chính xác, và thứ hai là một hệ thống ba cáp hợp kim thép chạy qua các kênh trong các bậc thang dọc theo xương sống của cầu thang.

Đây là một hệ thống kéo căng sau vì vậy lực kéo chỉ được áp dụng lên các thanh này khi các bậc đã ở vị trí thông qua việc áp dụng nhiệt ngắn hạn qua một máy phát điện. Điều này có tác dụng giữ chặt các bậc thang vào giữa cầu thang.

"Hệ thống kéo căng dựa trên loại thép được gọi là thép nhớ có thể phát triển lực mạnh thông qua việc làm nóng và làm nguội" đồng sáng lập ROK Michael Knauss cho biết. "So với các phương pháp thông thường hệ thống này tiết kiệm không gian và dễ sử dụng."

Hệ thống kéo căng có thể tháo rời và các bậc thang riêng lẻ có thể được gỡ bỏ, biến đây thành một kỹ thuật xây dựng tuần hoàn, trong khi bê tông được kỳ vọng có tuổi thọ dài mà một số người cho rằng bù đắp cho lượng carbon phát thải cao của nó.

"Theo nhiều cách các bộ phận bê tông chế tạo sẵn góp phần vào tính bền vững trong xây dựng" Klaus Einfalt Giám đốc điều hành của đối tác chế tạo SW Umwelttechnik nói. "Tính ổn định độ bền và khả năng tái chế của chúng làm cho chúng trở thành yếu tố thiết yếu cho một tương lai bền vững trong xây dựng."

Tòa nhà NEST do các tổ chức nghiên cứu Thụy Sĩ Empa và Eawag lãnh đạo và được khai trương vào năm 2016. Nó bao gồm ba nền tảng mở trên đó các mô-đun khác nhau như đơn vị STEP2 có thể được lắp đặt trong một khoảng thời gian giới hạn trước khi được tháo dỡ khi nghiên cứu kết thúc.

Công việc trước đây được thực hiện tại cơ sở này bao gồm trần HiRes Concrete Slab với các ống thông gió in 3D và một phương pháp xây dựng bằng robot cho các cấu trúc gỗ.