مقدمة عن البيوت الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد 3D

في الوقت الحاضر تتقدم التكنولوجيا على قدم وساق في كل القطاعات. صناعة وتكنولوجيا البناء ليست استثناء عن ذلك التقدم والتطور. يجب أن يرى مجال بناء المنازل والهياكل نفس هذا التطور التكنولوجي أيضًا.

بعد سنوات طويلة من الدراسة والبحث والتطوير، بدأت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في الظهور أخيرًا وبدأت الخطوات الصغيرة في دخول صناعة البناء. إن طموح رؤية منازل مطبوعة ثلاثية الأبعاد في البلدات والمدن في جميع أنحاء العالم يبدو الآن مشرقًا.

يعد المنزل الخرساني المطبوع ثلاثي الأبعاد ثورة في صناعة البناء. إنها تقنية مرحب بها لأنها توفر بديلاً مستدامًا لعمليات البناء التقليدية التي يمكن أن تسهم بشكل كبير في تقليل نفايات البناء في جميع أنحاء العالم.

نبذة تاريخية

في العصور الأولى التي ميزت بداية الاستيطان البشري، كانت المنازل تُبنى بالحجارة. وفي وقت لاحق، تم استخدام الطوب والمونة. أما في عام 1853، استخدم فرانسوا كاني، الصناعي الفرنسي لأول مرة، نوعًا جديدًا من المواد يسمى الخرسانة المسلحة لبناء منزله. منذ ذلك الحين، تم تشييد معظم المباني والمنشآت بنفس الطريقة التي أدخلها والتي استمرت لأكثر من 150 عامًا أو نحو ذلك.

في السنوات الأخيرة، مع إدخال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، أصبحت التكنولوجيا سائدة في العديد من الصناعات بما في ذلك البناء. يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد الجديدة طباعة مواد مثل الخرسانة التي بدورها يمكن أن تجعل المباني والهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

يعود اختراع الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء إلى الخمسينيات عندما تم تصور “البناء الآلي” لأول مرة. تم تطويرها على مر السنين، حتى عام 2008، عندما بدأت الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة في جامعة لوبورو، المملكة المتحدة، برئاسة ريتشارد بوسويل. تم إصدار ترخيص استخدام هذه التكنولوجيا لبناء المنازل والمباني في عام 2014. ومنذ ذلك الحين، قامت العديد من الشركات ببناء المنازل والمكاتب باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

الحاجة إلى خرسانة مطبوعة ثلاثية الأبعاد

تكمن معضلة صناعة البناء في أنه على الرغم من أن قيمتها تصل إلى 10 تريليونات دولار على مستوى العالم، وتصادف أنها واحدة من أكبر الصناعات في العالم، إلا أنها تفتقر إلى الإنتاجية مقارنة بالصناعات الأخرى. فقط من أجل المقارنة، دعونا نأخذ مثالاً. زاد قطاعا الزراعة والصناعة الإنتاجية من 10 إلى 15 مرة منذ عام 1950. وعلى النقيض من ذلك، لم تشهد صناعة البناء الكثير من التغيير منذ ما يقرب من 80 عامًا وخاصة في البلدان النامية والمتخلفة. والسبب وراء ذلك هو أن الصناعات التحويلية والصناعات الأخرى أدخلت بشكل تدريجي وأتقنت استخدام الأتمتة والتقنيات الرقمية في قطاعاتها الخاصة في وقت مبكر جدًا، بينما ظلت صناعة البناء يدوية بشكل كبير.

تحتاج الأساليب التقليدية أو القياسية بشكل أساسي إلى الترقية بمساعدة التكنولوجيا وإدخالها بشكل متقدم لمعالجة مشاكل الإسكان في جميع أنحاء العالم. مع وضع هذا في الاعتبار، فإن إحداث ثورة في صناعة البناء أمر ضروري ويمكن أن تكون هندسة الطباعة ثلاثية الأبعاد هي التحول المطلوب لزيادة جودة البناء والتشييد الحديث بشكل كبير.

فوائد تقنية الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد

أقل في التكلفة الإجمالية لمشروع البناء:

تكلفة المنزل الخرساني المطبوع ثلاثي الأبعاد أقل من تقنيات وعمليات البناء التقليدية. مع تقليل الإصابات والوقت والتكلفة المادية، يتم تقليل التكلفة الإجمالية للمشروع.

وفقًا لـ Le et al. (نُشر في: الخصائص الصلبة لخرسانة الطباعة عالية الأداء ، 2012) ، في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، يؤدي دمج الموارد الميكانيكية والكهربائية إلى تحسين استخدام المواد والعمل في الموقع، مما يؤدي إلى تقليل احتمالية الأعمال العلاجية المكلفة. ومع ذلك، يجب أن تشمل تكلفة الطباعة ثلاثية الأبعاد تكلفة الطابعات ثلاثية الأبعاد أيضًا. حسنًا، هذا يجعلنا نأمل وربما تحقق الطباعة ثلاثية الأبعاد توفيرًا معقولًا في التكلفة على المدى القصير.

أقل في تكلفة العمالة:

وفقًا لـ ‘Jenee A. Jagoda’ (نُشر في: تحليل جدوى البناء المطبوع ثلاثي الأبعاد كبديل لطرق البناء التقليدية في بيئة الاستكشاف) ، تعد صناعة البناء واحدة من أكثر الصناعات خطورة مع معدل إصابة، ومرض، ومعدل وفيات أكبر مقارنة بمعظم الصناعات الأخرى بسبب مخاطر مثل تهيج العين والجلد والجهاز التنفسي؛ حروق كيميائية وحالات السقوط؛ والإفراط في المجهود. ومع ذلك، مع تحول عملية البناء تدريجياً نحو الأتمتة، سينخفض ​​عدد الموظفين المطلوبين والعدد المقابل للإصابات. سيساعد هذا أيضًا في تقليل المخاطر وتقليل التكاليف المتعلقة بالعمالة بالإضافة إلى تكاليف الحوادث أو الوفيات. على سبيل المثال، ذكرت شركة WinSun الصينية أن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء مبنى مكتب مؤسسة دبي للمستقبل قلل من تكلفة العمالة بنسبة 50٪ إلى 80٪.

الجودة والاستدامة:

وفقًا لـ “build with rise” ، يعد القضاء على هدر المواد أحد أهم المساهمات في حركة البناء المستدام التي يمكن أن تحققها الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن للطابعة ثلاثية الأبعاد أن تساعد في تقدير الكمية الدقيقة للمواد المطلوبة لبناء المنزل بعد نمذجة المنزل على الشاشة. الطابعات ثلاثية الأبعاد لديها القدرة على تقليل البصمة الكربونية المرتبطة ببناء المنازل بشكل كبير عن طريق تقليل نفايات البناء وتكاليف نقل المواد.

قد يكون استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية طريقة جديدة لتقليل نفايات البناء. ما يصل إلى 50٪ من المواد الخام المستخدمة في الطابعات ثلاثية الأبعاد مصنوعة من مواد معاد تدويرها. علاوة على ذلك، نظرًا لقدرة الطابعات ثلاثية الأبعاد على إنشاء أشكال معقدة مثل الزخرفات والطيات، فإنها تسمح للمقاولين باستخدام مواد أقل في المقام الأول. ينتج عن هذا في النهاية إنتاج نفايات أقل.

سرعة البناء:

سرعة البناء هي معيار أساسي آخر عندما يتعلق الأمر ببناء المنازل. عادة لبناء منزل شخصي باستخدام طريقة البناء التقليدية، قد يستغرق الأمر ما بين 6-10 أشهر، اعتمادًا على الحجم والعوامل الأخرى المرتبطة بالبناء.

ومع ذلك، سيستغرق بناء منزل صغير 24 ساعة فقط باستخدام طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية. يوضح هذا مدى سرعة طابعات الخرسانة ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال ، تم بناء منزل ICON من طابق واحد بمساحة 75 مترًا مربعًا في تكساس في أقل من 24 ساعة بتكلفة أقل من 4000 دولار.

يمكن أن تختلف سرعة البناء في المنازل المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالتأكيد مع حجم المبنى ولكنها لا تغير حقيقة أن الطابعات ثلاثية الأبعاد الخرسانية أسرع للغاية من طريقة البناء التقليدية.

إنشاء مجموعة متنوعة من الأشكال والديكورات:

لم تشهد صناعة البناء الكثير من التقدم في إنشاء أشكال وزخارف مختلفة. يرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أن الصناعة لم تكن مؤتمتة بالكامل بعد. في طريقة البناء التقليدية، لإنشاء شكل، يجب صب الخرسانة في قالب يعرف باسم قوالب صب الخرسانة أو شدات. هنا يأتي القيد الذي يقيد إبداع المهندسين المعماريين لبناء أشكال مختلفة.

لكن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية تتضمن التكنولوجيا الرقمية وتطبيق تكنولوجيا المواد لإنشاء بناء حر دون استخدام القوالب. بمساعدة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن إنشاء المزيد من الأشكال مثل المنحنيات والزخارف والعديد من الأشكال الأخرى في وقت أقل وبتكلفة أقل.

حدود / قيود البيوت الخرسانية ثلاثية الأبعاد

• أحد العيوب الرئيسية هو أن لديك هامش خطأ أصغر. هذا لأن الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد تتصلب بسرعة. وإذا ارتكبت خطأً بسيطًا في الطباعة، فكل ما عليك فعله هو التخلص من كل شيء والبدء من جديد.
• كما أنك مقيد أيضًا بحجم الطابعة وحجم الجزء الذي تتم طباعته.
• تكلفة الأجهزة والأدوات التي تُستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة عالية جدًا في السوق اليوم.
• الطابعات ثلاثية الأبعاد ليست كافية حتى الآن لبناء منزل يعمل بشكل كامل وظيفيا.
• وفقًا لـ “Constrofacilitator” ، يتم إنشاء إطار وجدران المنزل فقط المكونات الأخرى مثل النوافذ أو الكهرباء أو السباكة يجب أن يتم بناؤها بشكل منفصل. يجب أيضًا طباعة سقف المنزل بشكل منفصل. يتم أولاً تركيب إطار المنزل بما في ذلك التسليحات الفولاذية التقليدية ومواسير السباكة. من الممكن أيضًا استخدام طابعات خرسانية ثلاثية الأبعاد لطباعة الجسور أو الجداول أو حتى الزخارف الخارجية.

نظرًا لأن هذه تقنية جديدة إلى حد ما، فلا يمكننا أن نتوقع أن تكون على مستوى العلامة الكاملة تمامًا. لديها بعض أوجه القصور التي يجب تصحيحها مع مزيد من التطوير. لكننا نتوقع أن تكلفة الآلات ستستمر في الانخفاض تدريجيًا بمرور الوقت. تتمتع الطباعة ثلاثية الأبعاد بإمكانيات هائلة كحل تقني مستدام ولكن العمليات ثلاثية الأبعاد الحالية ليست عملية أو فعالة بشكل كافٍ.

الأجهزة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة

1. الروبوتات الصناعية:

لديها كتلة كبيرة جدًا ومنطقة تشغيل صغيرة. على سبيل المثال، يزن الروبوت الذي يصل طوله إلى أربعة أمتار 5 أطنان. لا يمكنك وضعه على بلاطة ؛ سوف يخترق الأرضية ببساطة. الحمل القياسي المسموح به على بلاطة الأرضية هو 600 كجم / م 2 وبسبب نقص الثبات، عند أقصى امتداد للذراع، ينقلب الروبوت ببساطة. للتغلب على هذه المشكلة، سيكون من الضروري إما تعديل التصميم أو تثبيت الروبوت بشكل آمن في مكانه أو تغيير الآلية بأكملها.

2. طابعات متنقلة ثلاثية الأبعاد:

الطابعات المتنقلة ثلاثية الأبعاد ضخمة وعملاقة. يجب أن يتم تثبيتها على سطح مستوٍ تمامًا حتى لا تتكدس آلية الطابعة. الآن، تخيل كم يجب أن تكون الطابعة ضخمة لبناء مبنى شاهق. علاوة على ذلك، كم سيكلف نقل مثل هذه الطابعة ثم تجميعها في مكانها لاحقًا. إن الطابعة التي تتميز بخفة وزنها ويمكنها طباعة مبنى بدون حدود في المساحة فقط عن طريق تحريكها في المنطقة هو الحل لهذه المشكلة.

3. نظام التثبيت:

لن تنقلب الطابعة ولن يستغرق تركيبها أكثر من ساعة، ذلك بفضل نظام التثبيت. والبعد الصغير يجعل نقل الطابعة أمرًا سهلاً للغاية. توفر مواد البناء الأوتوماتيكية ونظام الإمداد تدفقًا ثابتًا للخرسانة الليفية، مما يؤدي إلى التعامل مع جميع الأعمال الأكثر تعقيدًا وصعوبة.

كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد للمنازل؟

لفهم عملية بناء منزل مطبوع ثلاثي الأبعاد، يلزم تقديم شرح مفصل ومبسط. يمكن طباعة أنواع مختلفة من المواد بواسطة طابعات ثلاثية الأبعاد مثل والخيوط والمعادن والخرسانة والمزيد.

تتكون الطابعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية، مثل أي طابعة ثلاثية الأبعاد أخرى، من ثلاثة محاور: X و Y و Z. المحوران X و Y هما اتجاهان متعاكسان يمثلان المساحة، بينما يمثل المحور Z ارتفاع الجدار. لتشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة، يجب أن يكون هناك مُنشئون ذوو خبرة ومهنيون للإشراف على طابعة الخرسانة ثلاثية الأبعاد.

قبل وصول الطابعة، يجب تجهيز موقع البناء لها. يجب تسوية موقع البناء للطابعة ثلاثية الأبعاد بحيث يمكن تثبيت طريق وقضبان الطابعة.

بالإضافة إلى إنشاء سطح مستو، هناك حاجة إلى أساسات الطابعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية قبل أن تبدأ عملية طباعة الخرسانة. بعد الانتهاء من كل هذه الاستعدادات والانتهاء منها، تكون المرحلة التالية هي تثبيت طابعة الخرسانة على القضبان. عندما يكون التصميم ثلاثي الأبعاد للمبنى جاهزًا، يقوم المصممون أو المهندسون المعماريون بتحويل المخطط إلى كود G وإرساله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية.

بعد ذلك، يتم إحضار مادة الطابعة ثلاثية الأبعاد بواسطة شاحنة خرسانية عادية إلى منطقة البناء. أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للبناء، يتم تسليح الجدران وتمديد التركيبات الكهربائية. يمكن إجراء هذه العمليات نتيجة للتطورات الأخيرة من خبير في الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية.

ساعدت هذه التطورات في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة على إنشاء طريقة خاصة لتعزيز وتسليح الجدران التي تجعل الجدران الخرسانية أقوى مما هي عليه في العادة.

مواصفات خلطة الخرسانة

لتكون قادرًا على طباعة المباني بنجاح، يجب تصنيع الخرسانة للطابعة ثلاثية الأبعاد بطريقة دقيقة وخاصة، مقارنةً بالخرسانة التقليدية. يجب أن يحتوي المزيج الخرساني للطابعة ثلاثية الأبعاد على سمتين مهمتين – قدرة البناء القصوى عند صب الخرسانة وأيضًا قدرة التدفق لمزيج الخرسانة للتأكد من عدم انسداد الفوهة.

يمكن الحصول على هذا المزيج أو الخلطة الخرسانية عالية الجودة باستخدام كمية دقيقة من المواد الكيميائية مثل الملدنات الفائقة. الغرض الرئيسي من الملدن الفائق هو تقليل الماء في خليط الخرسانة. علاوة على ذلك، هناك العديد من الإضافات التي يتم إضافتها إلى خليط الخرسانة. على سبيل المثال تضاف الألياف إلى المزيج لتعزيز قوة الخرسانة.

طريقة كونتور كرافت

يُطلق على إحدى الطرق الرائدة والأكثر شهرة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة “كونتور كرافت”. يتم استخدام صياغة الكنتور في تشييد المباني متعددة الطوابق وكذلك البناء في الفضاء.

بحسب “روان اللوزي” وآخرون. (نُشر في: الإنشاءات التقليدية والطباعة ثلاثية الأبعاد: دراسة مقارنة حول تكلفة المواد في الأردن) ، يمكن دمج التبليط الآلي للأرضيات والجدران باستخدام صياغة الكنتور عن طريق التوزيع الآلي لمواد الربط ونشرها على الأرضيات أو الجدران. تعتمد طريقة صياغة الكنتور على شكل طبقات البناء، وبالتالي من الممكن إنشاء تجاويف المرافق داخل الجدران. هذا يزيد من القدرة على بناء شبكات السباكة والكهرباء لتكون آلية هي أيضا. بالنسبة لأعمال السباكة، يمكن تركيب جزء من المواسير وتوصيله بالجزء السفلي المثبت بالفعل عبر القناة المدمجة (بعد إضافة عدة طبقات من الجدران). تحتوي الوحدات النمطية على قطع موصلة لخطوط الطاقة والاتصالات يتم إدخالها في مواد غير موصلة لأتمتة الأسلاك الكهربائية وتوصيلات خطوط الاتصالات. يمكن الإمساك بهذه القطع بواسطة ذراع آلية بسيطة وربطها بالمكون المثبت بالفعل أثناء طباعة الحائط.

يمكن للطابعة بناء أساسات وجدران المنزل أو المبنى طبقة بعد طبقة. ومع ذلك، يتم استخدام بعض طابعات الخرسانة ثلاثية الأبعاد لطباعة قوالب الطوب ثلاثية الأبعاد. بعد تشكيلها، يتم بعد ذلك تكديس الطوب يدويًا (أو بذراع آلية) فوق بعضها البعض.

دراسة حالة:

تمت طباعة أول منزل سكني مطبوع ثلاثي الأبعاد في يوم واحد وبلغ إجماليه 10134 دولارًا فقط. إنه حل محتمل في صناعة البناء للإسكان الميسور التكلفة. قامت شركة الطباعة ثلاثية الأبعاد Apis Cor ببناء المنزل باستخدام طابعة محمولة. إنها شركة رائدة في العالم. تقول الشركة إن المنزل يمكن أن يتحمل الظروف الجوية القاسية ويمكن أن يصل عمر الهيكل إلى 175 عامًا أو نحو ذلك. تمت طباعة الهيكل بالخرسانة. تمت إضافة النوافذ والتصميم الداخلي وبعد ذلك تمت إضافة طبقة جديدة من الطلاء. في الداخل، هناك أربع غرف مع إمداد مياه وكهرباء. النموذج هو الخطوة الأولى في بناء المنازل بسرعة وبتكلفة زهيدة، ويحتمل أن تكون في جميع أنحاء العالم.

تكلفة بناء البيت الخرساني بطابعة ثلاثية الأبعاد

تم بناء منزل يسمى Apis Cor في روسيا بواسطة شركة هندسة معمارية روسية تسمى Apiscor باستخدام طابعاتها الروبوتية ثلاثية الأبعاد. تبلغ مساحة المنزل 410 قدم مربع وتبلغ تكلفته حوالي 10150 دولارًا أمريكيًا للبناء بالكامل، أي 24.75 دولارًا للقدم المربع.

وفقًا للشركة الروسية – “Craftcloud” ، فإن التكاليف التفصيلية للمنزل هي:

• الأساسات 277 دولارًا
• الجدران 1624 دولارًا
• الأرضية والسقف 234 دولارًا
• التشطيب الداخلي والخارجي 2000 دولارًا
• الأسلاك 242 دولارًا
• النوافذ والأبواب 3548 دولارًا

ومع ذلك، يجب أن يكون مفهوماً أن تكلفة البناء ستختلف بناءً على حجم وموقع المبنى.

هل يمكن أن تكون الطباعة ثلاثية الأبعاد للمنازل هي “مستقبل البناء”؟

حسنًا، يمكننا القول أن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية قادمة لبناء منزل خرساني مطبوع ثلاثي الأبعاد. إنها مرحلة جديدة في تطور صناعة البناء والتشييد. المعدات فريدة من نوعها وليس لها نظائر في العالم. مع هذا، لن تعد المنازل ذات الأسعار المعقولة في جميع أنحاء العالم تبدو مجرد حلم للبشر. ستصبح حقيقة لكل شخص حي على هذا العالم.

تعتبر المعدات المستخدمة حاليًا هي الأنسب للبناء المنخفض الارتفاع وتتطلب التحكم المستمر من مشغل واحد. تتمثل المرحلة الثانية من هذا التطوير في إنشاء معدات لاستخدامها في المباني الشاهقة. إذا لزم الأمر، فإنه سيبدأ أيضًا في التطوير لتمكين طباعة الأساسات ؛ الأرضيات والأسقف التي ستسمح بطباعة منازل بأكملها دفعة واحدة.

في المستقبل، يمكن أيضًا جعل المعدات معتمدة على نفسها تمامًا ومستقلة، مما يجعلنا أقرب إلى إنشاء الهياكل والمباني في كل مكان.

اقرأ: ما هي الخرسانة سابقة الصب (بريكاست)؟ مميزات وعيوب