Digitalisering van ontwerp tot productie De Vergaderfabriek in 3D-geprint beton 1 De 3D-betonprinter aan het werk voor de bouw van De Vergaderfabriek, bron: Mediavisie Dankzij integraliteit tussen esthetisch ontwerp, constructief ontwerp én uitvoering in één parametrisch model, kunnen de voordelen van de 3D-printtechniek optimaal worden benut. Dit bleek eens te meer bij de uitvoering van het eerste commercieel geprinte gebouw in Europa, De Vergaderfabriek in Teuge (Gelderland). 1 16? CEMENT 8 2019 Arvid en Marjo Prigge wilden een bijzondere vergaderlocatie (fig. 2) realiseren naast hun bele- vingshotel De Slaapfabriek, nabij vliegveld Teuge. Goed beeld en geluid was daarbij een belangrijke vereiste. Het idee was de wand om de vergadertafel als één groot beeldscherm te gebruiken. Dit vroeg om een ronde ruimte (fig. 3 en 4). De opdrachtgevers hebben daarom gezocht naar een bouwtechniek die ronde vormen kan realiseren aan zowel binnen- als buiten - zijde. Zo kwamen zij terecht bij het 3D-prin - ten van beton. Het idee werd ingebracht tijdens The Dutch Construction Hackathon in mei 2016 in Oss, op basis van een ontwerp van architectenbureau The Form Foundati - on. Het ontwerp won en van daaruit zijn ze met een consortium het ontwikkeltraject in gegaan. De initiatiefnemers waren zich er- van bewust dat het om een innovatieve tech - niek ging en dat dit consequenties zou heb- ben voor de ontwikkeltijd. Opbouw Daar waar eerdere in beton geprinte wand - constructies bestaan uit een wand met gewapende kolommen, is bij De Vergaderfa - briek gekozen voor een constructieve wandopbouw. Witteveen+Bos heeft hierbij de ervaringen uit het R&Drone lab en onderzoek naar 3DCP ingebracht. De Vergaderfabriek bestaat uit dub- belgekromde wandelementen. Deze worden in één keer geprint met een buitenschil (het buitenspouwblad) en twee binnenschillen met daartussen een constructieve verstevi - ging (samen het binnenspouwblad) (fig. 6). Elke schil wordt gevormd door een printpad van ongeveer 40 mm breed. Het binnen- en buitenspouwblad worden met elkaar ver- bonden door middel van ankers die tijdens het printen in het nog niet uitgeharde beton worden gedrukt. Het onderste gedeelte van de wand wordt volgestort met een laag beton. Met stekein - den is op deze manier de verbinding met de fundering geborgd (foto 5). De standaardwandopbouw die zo ont- staat is getoetst, onder meer op constructieve aspecten. De variatie in de elementen zit hem in de afstand tussen de buitenste schil en het constructieve gedeelte en de mate van krom - ming (zowel verticaal als horizontaal). Het dak is een houten constructie met zink bekleed. De vorm doet denken aan de rotorbladen van een vliegtuigmotor. Tussen de bladen loopt een verholen goot steeds van de nok naar de wand. Deze sluit aan op de inham tussen de schalen van de gevel, zodat lekwater alleen in de schaduw vuil achterlaat. De buitengevel is onbewerkt toege- past, hier blijven de ribbels van de printla - gen zichtbaar. Bij proefobjecten blijkt dat ook na een aantal jaren zich hierop geen uit- zonderlijke begroeiing vasthecht. Koudebrugonderbreking en isolatie De wanden zijn direct op de uiteindelijke positie geprint, op een betonnen plaatfunde- ring. De plaatfundering wordt volledig geïso- leerd. Om een koudebrug te voorkomen, is de buitenste schil van de wand op een blok foamglas geprint (fig. 7). Dit betekent dat bij de eerste lagen het printpad achter het blok is gelegd totdat het de hoogte van het foam - glas bereikte (foto 5). Daarna is het printpad over het blok geleid. Om een koudebrug te voorkomen, moet het buitenspouwblad worden onder- broken van het binnenspouwblad en con - structie. Hiertoe is tijdens de productie per aantal printlagen een inkeping in het nog niet uitgeharde beton gemaakt, waartussen isolatieplaatjes zijn geplaatst (foto 5). Dit is een secuur werkje, want als dit te laat ge- IR. CINDY VISSERING Betonhuis / redactie Cement auteur VERANT- WOORDING Dit artikel is tot stand gekomen mede dankzij input van Berry Hendriks (CyBe), Pim van Wylick (The Form Foundation), Hugo Jager (Revelating) en Marijn Bruurs (Witteveen+Bos). CEMENT 8 2019 ?17 2 Plattegrond en dakaanzicht, bron: The Form Foundation 3 3D-impressie van De Vergaderfabriek, bron: The Form Foundation PROJECTEN Naast het printen op locatie is er recent een printfaciliteit geopend door BAM en Weber Beamix in Eindhoven en zal later dit jaar een tweede productielocatie door Bruil worden geopend. Projecten die op stapel staan in Nederland zijn een brug in Nijmegen en woningen van Project Milestone. Bij deze woningen is het uiteindelijk de bedoeling dat ook de vloeren en daken geheel worden geprint. De wanden worden in één keer geprint met een buiten- spouwblad en een binnen spouwblad met een constructieve versteviging 2 3 18? CEMENT 8 2019 beurt, is het beton al te ver uitgehard. De operators van de printer hebben gelukkig voldoende tijd om dit soort werk tussendoor te doen.Om aan de eis van een Rc-waarde van 4,5 m 2K/W te voldoen, zijn alle holle delen van de wand gevuld met biofoam isolatie- korrels. Samenwerking ketenpartners Het project is uitgevoerd door een consorti - um van verschillende ketenpartners. Omdat al direct in de ontwerpfase de parameters van de uitvoering zijn meegenomen, zorgde ervoor dat de samenwerking tussen deze partners meer op een netwerk-samenwer- king leek. Alle partijen uit het consortium zijn al direct vanaf de start bij het project betrokken. Het gaat hierbij om meer part- ners dan de traditionele driehoek 'ontwerp ? constructie ? uitvoering'. De expertise van alle partijen is tegelijkertijd ingebracht en integraal verwerkt in het ontwerp. Dit was een iteratief proces, omdat gaande het proces en tests er meer data beschikbaar kwamen. Zodra alle parameters bekend waren, kon er op een parametrische wijze worden bekeken wat de beste combinatie van deze parameters was op basis van de gekozen uitgangspunten en wensen van de opdracht- gevers. Dit in tegenstelling tot de traditionele manier van werken, waarbij het initiële ontwerp in een later stadium moet worden aangepast aan technische aspecten. Design by testing Omdat het 3D-printen een innovatieve tech - niek is die zich snel ontwikkelt, is er nog geen bestaande wet- en regelgeving. Dit betekent dat de veiligheid van de constructie door proeven moet worden aangetoond, daar waar normaal een berekening volgens de norm volstaat. Naast de constructieve veiligheid in de gebruiksfase is ook de maakbaarheid van het ontwerp getest. Bijvoorbeeld hoe ver een volgende printlaag kan worden verlegd, waardoor een hellende wand wordt gecre- eerd, zonder dat het beton inzakt. De uitda - ging in De Vergaderfabriek was het toepassen van dubbelgekromde wanden en hierin heb- ben de partners de grenzen van de mogelijk - heden van deze printtechniek opgezocht. Een aantal constructieve eigenschap- pen van het materiaal waren vooraf bekend. Op basis daarvan is het ontwerp gemaakt. Witteveen+Bos maakte een inventarisatie van wat er al wel bekend was met betrekking tot materiaal, constructief gedrag en uitvoerings- wijze en wat er nog niet bekend was. Het be- kende gedeelte kon worden onderbouwd met bestaande codes en proeven. Voor het niet- bekende gedeelte is een testprogramma opge- steld, bestaande uit een combinatie van FEM- berekeningen en daadwerkelijke proeven. In het geval van De Vergaderfabriek zijn alle wanden nét even anders van vorm. In principe zou dit betekenen dat alle wanden stuk voor stuk beproefd zouden moeten wor- den, wat erop neerkomt dat het gehele gebouw twee keer moet worden geproduceerd. 4 Doorsnede, bron: The Form Foundation BETROKKEN PARTIJEN initiatiefnemers De Slaapfabriek, Centre4Moods architectonisch ontwerp Pim van Wylick, The Form Foundationconstructie en onderzoek 3DCP Hans Laagland, Ingenieursbureau Witteveen+Bos hoofdaannemer en 3D-printing Berry Hendriks, CyBe Construction juridische afspraken Bas Martens, Lexence advocaten & notarissen businesscase Hugo Jager, Revelating communicatie bouwbranche Elma Media CONSTRUCTIEVE EIGENSCHAPPEN Toegepaste mortel: CyBe MORTAR Start verharding 3 min Open tijd 5 min Druksterkte - na 1 dag +/- 20 N/mm 2 - na 7 dagen +/- 40 N/mm 2 - na 28 dagen +/- 45 N/mm 2 Buigsterkte - na 1 dag +/- 4 N/mm 2 - na 7 dagen +/- 5 N/mm 2 - na 28 dagen +/- 6 N/mm 2 4 CEMENT 8 2019 ?19 Daarom is er een standaardwandopbouw ontwikkeld (zoals eerder omschreven onder kopje 'Opbouw'), die in alle wanden wordt toegepast. Doordat het materiaal, construc- tieprincipe en wijze van uitvoering hetzelfde waren, kon een door de fysieke test gevali- deerd FEM-model op basis van FEM-bereke- ningen aantonen dat de andere wanden ook voldeden, zonder een-op-een op 1 proef. De meest ingewikkelde variant is als maatgevend gekozen. Deze is uitgebreid getest door TNO volgens 'design by testing'. Circulair bouwen De opdrachtgevers wilden een zo circulair mogelijk gebouw. De toegepaste materialen moeten na de gebruiksperiode als De Verga - derfabriek elders zijn in te zetten als product of als grondstof. Dit betekent dat er zo weinig mogelijk andere materialen in de construc- tieve wanden mogen worden opgenomen. Voor de stabiliteit zijn ankers nodig, maar het beton zelf is verder ongewapend. Alle instal - laties zijn om die reden los van de wand in een goot rondom de vloer geplaatst. Aan de binnenzijde doet de geprinte betonwand ook dienst als projectiescherm, waardoor deze wand vlak moest worden. Hier is een stuclaag van kalkhennep aange- bracht. Dit kan later eenvoudig worden ver- wijderd, dus gescheiden van het beton. Ook in de keuze van andere toegepaste materialen en de verbindingen is steeds de circulaire gedachte leidend geweest. Productie Een wand wordt geprint in twee uur tijd. De meeste tijd gaat zitten in het nauwkeurig plaatsen van de printer. Het model wordt met 'slicing software' eerst opgedeeld in een coördinatenstelsel van de te printen lagen. In het model zijn een aantal referentiepunten opgenomen, die op locatie worden uitgezet en die kenbaar worden gemaakt aan de ro- bot. Dan wordt er eerst een ronde droog ge- print, waarmee er controle wordt uitgevoerd of de printer op de juiste plek staat en de robotarm nergens wordt gehinderd. De printer bestaat uit een verplaatsba - re robotarm die is verbonden met de beton - pomp. De robotarm heeft een bereik van 3,5 m rondom en 3,5 m hoogte. Het groter maken van het bereik had niet heel veel zin, omdat de maximale lengte van het printpad maatgevend is. De tijd tussen de opeenvol - gende lagen komt erg nauw. De hydratatie moet namelijk al op gang kunnen komen om het verhardingsproces te starten, maar mag ook weer niet te ver zijn omdat dan de lagen niet goed meer op elkaar hechten. De beste resultaten met de betonmix van CyBe is be- haald met een maximale open tijd van 5 min. Het toegepaste beton is na 24 uur be- lastbaar en heeft dan ongeveer een sterkte van 20 N/mm 2. Het nabehandelen hoeft dan ook maar relatief kort te gebeuren, 20 min tot een uur is voldoende. Dit wordt gedaan door de constructie te benevelen. De con - structie wordt behoorlijk warm door de hy - dratie en wordt door het benevelen gekoeld. De temperatuur van dit water wordt nauwge- zet afgestemd op de temperatuur van de omgeving en het uithardende beton. Alhoewel de betonmortel bestaat uit zand, additieven en een bindmiddel, is het geen beton volgens de NEN-EN 206, omdat het toegepaste bindmiddel hierin niet ver- noemd staat (over dit bindmiddel is verder niets bekendgemaakt). Omdat de wanden direct op de uitein - delijke plek worden geprint, komt het print- pad van een naastgelegen wand dicht tegen een al geprinte wand aan. Hiertoe moet de printerkop diagonaal worden gehouden om erlangs te kunnen. Ook dit is specifiek ontwik - keld voor De Vergaderfabriek. En zo kent elk project weer uitdagingen waardoor de moge- lijkheden steeds verder worden uitgebreid. Toekomstperspectief Het 3D-printen van beton staat nog in de kin - derschoenen. Er is nog veel te ontwikkelen en te ontdekken. Maar de methode is, zoals ge- toond met dit project, klaar voor meer groot- schalige productie. Het blijkt in potentie een efficiëntie methode te zijn in termen van logistiek, snelheid van uitvoering en kosten. Efficiënt is ook de integrale manier van sa - menwerken tussen de architect, constructeur en uitvoering. Als we daadwerkelijk voordeel willen hebben van deze snelle productieme- thode, is het niet alleen de techniek zelf die verder moet worden ontwikkeld alsook de aansluitende werkzaamheden. MEER INFORMATIE Meer informatie over De Vergaderfabriek vind je op: https://3dprintedbuilding.eu/nl/ Het groter maken van het bereik had niet heel veel zin, omdat de maximale lengte van het printpad maatgevend is 20? CEMENT 8 2019 9 5 6 8 7 5 Onderzijde geprinte wanden met uitstekende stekeinden, buitenste schil op foamglas en een isolatieplaat, bron: Mediavisie?6 Principe van de wandopbouw; de vorm van de wanddelen is uiteindelijk anders geworden, vooral in de aansluiting van de schalen op elkaar, bron: The Form Foundation?7 Detail aansluiting van wand met fundering, bron: The Form Foundation?8 De Vergaderfabriek is bijna gereed, bron: Mediavisie?9 De wanden worden in delen zeer dicht naast elkaar geprint; hier moet de printkop schuin staan, bron: Mediavisie De holle delen van de wand zijn gevuld met biofoam isolatiekorrels CEMENT 8 2019 ?21