Příběh prvoka

Příběh Prvoka musíme i v časopise Beton začít plastem, neboť osobně se zabývám recyklací PET materiálu v architektuře a Jiří Vele je odborníkem na 3D tisk všemožných materiálů a práci s roboty, kterými 3D tiskárny tak trochu jsou.

V experimentálním studiu Pet-mat a na Fakultě architektury ČVUT jsme měli možnost sbírat zkušenosti i rozšiřovat své znalosti v oblasti 3D tisku a v celém projektu jsme tak nositeli know-how, jak prakticky využívat této nové technologie. Seznámením se sochařem Michalem Trpákem naše činnost akcelerovala ve smyslu převodu analogového sochařského umění do digitální formy a produkce pomocí programování počítačů a robotů.

Na jaře 2019 jsme se poprvé pustili do 3D tisku betonu v rámci akce Umění ve městě a za pochodu se učili, jak celá technologie funguje. Producenti za námi sami chodili, abychom zkusili tisknout z jejich směsí. Úspěšně jsme otestovali směs Weber, Isotropico a Rapido, s Fakultou dopravní ČVUT jsme testovali jejich nově vyvíjenou betonovou směs s příměsmi popílku. Naše snažení vypadalo slibně a v září 2019 jsme v týmu Trpák, Nováková, Vele založili společnost Scoolpt zaměřující se na 3D tisk z betonu. Nakonec nám společnost BASF, resp. zástupce Master Builders Solutions Luboš Matzner nabídl spolupráci na vývoji speciálního cementového kompozitu a na přelomu roku 2019 a 2020 jsme ji začali důkladně testovat na vzorcích možných designů stěn Prvoka.

Díky Jirkovým skicám a modelování v softwarových programech začal vznikat systém dvou oddělených stěn: vnitřní stěna obsahovala hřebínkovou výztuží vyztužené sloupky a byla navržena jako nosná a vnější stěna připomínající svým tvarem vodní hladinu byla programována jako samonosná a voděodolná s řízeným odváděním vody ze zelené střechy. S metodou navrhování se praly dva počítačové programy: Archicad schopný vést celý projekt v BIMu a modelovací Rhinoceros. Výsledkem je prostorově dvojitě zakřivená fasáda navržená pomocí plug-inu Rhino Grasshopper, jejíž design napomáhá ke stabilitě stěny při tisku. Uvědomme si, že jedna stěna má tloušťku pouhých 45 až 50 mm a je z prostého betonu.

S tím, jak se design Prvoka blížil ke své finální podobě, začala být palčivou otázka ověření stability a únosnosti jeho konstrukce. S Experimentálním centrem na Fakultě stavební ČVUT jsme začali plánovat tlakové zkoušky v lisu. V hale tohoto centra panovaly optimální podmínky co do teploty a vlhkosti prostředí. Hala je vytápěná a to bylo 1. dubna 2020 celkem podstatné. Po předchozích zkušenostech jsme už věděli, že úspěšný tisk betonu je závislý na stabilní teplotě nad 15 °C, jinak se směs neaktivuje a výtisky netuhnou.

Ukázalo se, že design, který po velkých „bitkách“ mezi sochařem a architekty vznikl, není možné otestovat na malých vzorcích. Bylo nutné vytisknout rovnou půlku betonové struktury v měřítku 1:1, neboť každá část domu je unikátní a nevypovídá o chování konstrukce jako celku. Předpoklady statiků byly pozitivní, a tak jsme se rozhodli pro destruktivní zkoušku. Jaké bylo naše zklamání! Žádný apokalyptický zážitek se nekonal. Test dopadl nadmíru pozitivně – i při maximálním možném zatížení 500 kN, což byl desetinásobek zákonem požadované únosnosti pro oblast Praha a Střední Čechy, se stavba nedeformovala o více než 1 mm. První pokusný výtisk se povedl zrealizovat během jednoho dne, tisk trval 10 h se dvěma technologickými pauzami. Vytištěný objekt byl následně rozřezán na vzorky, které budou testované i na ohyb, tah apod. (samotné testy ještě neproběhly).

Ukázalo se, že pauzy v tisku trvající déle než 20 až 25 min mají vliv na soudržnost vrstev a v konstrukci v inkriminovaných místech při následném testování vznikají trhliny. Nemá to však vliv na únosnost stěn ani na statické chování stavby. Nicméně při následném provádění požárních zkoušek se ukazuje, že tyto trhliny propouštějí teplotní zatížení dovnitř konstrukce, která sice nekolabuje, ale dochází k urychlení destrukce tepelné izolace a průniku vysoké teploty na druhou stěnu konstrukce.

Tisk samotného Prvoka trval v přepočtu na tiskový čas pouhých 24 h. My jsme si to kvůli nepříznivým povětrnostním podmínkám prodloužili na celý týden a upřímně – stěny nám musely několikrát spadnout, než jsme do haly bývalého výměníku v Českých Budějovicích pořídili naftové ohřívací agregáty pro udržení stálé teploty prostředí. Nepřízeň nás nicméně naučila se se spadlými kusy vyrovnat a Jiří Vele naučil robota najít a dotisknout přesně ty části, které spadly.

Vnitřní a vnější stěna jsou navzájem kotveny kompozitními plastovými tyčemi, a navíc plošně slepeny pěnovou polyuretanovou izolací Incynene Lapolla. Experimentem u vyrobeného prototypu je použití prostého betonu ve velikých plochách bez cíleného vytváření spár. Kvůli pružné podstavě ze železného roštu a kvůli pohybům, ke kterým dochází při výrobě a manipulaci s Prvokem, se však trhliny tvoří samy. Na nás je zaznamenávat jejich rozsah a četnost, dobu a důvody vzniku a průběh jejich chování. Fasádu navíc opětovně opatřujeme hydrofobním nátěrem, aby voda do trhlin nezatékala. Tyto většinou svislé trhliny nemají vliv na statiku stavby, nicméně ukazují, že kromě technologických pauz, které zapříčinily zavadnutí vrstev, čímž nedošlo k jejich spojení, nemají s technologií aditivní výroby nic společného a vyskytují se v místech tahového a smykového namáhání kolmo na vrstvy v nepravidelných trajektoriích.

Prvok je velký experiment na poli 3D tisku, je to startovací výstřel pro vývoj vylepšených betonových směsí, levnějších armovacích tiskových hlav či pro staticky efektivní design při tenkovrstvé fasádě. Může být také první vlaštovkou nových trendů ve stavebnictví, kde se po dlouhé éře plo­chých fasád objeví fasády tvarů organických. Sochař Michal Trpák tento přerod hodnotí parafrází Adolfa Loose, když říká, že „ornament is not a crime“. Jen tento ornament bude tvořen inteligentními systémy týkajícími se dis/​​absorbce slunečního světla, vedení a sběru dešťové vody, akustiky, aerodynamiky a třeba i infor­mace (iA).