Budynki z origami? Konstrukcja, którą składa się bez spawania

Arkusze aluminium można wyciąć w fabryce, przewieźć na plac budowy i złożyć w skomplikowaną konstrukcję za pomocą zwykłych narzędzi. Bez spawania, ciężkiego sprzętu montażowego i konieczności ustawiania podpór w środku. Naukowcy z MIT opracowali nową metodę budowania, która wykorzystuje zasady origami do tworzenia lekkich, ale sztywnych struktur.

Symulacje pokazują, że odpowiednio zaprojektowane moduły mogą być nawet 3,5 razy sztywniejsze od porównywalnych konstrukcji inspirowanych origami. Zespół zbudował już 7-metrową instalację, a teraz chce sprawdzić, czy podobny sposób montażu sprawdzi się przy wznoszeniu prawdziwych obiektów.

Nową metodę opracował międzynarodowy zespół kierowany przez Alfonso Parrę Rubio z Center for Bits and Atoms na Massachusetts Institute of Technology. W pracach uczestniczyli również naukowcy z Uniwersytetu Bolońskiego, Uniwersytetu w Innsbrucku oraz Uniwersytetu Tokijskiego.

Badacze wykorzystali pomysły Rona Rescha, artysty i naukowca, który już w latach 60. XX wieku eksperymentował ze składaniem powierzchni z powtarzających się wielokątnych elementów. Odpowiednie zagięcia pozwalały zamieniać płaski arkusz w przestrzenną strukturę.

Zespół MIT ten pomysł jednak sprytnie zmodyfikował. Zamiast próbować złożyć całą konstrukcję z jednego ogromnego arkusza, zaprojektował niewielkie moduły, które można wytwarzać i zaginać osobno, a następnie łączyć w większą całość.

Każdy moduł powstaje z dwóch odpowiednio ukształtowanych elementów przypominających trójramienne podstawy. Po połączeniu wzajemnie blokują one możliwość swobodnego odkształcania się. Konstrukcja staje się sztywna nie dlatego, że zastosowano grubszy metal, lecz dzięki samej geometrii.

W badaniu opublikowanym w International Journal of Space Structures naukowcy opisują, jak takie elementy tworzą przestrzenną siatkę połączonych belek. Układ pozwala przenosić obciążenia, a jednocześnie ograniczać ilość potrzebnego materiału.

Największym wyzwaniem okazało się przygotowanie elementów, które po złożeniu utworzą zaprojektowaną powierzchnię. Szczególnie trudne są konstrukcje zakrzywione w kilku kierunkach. Każdy moduł musi mieć odpowiedni kształt, ale nadal dawać się wykonać z płaskiego arkusza.

Właśnie dlatego badacze opracowali program, który rozwiązuje ten problem automatycznie. Najpierw oblicza geometrię poszczególnych elementów, a następnie sprawdza, czy po złożeniu będą do siebie pasować. Gotowe dane trafiają do maszyny CNC, wycinającej części z aluminium.

Robotnicy muszą później odpowiednio zagiąć przygotowane arkusze i połączyć je za pomocą śrub lub innych mechanicznych łączników. System zaprojektowano tak, aby podczas montażu elementy naturalnie przyjmowały właściwe położenie.

Nie potrzeba więc spawania na dużą skalę. Nie oznacza to jednak, że konstrukcja powstaje bez żadnych połączeń albo że sama rozkłada się po wyjęciu z transportowego opakowania. Nadal trzeba ją ręcznie zmontować.

Podobne próby ograniczania zużycia materiału opisywaliśmy już przy okazji betonowego mostu wydrukowanego przez MIT. Tam naukowcy sprawdzali, jak zmniejszyć ilość betonu bez utraty wymaganej nośności. W nowym projekcie punktem wyjścia jest geometria zaginanych metalowych elementów.

Badacze porównali swoją konstrukcję z innym sposobem układania podobnych modułów origami. Symulacje zginania wykazały, że przy takiej samej masie i powierzchni nowy układ był nawet 3,5 razy sztywniejszy. Według MIT rozwiązanie pozwala również uzyskać odpowiednią sztywność przy wykorzystaniu około dwóch trzecich ilości materiału potrzebnej w niektórych innych konstrukcjach opartych na origami.

Nie jest to jednak dowód na to, że nowa technologia jest 3,5 razy sztywniejsza od tradycyjnych stalowych konstrukcji budynków. Porównanie dotyczyło określonych układów geometrycznych, a wynik pochodzi z symulacji komputerowych. Żeby pokazać, że moduły można łączyć w znacznie większe struktury, naukowcy zbudowali instalację Lexicon. Konstrukcja o długości około 7 m powstała ze składanych elementów aluminiowych i została zawieszona w atrium Biblioteki Publicznej w Bostonie.

Całość zmontowano w ciągu kilku dni, a w pracach uczestniczyły również osoby niemające zawodowego doświadczenia budowlanego. System nie wymaga więc wyłącznie wyspecjalizowanych ekip, choć przy rzeczywistych obiektach konieczne będą odpowiednie kwalifikacje i kontrole.

Naukowcy wskazują przede wszystkim na możliwość tworzenia tymczasowych schronień po trzęsieniach ziemi, powodziach i innych katastrofach. Części mogłyby być transportowane jako płaskie arkusze, a następnie składane na miejscu bez konieczności używania rozbudowanego zaplecza budowlanego.

Tego typu konstrukcje mogłyby znaleźć zastosowanie również przy budowie zadaszeń, elewacji i paneli tłumiących hałas. Autorzy rozważają ponadto wykorzystanie ich w lotnictwie i robotyce.

Sam pomysł składania większych obiektów na wzór origami nie jest jednak nowy. Na Spider’s Web opisywaliśmy już projekt księżycowego habitatu LUNARK, którego konstrukcję zaprojektowano z myślą o szybkim rozkładaniu w trudnych warunkach. Rozwiązanie MIT wyróżnia się natomiast modułową budową i sposobem uzyskiwania sztywności.

Przeczytaj także:

W przyszłości podobne podejście mogłoby również ułatwiać naprawy i modernizacje obiektów. Pisaliśmy już o prefabrykowanych ścianach opracowanych w Grazu, które można rozbierać i wykorzystywać ponownie. Oba rozwiązania pokazują, że budownictwo coraz częściej szuka alternatywy dla konstrukcji, których demontaż oznacza zniszczenie materiałów.

Na razie MIT nie wybudowało jednak domu ani schronienia nadającego się do zamieszkania. Naukowcy muszą jeszcze przeprowadzić testy większych konstrukcji, sprawdzić ich zachowanie pod rzeczywistym obciążeniem i dostosować metodę do wymagań budowlanych.

*Źródło grafiki wprowadzającej: MIT / Canva Pro