Βιώσιμος σχεδιασμός και αυτοματοποιημένη κατασκευή εξατομικευμένων δομικών στοιχείων μέσω ευέλικτου κινητικού καλουπιού

Abstract

Μέσα στο πλαίσιο της διαδικασίας κατασκευής σύνθετων εξατομικευμένων δομοστοιχείων από χυτά υλικά αλλά και της εξέτασης της βιωσιμότητας τους, εμφανίζεται ένας αριθμός από σύγχρονες κατασκευαστικές μεθοδολογίες βασισμένες σε ρομποτικούς μηχανισμούς, οι οποίες επιτυγχάνουν αυτοματοποίηση και προσαρμοστικότητα στη χρήση τους. Επίσης, παρουσιάζουν πλεονεκτήματα που σχετίζονται με τη μείωση των ρύπων κατά τη διαδικασία παραγωγής, την ευελιξία στην επιλογή υλικών προς διερεύνηση και το μειωμένο κόστος κατασκευής των δομών, παρόλο που στις μέρες μας η εφαρμογή τους στον κλάδο των κατασκευών είναι σε πρώιμο στάδιο και εκεί που εφαρμόζεται, γίνεται αποσπασματικά. Επίσης, παρατηρείται έλλειψη πληροφοριών σχετικών με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τον οικονομικό αντίκτυπο τους στον τομέα της μαζικής εξατομικευμένης παραγωγής. Η προτεινόμενη έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας παραγωγής εξατομικευμένων μοναδιαίων στοιχείων μέσα από τα κριτήρια της βιωσιμότητας, της πολλαπλής λειτουργικότητας και της κατασκευασιμότητας τους. Η μελέτη επικεντρώνεται στην κλίμακα του τούβλου για σκοπούς προσαρμοστικότητας και τυποποίησης του σχεδιασμού και της κατασκευής τέτοιων στοιχείων. Συγκεκριμένα, αυτό επιτυγχάνεται μέσω της σχεδιαστικής και φυσικής παραγωγής πολλαπλών σύνθετων μορφολογικά δομοστοιχείων με τη χρήση ενός ευέλικτου κινητικού καλουπιού. Τα εξατομικευμένα δομοστοιχεία παράγονται σύμφωνα με προκαθορισμένες σχεδιαστικές αποφάσεις που αναφέρονται στη χρήση τριών δομικών υλικών: του ωμόπλινθου, του πηλού με τσιμέντο και του σκυροδέματος, αλλά και στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Τα ψηφιακά αποτελέσματα και οι φυσικοί πειραματισμοί τροφοδοτούν τη διαδικασία αξιολόγησης αφού συσχετίζονται με την επιλογή και τη σύσταση του δομικού υλικού, την εφαρμογή της ρομποτικής διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο και την παραγωγικότητα της. Η σύγκριση μεταξύ ψηφιακών και φυσικών αποτελεσμάτων προσφέρει τη δυνατότητα αξιολόγησης της ακρίβειας, της οικολογικής και οικονομικής βιωσιμότητας, που τέτοιες διαδικασίες προσφέρουν σε αντίθεση με συμβατικές μεθόδους κατασκευής αντίστοιχων δομών. Στοχεύοντας στη μελλοντική ανάπτυξη και εξακρίβωση της δυνατότητας υλοποίησης στην κατασκευαστική βιομηχανία, διαπιστώνεται ότι σε βάθος χρόνου η αυτοματοποιημένη διαδικασία είναι οικονομικά πιο συμφέρουσα. Επίσης, παρατηρούνται μικρότερες τιμές εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και ενέργειας σε σχέση με τη συμβατική διαδικασία. Το ευέλικτο καλούπι επιτρέπει την παραγωγή ενός αριθμού από μη συμβατικές δομές με γρήγορο τρόπο, παρόλο που ο βαθμός αυτοματοποίησης και ακρίβειας του ευέλικτου καλουπιού επιδέχεται μελλοντικές βελτιώσεις.

As part of the process of constructing complex customized modules from cast materials and examining their viability, a number of advanced construction methodologies based on robotic mechanisms appear, which achieve automation and adaptability in their use. Also, they have advantages related to the reduction of pollutants during the production process, the flexible selection of materials to be investigated and the reduction of structures’ construction cost, although nowadays their application in the construction industry is at an early stage and where applied, this is fragmented. Also, information on the environmental and economic impact of mass customization production is missing from the literature. The proposed research aims to develop an automated process for the production of customized individual units based on the criteria of their viability, multiple functionality and construction. The study focuses on the scale of the bricks for adaptability purposes, standardization and practicality of their design and construction. In particular, this is achieved through the design and physical production of multiple morphologically complex bricks using an adaptive formwork. The customized bricks are produced according to predetermined design decisions that refer to the use of three different building materials: adobe, clay with cement and concrete, but also to the evaluation of the analysis results. The digital results and the experiments in the physical environment inform the evaluation process as they are related to the selection and composition of the building material, the implementation of the robotic process in real time and its productivity. The comparison between digital and physical results offers the possibility for evaluating the provided accuracy as well as the ecological and economic viability of the process, in contrast to conventional methods of constructing corresponding structures. Aiming at their future development and implementation in the construction industry, it is found that in the long run the automated process is economically more advantageous. Also, lower carbon dioxide and energy emission values compared to the conventional process are observed. The flexible formwork allows the production of a number of non-conventional structures in less time, although the degree of automation and accuracy of the flexible mold is subject to future improvements.