Detail: 3D-printed earthen structure of the TECLA prototype, Ravenna
Iago Corazza

Detail: 3D-geprinte aarden structuur van het TECLA-prototype, Ravenna

25 okt. 2023  •  Details  •  Door Collin Anderson By {brand}"

TECLA (een naam die is afgeleid van de termen 'technologie' plus 'klei') is het eerste eco-duurzame woningmodel dat volledig 3D-geprint is van lokale ruwe aarde. Het is een prototype van een woning waarin onderzoek, lokale bouwpraktijken, klimaatstudies en bioklimatologische principes zijn geïntegreerd. 

3D-printen is een industrie en technologie die pas recent zijn intrede heeft gedaan in de wereld van de architectuur. Maar het is in een snel tempo gebeurd, met bedrijven over de hele wereld die nu diensten aanbieden voor het printen van gebouwen met behulp van een scala aan materialen, met de belofte van unieke ontwerpen en, vaak, toegang tot betaalbare en koolstofarme bouwpraktijken. Toch blijven er hindernissen, zoals materiaalkosten en het herschrijven van regionale bouwvoorschriften. En dus moet de 3D-printindustrie nog een beetje navigeren voordat ze zaken als betaalbaarheid op grote schaal kan oplossen.

photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza

"Dit project is geen oplossing. Het is een experiment", zegt architect Mario Cucinella over het TECLA-huis, het eerste woningmodel dat volledig 3D-geprint is van lokale ruwe aarde. "Maar eerst moeten we toegeven dat er niet zoiets bestaat als een net-nul gebouw." Wat hij bedoelt is dat alle bouwactiviteiten, groot of klein, een impact hebben op het milieu en een bepaald niveau van niet-hernieuwbare energie vereisen: om grondstoffen te winnen, te bouwen en na verloop van tijd te onderhouden. Hoewel architecten misschien niet in staat zijn om netto nul te bereiken, streven praktijken zoals die van Cucinella er toch naar om in de buurt te komen. 

Cucinella heeft een groot deel van zijn carrière besteed aan onderzoek en ontwerp met betrekking tot dit onderwerp. In 1992 richtte hij zijn bureau Mario Cucinella Architects (MCA) op in Parijs. Vandaag de dag is het bureau gevestigd in Bologna en Milaan en bestaat uit meer dan 100 professionals die gespecialiseerd zijn in ontwerpen die innovatieve milieustrategieën integreren, gebruikmakend van een interne onderzoeks- en ontwikkelingseenheid. Het bureau heeft een voortdurende samenwerking met de Stichting School voor Duurzaamheid (SOS) die op onderzoek gebaseerde programma's biedt gericht op milieukwesties, ook opgericht door Cucinella.

Het prototype van de TECLA-woning, gebouwd op een locatie in een gemeente in Ravenna, Italië, is het resultaat van een samenwerking tussen MCA, SOS en een derde partij, World's Advanced Saving Project, of WASP. WASP is een baanbrekend bedrijf voor 3D-printtechnologie dat huizen bouwt van natuurlijke materialen. De naam van het Italiaanse bedrijf is geïnspireerd op de pottenbakkerswesp, een insectensoort die ingewikkelde moddernesten bouwt.

TECLA is bedacht als antwoord op de woningnood die ontstaat door massale migratie en natuurrampen. Het is deels een modelwoning, deels een wetenschappelijk project. De eigenaardige structuur en kleur kunnen worden vergeleken met een bijenkorf, of misschien met een pompoen. Wat de gelijkenis ook is, de vorm is beslist organisch. En het heeft bereikt wat het moest doen, namelijk volledig lokaal materiaal gebruiken om afval en opgeslagen energie aanzienlijk te verminderen. Daarmee heeft Cucinella het recht verdiend om naar TECLA te verwijzen als een 'bijna zero-emissie' project.

photo_credit Mario Cucinella Architects
Mario Cucinella Architects

 

photo_credit Mario Cucinella Architects
Mario Cucinella Architects

De flexibiliteit van 3D printen

Een van de voordelen van 3D-printen is de flexibiliteit bij het maken van vormen. Ontwerp- en constructieparameters voor 3D-printen met aarde zijn een functie van de materiaaleigenschappen en de instelsnelheid. "Met de huidige 3D-printtechnologieën is het het materiaal dat de weg wijst. Het is het materiaal dat de uiteindelijke morfologie van het gebouw voorstelt," zegt Cucinella. In het geval van TECLA werden bijvoorbeeld de maximale helling van de koepelvormige oppervlakken en het ontwerp van de metselwerkvulling gedicteerd door het technische gedrag van het mengsel, de sterkte ervan en de wijzigingen die werden aangebracht tijdens de uithardingstijd. De specifieke printtechnologie die werd gebruikt, bepaalde de voetafdruk van TECLA en de behoefte aan openingen in het midden van de koepels om de printers te verwijderen. 

MCA bestudeerde de vorm van het gebouw in relatie tot het klimaat en de breedtegraad. De koepelvormige schil is parametrisch geoptimaliseerd om drie parameters met betrekking tot het klimaat in balans te brengen: ventilatie, die wordt verzorgd door de holtes van een buitenlaag van bedrukte aarde; thermische isolatie, die wordt bereikt door de binnenste holtes van de bedrukte aarde te vullen met rijstkaf, een industrieel bijproduct; en thermische massa, die wordt geregeld door de diepte van de buitenribben. Volgens de architecten kunnen deze factoren worden aangepast aan verschillende omgevingsfactoren om intern comfort te garanderen. De samenstelling en vorm van TECLA zouden dus theoretisch afhangen van de geografische locatie waar het gebouwd wordt. In het geval van een vochtig klimaat zou de thermische massa bijvoorbeeld toenemen met breder uit elkaar geplaatste ribben en een dikkere ventilatielaag. In een

photo_credit WASP
WASP

 

photo_credit Mario Cucinella Architects
Mario Cucinella Architects

Een 'eerlijke' vorm 

Het ontwerp heeft een organische vorm, een compositie van twee koepels die via een bochtige en ononderbroken sinus uitmonden in twee cirkelvormige dakramen. De architecten leidden de geometrie en de vorm van de buitenste nokken af op basis van de noodzaak om een structureel evenwicht te bereiken, zowel tijdens de drukfase als na de voltooiing. Cucinella noemt het "een eerlijke vorm, een oprechte vorm". Met een oppervlakte van ongeveer 60 vierkante meter bestaat het huis uit een woongedeelte met een keuken en een nachtgedeelte met een slaapgedeelte en toilet. Het meubilair is deels gedrukt in lokale aarde en geïntegreerd in de structuur van ruwe aarde, en deels ontworpen om te worden gerecycled of hergebruikt.

photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza
photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza

De mix ontwerpen 

MCA werkte samen met Mapei, een van de grootste Italiaanse bedrijven in bouwmaterialen, om de aardedrukmix te ontwerpen. "De uitdaging was om een materiaal te hebben dat technische prestaties zoals druksterkte en verhardingssnelheid combineert met een laag additievengehalte om de grond zo natuurlijk mogelijk te houden," aldus de architecten. 

De resulterende mix bevat twee chemische additieven: een klein percentage cement dat wordt gebruikt om de structurele en duurzaamheidsprestaties te verbeteren, en een door Mapei ontwikkeld additief dat zorgt voor verbeterde sterkte en waterdichtheid. De andere additieven zijn natuurlijk: rijststro, rijstkaf en kiezelzand. Het hoofdbestanddeel van de mix is natuurlijk de gefilterde aarde met haar eigen unieke kenmerken die bepalend zijn voor het filtersysteem, de mengapparatuur en het specifieke mixontwerp.

photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza

Detaillering met aarde

De fundering van TECLA is het enige onderdeel van het prototype dat volledig met beton is geprint. "3D-printen maakt het mogelijk om beton te optimaliseren met behoud van een uitstekende structurele sterkte", aldus MCA. Dit resulteert in een funderingsontwerp dat minder impact heeft op het milieu (funderingen zijn meestal zwaar van beton en behoren daarom tot de meest vervuilende onderdelen van gebouwen). De architecten ontwierpen een oplossing om de eerste lagen van de koepel aan de fundering te verankeren met behulp van metalen buizen.

Alle punten waar er een verbinding is tussen 3D-geprinte muren en niet-aardse componenten, waaronder ramen, deuren en meubilair, worden beschouwd als kritieke punten. "Het verschil in gedrag tussen materialen is iets dat grondig bestudeerd moet worden om mogelijke problemen te voorkomen. Wanneer we met aarde werken, moeten we in gedachten houden dat we met een levend materiaal werken," aldus MCA. 

Vanwege de experimentele aard van het prototype werden de thermische, structurele en waterdichte eigenschappen niet gecertificeerd. Het prototype bevat bijvoorbeeld geen waterdichtheid vanwege de klimatologische kenmerken waarvoor het ontworpen en gebouwd is. Raamkozijnen werden echter wel ontworpen om voldoende bescherming te bieden tegen binnendringende regen en om een luchtuitwisselingscomponent te handhaven aan de bovenkant van de koepel.

photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza
photo_credit Iago Corazza
Iago Corazza

Gebouwd op snelheid

WASP gebruikte twee gesynchroniseerde printerarmen tegelijk, die werden aangestuurd met software die bewegingen optimaliseerde, botsingen vermeed en een gestroomlijnde werking garandeerde. Elke printeenheid had een printgebied van 50 vierkante meter. 

De printers zetten de mix op met een snelheid die het mogelijk maakte om de woningmodule in enkele dagen te bouwen. Elke TECLA-woning kan binnen 200 uur na het printen worden geleverd. De module bestaat uit in totaal 350 lagen aarde-extrusies in banden van 12 millimeter; dit komt overeen met zo'n 150 kilometer aan geprint materiaal. Het huis gebruikt 60 kubieke meter natuurlijk materiaal voor een gemiddeld verbruik van minder dan 6 kW. 

Naast het printen vereiste het project de installatie van een handvol andere producten. TECLA heeft deuren en ramen van Capoferri Serramenti, houten beslag van Imola Legno en zitmeubilair van gerecycled karton van Officine Tamborrino.