Brücke aus 3D-gedruckten Elementen

Materialeinsparung durch digitale Fertigung

Ästhetisch hinken sie bisweilen noch etwas hinterher, doch in anderer Hinsicht können Betonbauwerke aus dem 3D-Drucker bereits überzeugen. Durch die digital gesteuerte Herstellung lässt sich massiv Material einsparen, da es nur noch dort eingesetzt werden muss, wo es konstruktiv tatsächlich gebraucht wird. Zudem kann bei komplexeren Bauteilen auf den Bau einer aufwendigen Schalung verzichtet werden. Bei einer circa 26 Meter langen und 3,60 Meter weiten Brücke im Norden Shanghais wurden von diesen Möglichkeiten jetzt gebrauch gemacht. Ihre Betonelemente wurden von zwei Industrierobotern in einem additiven Verfahren gefertigt.

Gallerie

Die Brücke spannt über ein Wasserbecken in einem auf innovative Technologien ausgerichteten Gewerbegebiet im Stadtteil Baoshan, wo man auch den 3D-Druck mit Beton untersucht. Entwickelt wurde das Bauwerk am Zoina Land Joint Research Center for Digital Architecture (JCDA) der Architekturfakultät der Tsinghua Universität. Ein Beton mit Polyethylenfasern bildet das Ausgangsmaterial für die Brücke. Durch den Faserbeton kann auf eine zusätzliche Bewehrung verzichtet werden.

Den Überbau formen 44 Block-Elemente, die jedoch nicht massiv sind, sondern im Inneren fachwerkartige Verstrebungen haben. Diese Bauteile ließen die Planer auf vier Stahlbögen montieren, die zwischen den Widerlagern spannen und während der Konstruktionsphase zusätzlich von einem Lehrgerüst gestützt wurden. Dazu kommen 68 Brüstungselemente, die ebenfalls Hohlräume umschließen. Zusammengesetzt erscheinen sie wie ein gewelltes textiles Band, das sich um den Rand der Brücke legt. Auch der Belag aus gitterartig geformten Platten stammt aus dem 3D-Drucker. Ihre verschlungenen Muster sind von Hirnkorallen inspiriert; die Hohlräume wurden nach der Fertigstellung mit weißen Kieselsteinen aufgefüllt.

Im Mittelpunkt der Forschungen des Teams um Professor Xu Weiguo standen die kontinuierliche Leistungsfähigkeit des Druckkopfes sowie die Umwandlung der digitalen Daten in einen Weg, der mit dem Roboterarm des Plotters effizient abgefahren werden kann. Außerdem galt es das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten des Systems zu optimieren und die Rezeptur des Faserbetons speziell auf die Erfordernisse dieses Projektes abzustimmen. Vor dem Druck wurde ein Model der Struktur im Maßstab 1:4 einem Belastungstest unterzogen, der die Funktionalität des Tragwerks bestätigte. Nach der Fertigstellung zeichnet ein Monitoring-System die tatsächlichen Belastungen der Brücke auf. So können die Wissenchaftler Rückschlüsse auf das Verhalten der 3D-gedruckten Bauteile ziehen.

Entwurf und Entwicklung: Tsinghua University, School of Architecture – Zoina Land Joint Research Center for Digital Architecture (JCDA)

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