Pierwszy na świecie zbiornik na wodę pitną wydrukowany

W ostatnich latach technologia druku 3D przebojem wkracza do wielu sektorów przemysłu, w tym również do branży budowlanej, która od dawna poszukuje bardziej efektywnych, i tańszych rozwiązań. Rosnące zainteresowanie wykorzystaniem zautomatyzowanych procesów wznoszenia konstrukcji, zwłaszcza zbiorników na ciecze, otwiera przed inwestorami i wykonawcami zupełnie nowe możliwości, które postanowiliśmy zbadać. Chcemy podzielić się doświadczeniami z realizacji tego pionierskiego projektu, w którym zastosowanie druku betonu 3D umożliwiło nam nie tylko zrealizować inwestycję, ale też zdobyć cenną wiedzę i umiejętności na przyszłość.

Planując ten projekt, poszukiwaliśmy metod pozwalających na lepsze, tańsze i bardziej efektywne budowanie. Branża budowlana, zwłaszcza w porównaniu do takich sektorów jak rolnictwo, nadal cechuje się niskim poziomem automatyzacji i robotyzacji. Obserwując dynamiczny rozwój technologii druku 3D z betonu w różnych obszarach budownictwa, doszliśmy do wniosku, że warto zastosować ją również do konstrukcji zbiorników na ciecze.

Zbiorniki o cylindrycznym kształcie wydają się idealnym obiektem do wykorzystania tej technologii. Ich forma jest prosta i łatwa do wydrukowania, nie wymaga skomplikowanych geometrii. W przyszłości przełoży się to na uproszczenie konstrukcji samych drukarek do betonu, co z kolei obniży koszty, skróci czas montażu urządzenia na placu budowy oraz ograniczy zapotrzebowanie na zaawansowane zaplecze IT. W efekcie technologia ta stanie się bardzo przystępna cenowo.

Prosty kształt zbiornika ma również pozytywny wpływ na pracę mechaniczną konstrukcji. W cylindrycznych zbiornikach przeznaczonych do magazynowania cieczy mamy do czynienia głównie z rozciąganiem materiału ściennego. Co więcej, dzięki charakterowi napełniania cieczą obciążenie jest równomiernie rozłożone w przekroju pionowym ściany i proporcjonalnie maleje wraz ze zbliżaniem się do górnej krawędzi.

Podczas przygotowań do projektu odbyliśmy interesującą, praktyczną dyskusję techniczną. Nasi koledzy z Holcim zasugerowali użycie specjalnej żywicy w przypadku przerwania druku, by poprawić przyczepność kolejnych warstw betonu. Ja natomiast uznałem i nadal tak uważam  (Marcin Mikulewicz – przypis red.), że taka warstwa nie jest konieczna ze względu na równomierny rozkład obciążeń. Dalsze rozważania inżynierskie w tym zakresie pozostawiam do oceny czytelnikom.

Podsumowując, równomierne obciążenie i cylindryczny kształt zbiorników sprawiają, że zastosowanie zbrojonego włóknami betonu jest optymalnym rozwiązaniem. W najbliższej przyszłości można spodziewać się dalszego postępu technologicznego, który obniży koszty oraz wielokrotnie przyspieszy tempo druku dzięki optymalizacji samych materiałów i procesu jego przygotowania.

Na wstępnym etapie liczyliśmy, że wykorzystanie technologii druku 3D przyniesie nam wymierne korzyści, o czym pisaliśmy w Biuletynie Konsultant nr 66. Oczekiwaliśmy przede wszystkim:

1. Skrócenia czasu realizacji – tak, aby wydruk ścian był istotnie szybszy niż w tradycyjnych metodach budowy;
2. Ograniczenia zużycia materiałów – dążąc do bardziej efektywnego wykorzystania surowców;
3. Zmniejszenia zapotrzebowania na personel – co pozwoliłoby obniżyć koszty i usprawnić organizację prac.

Po wstępnych analizach wiedzieliśmy, że projekt będzie miał charakter badawczo-rozwojowy i założyliśmy sobie trzy główne cele: osiągnąć czas wydruku ścian poniżej 48 godzin, przy jednoczesnym ograniczeniu ilości materiałów i liczby osób zaangażowanych w porównaniu z tradycyjnymi technologiami budowlanymi.

Do przygotowań przystąpiliśmy w listopadzie 2022 roku, co wynikało z charakteru zamówienia, ponieważ był to kontrakt publiczny. W związku z tym musieliśmy szczegółowo zaprojektować zbiornik oraz przeanalizować możliwość realizacji w nowej, eksperymentalnej de-facto technologii.

W Polsce nie ma formalnego obowiązku stosowania norm technicznych w tego typu przedsięwzięciach, dlatego analizy statyczne oparliśmy na wynikach zaawansowanych i w pełni wiarygodnych badań laboratoryjnych przeprowadzonych przez Holcim. Uzyskane dane wytrzymałościowe posłużyły nam do stworzenia modelu mechanicznego konstrukcji w oparciu o metodę elementów skończonych (MES). Wykorzystanie MES pozwoliło na bardzo precyzyjne, wręcz punktowe (w obrębie każdego milimetra kwadratowego ściany), symulacje zachowania konstrukcji.

Takie podejście to kwintesencja inżynierskiej precyzji – łączy najnowsze osiągnięcia IT w dziedzinie analizy mechanicznej z tradycyjną, ludzką wiedzą inżynierską w dziedzinie statyki konstrukcji. Pamiętajmy przy tym, że wciąż mówimy o prototypie, który musi działać w warunkach rzeczywistych. Z tego powodu próbki mieszanki były pobierane w trakcie druku, aby zweryfikować ich właściwości wytrzymałościowe w warunkach laboratoryjnych i upewnić się, że założenia teoretyczne mają odzwierciedlenie w stanie faktycznym.

Zamodelowany zbiornik spełniał wszystkie założenia projektowe i posiadał atest PZH. Dzięki temu udało się sprawnie uzyskać wymagane zgody formalne, co umożliwiło szybkie rozpoczęcie realizacji projektu.

Kolejnym interesującym aspektem był rygor zamówień publicznych, w ramach którego prowadzono inwestycję. Warto w tym miejscu podkreślić rolę wizjonerów, a w szczególności prezesa ZWiK Barczewo, Pana Jacka Kasprzaka. On wraz ze swoim zespołem dał zielone światło dla zastosowania tej nowatorskiej technologii już po przyjęciu naszej oferty. Zamówienie realizowano w formule „zaprojektuj i wybuduj”, dzięki czemu, z perspektywy zamawiającego, wybór technologii nie wpływał na koszty wykonania. Generalny wykonawca miał swobodę w doborze metody budowy zbiornika, co wyeliminowało bariery związane z ewentualną zmianą rozwiązań.

Po zakończeniu etapu ofertowego, właściwe przygotowania techniczne ruszyły około maja 2024 roku. Był to proces niestandardowy, gdyż zaangażowane były trzy przedsiębiorstwa z różnych krajów. W sumie odbyliśmy około 20 spotkań online, by ustalić wszelkie szczegóły realizacji.

Najważniejsze obszary, które wymagały niestandardowego podejścia, to:

Kwestie techniczne i wykonalność:

Na wstępie musieliśmy ustalić ogólne warunki techniczne oraz potwierdzić, że konstrukcja:
a) jest możliwa do zrealizowania,
b) spełnia wszystkie funkcje wymagane przez zamawiającego,
c) przeniesie planowane obciążenia,
d) uzyska wszelkie niezbędne atesty i pozwolenia (zdobyliśmy pierwsze w Polsce pozwolenie na budowę obiektu drukowanego, jak również atest PZH),
e) zostanie wykonana w terminie narzuconym przez kontrakt generalnego wykonawcy, zlecającego zadanie firmie Globtank.

Był to kluczowy etap, ponieważ trzy zaangażowane firmy z czterech różnych krajów musiały sobie nawzajem zaufać i uwierzyć w wykonalność przedsięwzięcia. To wzajemne zaufanie umożliwiło uruchomienie procesów przygotowawczych w firmach, generujących często znaczne koszty. Jeśli miałbym udzielić rady innym, to jedną z najważniejszych byłaby: współpracuj wyłącznie z instytucjami i ludźmi, co do których masz pewność, że sprostają wyzwaniom i „dowiozą” projekt do końca, pomimo licznych przeszkód, jakie mogą się pojawić.

Szczegółowe ustalenia techniczne

Kolejny etap obejmował dokładne omówienie kwestii technicznych, wykonanie obliczeń, optymalizację konstrukcji (m.in. zwężanie się ścian ku górze ze względu na zmniejszające się parcie cieczy), a także dopracowanie wszelkich detali technicznych.

Organizacja i harmonogram prac:

Następnie skupiliśmy się na planie realizacji i organizacji zaplecza budowy. Harmonogram wydruku został opracowany z precyzją do jednej godziny. Podzieliliśmy zadania na placu budowy i określiliśmy odpowiedzialność poszczególnych zespołów za wybrane zakresy prac podczas samego procesu drukowania.

Pomimo iż planowaliśmy z najwyższą starannością, w trakcie realizacji napotkaliśmy na kilka nieprzewidzianych zdarzeń. Przykładem może być sytuacja związana z niedostatecznie przesianym żwirem, dostarczanym na budowę w big-bagach. Zdarzyło się co najmniej pięć razy, że do systemu drukarki dostał się kamień, który blokował całą instalację. W takiej chwili trzeba wstrzymać druk, wyczyścić dyszę, a bardzo często również cały układ, łącznie z pompą do betonu. Wszystko to może zająć od 30 do 40 minut intensywnej, zespołowej pracy prowadzonej w bardzo szybkim tempie, ponieważ mieszanka betonowa przeznaczona do druku wiąże błyskawicznie. Jeśli zbyt długo pozostanie w rurach, w najlepszym przypadku wymaga całkowitego opróżnienia, a w najgorszym może doprowadzić do zniszczenia całego systemu podawczego i pompy.

Sytuację tę można porównać do rejsu morskiego. Gdy panuje piękna pogoda i sprzyjający wiatr, załoga cieszy się spokojną żeglugą, tak samo wygląda budowa podczas bezproblemowego drukowania. Jednak w czasie sztormu, czyli zablokowania drukarki wszystkie ręce muszą być na pokładzie. Każdy wie, co i kiedy należy zrobić, i ma świadomość, że działanie musi być natychmiastowe, ponieważ inaczej rejs (projekt) może zakończyć się katastrofą. Warto dodać, że pierwszy dzień druku zakończyliśmy około piątej nad ranem, a takie awaryjne sytuacje zdarzały się niejednokrotnie w środku nocy. Na tym etapie byliśmy już dobrze przygotowani i wiedzieliśmy, które elementy możemy skoordynować wcześniej, a co musi zostać rozwiązane bezpośrednio na placu budowy.

Proces drukowania zbiornika faktycznie rozpoczęliśmy we wtorek, 22 października. Już w jego trakcie ujawniło się kilka ryzyk, które wcześniej uwzględniliśmy w analizach. Były one początkowo demotywujące, jednak zespół szybko przeanalizował sytuację, wyciągnął wnioski i kontynuował pracę w doskonałej atmosferze. Warto podkreślić, że problemy rozwiązywaliśmy zazwyczaj w ciągu minut lub godzin, utrzymując wysokie tempo budowy.

Największym wyzwaniem okazało się utrzymanie trybu pracy 24/7. Początkowo planowaliśmy ciągły druk, jednak brak doświadczenia w tego typu realizacjach uniemożliwił nam spełnienie tego założenia. Dodatkowo, projekt miał niestandardowy charakter – przy druku pracowały trzy międzynarodowe zespoły, współpracujące ze sobą po raz pierwszy. Po początkowych trudnościach, ostatnie dni przebiegały już wzorcowo: każdy wiedział dokładnie, co i jak należy robić.

W kontekście ryzyk warto zwrócić uwagę także na pozytywne aspekty przedsięwzięcia. Materiał dostarczony przez dostawcę mieszanki, który jest jednym z kluczowych sprawdził się znakomicie – dzięki jego intuicyjności i łatwości obsługi uniknęliśmy problemów związanych z konsystencją lub jakością surowca.

Analiza powykonawcza pozwala stwierdzić, że zdecydowanie osiągnęliśmy dwa z zakładanych celów projektu, a trzeci jest w zasięgu ręki i zależy od skali przyszłych proejktów. Kluczowym sukcesem było zautomatyzowanie procesu budowlanego. Ściany wydrukowaliśmy w 38 godzin aktywnej pracy, rozłożonych na 5 dni roboczych. To prawie dwukrotnie szybciej niż w tradycyjnej metodzie wznoszenia ścian żelbetowych, której czas szacujemy na około 10 dni. Choć nie udało się zrealizować wszystkiego w pierwotnie zakładane 2 dni, to uzyskane tempo druku jest imponujące i stanowi solidną podstawę do dalszego rozwoju tej technologii.

Ściany naszego zbiornika zostały zaprojektowane tak, aby ich grubość malała wraz z wysokością konstrukcji. Wynika to z faktu, że ciśnienie wody, będące kluczowym obciążeniem dla ścian, maleje wraz ze wzrostem wysokości. Dzięki temu efektywnie wykorzystujemy właściwości materiału w całym przekroju, a nie tylko w dolnej części zbiornika. Ta optymalizacja przekłada się także na aspekty środowiskowe – budujemy mądrzej, zużywając mniej surowców.

Jednym z naszych celów było ograniczenie liczby osób pracujących na budowie. Nie udało się go w pełni zrealizować przy pierwszym projekcie – łącznie zaangażowanych było 15 osób. Wpłynęło na to kilka czynników: po pierwsze, zespół był pierwotnie podzielony na trzy zmiany po 5 osób, choć ostatecznie pracowaliśmy tylko na jedną zmianę, co zredukowało faktyczną potrzebę tak dużej liczby pracowników. Po drugie, projekt miał charakter badawczo-rozwojowy. Realizowaliśmy tego typu zbiornik po raz pierwszy, stąd konieczny był „zapas” specjalistów – inżynierów, mechaników, programistów, technologów betonu – aby elastycznie reagować na ewentualne wyzwania. Na podstawie tego doświadczenia wiemy, że w podobnej skali kolejny projekt wymagałby już tylko 4 osób na zmianę, a w dalszej perspektywie możliwe jest ograniczenie zespołu do 2–3 osób.

W trakcie tego pilotażowego przedsięwzięcia nie koncentrowaliśmy się w pełni na kosztach. Byliśmy świadomi, że pierwszy realizowany w ten sposób zbiornik będzie droższy niż tradycyjne rozwiązania. Po potwierdzeniu zasadności stosowania technologii 3D druku betonu w budowie zbiorników, kolejne projekty muszą być jednak opłacalne. Już na etapie planowania tego pierwszego obiektu przewidzieliśmy rozwiązania, które pozwolą zredukować koszty w przyszłości. Po pierwsze, skala: sprowadzanie drukarki z Danii, jak w naszym przypadku w celu wydrukowania jednego, stosunkowo niewielkiego zbiornika, nie było optymalne. Kolejne realizacje planujemy opierać na własnej drukarce. Po drugie, liczba osób zaangażowanych w proces zostanie znacząco zmniejszona: z 15 do 4, a docelowo nawet do 2–3. Po trzecie, wielkość obiektu: im większy zbiornik, tym bardziej rosną korzyści z zastosowania tej technologii. Planujemy w przyszłości wydrukować duży, żelbetowy obiekt o średnicy nawet 30 metrów. Chcemy także wprowadzić nowe rozwiązania materiałowe – wykorzystanie standardowego betonu z lokalnego węzła betoniarskiego, co może stać się prawdziwym przełomem kosztowym.

Technologia 3D druku betonu dynamicznie rozwija się także w innych obszarach budownictwa. Już teraz w Polsce drukuje się schody skarpowe czy elementy małej architektury, a w planach partnerów są również pełnowymiarowe domy. Potencjał zastosowania tej metody jest ogromny – wszędzie tam, gdzie stosuje się beton, druk 3D może otworzyć nowe możliwości i uprościć realizację skomplikowanych projektów.

Osobom rozważającym wykorzystanie tej technologii doradzamy otwartość na innowacje, perspektywiczne myślenie oraz wizyty na innych budowach, gdzie druk 3D jest już stosowany. Otwartość jest kluczowa, ponieważ drukowanie betonu umożliwia realizację projektów, które wcześniej były trudne lub nieopłacalne. Jednocześnie warto pamiętać, że choć pierwszy projekt może nie być w pełni konkurencyjny kosztowo, to krzywa uczenia się jest bardzo stroma. Już drugi i kolejne obiekty mogą okazać się zdecydowanie bardziej efektywne i opłacalne.

Najważniejsze jest jednak bezpośrednie doświadczenie z tą technologią. Gdy widzi się, jak szybko i sprawnie działa drukarka, jak niewiele wymaga pracy ludzkiej oraz jak bardzo upraszcza proces budowy, łatwo dostrzec jej potencjał. Bezpośredni kontakt z technologią może sprawić, że 3D druk betonu stanie się nie tylko innowacyjnym rozwiązaniem, lecz także inspiracją do dalszego rozwoju branży.