Manapság egyre nagyobb kihívássá válik a növekvő piaci elvárások kielégítése profitorientált gazdaságunkban. Ennek érdekében elengedhetetlen a folyamatos teljesítménynövekedés, ráadásul a szoros határidők tovább nehezítik a kivitelezők munkáját, ugyanis a projektek 80%-ában meghaladják az építés tervezett keretöszszegét, 20%-ában pedig a határidőt is túllépik [1]. A jelenlegi kereslet kielégítéséhez a szektor termelékenységének fokozása szükséges, ezt azonban megfelelő munkaerő hiányában feltehetően további digitalizációval és technológiai újításokkal tudjuk majd elérni [2]. Mindezt alátámasztja, hogy a magyar építőipari cégek 60%-a még mindig a munkaerőhiányt tartja üzleti tevékenyége legfőbb akadályának [3].
1. kép – A dániai COBOD cég által gyártott BOD2 nyomtató az építési helyszínen felállítva (Fotó – PERI)
Az utóbbi években egy innovatív, automatizált technológia jelent meg a szerkezetépítésben, a 3D betonnyomtatás. Ezen folyamat során 2–5 cm vastag, valamint 3–30 cm széles rétegekből építik fel a kívánt térbeli alakzatot betonból. TDK kutatásom során a technológiai sajátosságok mellett az újfajta kivitelezési mód gazdasági kérdéseire kerestem választ. 3 különböző geometriájú egyszintes nyaralóépület modelljein keresztül összehasonlítottam a monolitvasbeton-építéssel a Contour Crafting-, illetve a teljes szerkezeti szélességű betonnyomtatást a falak esetében. A két technika közötti érdemi különbség abból adódik, hogy az első esetben a nyomtatófej egyszer, míg az utóbbinál háromszor halad végig a kijelölt falszakaszon a több, kisebb szélességű nyomtatott sáv miatt. Számításaim során magyar építőipari árakat vettem figyelembe az élőmunkaerő, az anyagköltség, valamint a bérleti díjak esetében is. A folyamat során használt anyag általában szálerősített, nagy szilárdságú beton, minimum C50/60 minőségű, amely kellő mértékben extrudálható, pumpálható és állékony is. Egyes receptúrák esetében a nyomtatott elem nyomószilárdsága az alacsony víz–cement tényezőnek köszönhetően 28 napos korban a 100 MPa-t is elérheti [4]. A fokozott figyelmet igénylő anyagtechnológia miatt a nyomtatáshoz használt beton ára jelenleg magasabb, mint a normál betoné, azonban a gyorsabb kivitelezés, a nagyobb teherbírás és a pontosabb anyaglerakás miatt megtérülhet a ráfordított összeg.
1. ábra
A 3D betonnyomtatással előregyártott elemeket is létre lehet hozni, mint például nagy méretű kerítések, közműakna, bennmaradó zsaluzat stb. Mivel azonban a kis léptékű lakóépületek piaca sokkal differenciáltabb, mint az előregyártott elemeké, ezért a technológiák összehasonlításakor erre a területre helyeztem nagyobb hangsúlyt. Ezen felül a 3D betonnyomtatással épült ház esetében nagyobb jelentősége lehet az élőmunka kiváltásának, ugyanis ezzel mérsékelni lehetne a kialakult munkaerőhiányt az építőiparban. Az egy helyszínen nyomtatott épületek akár egyéni igények szerint is kialakíthatók, ráadásul a szállítási díjak elhagyásának köszönhetően ugyanakkora anyagmennyiség esetén azonos áron.
Kutatásom kezdetén az összehasonlítás alapja a hagyományos monolit vasbeton építési mód volt. Ennek megfelelően mindhárom korábban említett modell esetében részletes számításokat végeztem a falazat építési költségeit illetően referencia adat érdekében. A betonnyomtató (1. kép) költségeit a dániai COBOD cég által biztosított adatok alapján kalkuláltam [5], ugyanis a vállalat a világon bárhova kiszállítja az egyéni igényekre szabott moduláris eszközt, valamint a nyomtatáshoz szükséges kiegészítőket is. A tanulmányban a nyomtató vételárának egyenletes, 10 000 üzemórás amortizációját feltételeztem, ez azonban változhat az adott cég üzletpolitikája alapján. A gép rendkívül gyors, 1 m/s-os sebességű nyomtatásra is képes, azonban az üresjárási idő, valamint a biztonsági tartalék miatt egy lassabb, 0,3 m/s-os sebességet feltételeztem a teljes folyamatra.
2. ábra
A kutatásból kiderült, hogy a betonnyomtatóval történő építkezés, a nagyobb építési hatékonyság miatt költségmegtakarítást, valamint pontosabb kivitelezést is eredményez. Ezenfelül elmondható, hogy az íves falak és komplex geometriák megvalósítása sem okoz nehézséget a berendezésnek, így a szerkezetépítés költségei, a zsaluzat elhagyásának hatására, valamint a kevesebb szükséges élőmunkának köszönhetően a zsaluzott technológiához képest 38–47%-kal csökkentek, míg egyenes falak esetében ez az arány 22–32% (1. ábra). A számítások alapján a nyomtatott falak építési költségeinek (2. ábra) legnagyobb részét az anyagköltség teszi ki, ezért a teljesítmény növelése érdekében elsősorban érdemes továbbfejleszteni az anyagtechnológia ellátási rendszerét.
Jelenleg alátámasztás nélküli horizontális szakasz nyomtatására még nem képes a technológia, ezért a modellben bennmaradó áthidalók elhelyezésével számoltam. A gép felállítása, elbontása, illetve üzemeltetése speciális technikusi képességet igénylő feladat, így a munkabér megállapításánál 3-szoros tevékenységszorzót alkalmaztam.
A tömeges gyakorlati alkalmazás egyik kritikus tényezője a piacvezető cégek véleménye és hozzáállása az új technológiához, ugyanis valószínűleg akkor fogják alkalmazni, ha súlyosbodik a munkaerőhiány, vagy kétséget kizáróan gazdaságosabb lesz. Az ennek alátámasztására bemutatott költségbecslés a hazai piac tekintetében egy családi ház vagy nyaraló esetében is helytálló.
2. kép – Generatív tervezéssel optimalizált betonpillérek gyors kivitelezése (Fotó – Keerthana Udaykumar)
Az innovatív technikából adódóan az építészek nagyobb tervezési szabadságot kaphatnak, valamint jó eséllyel csökkenthető az építés során keletkező károsanyag-kibocsátás, és a helyszínen keletkező hulladék mennyisége is. Adalékanyagként bizonyos esetekben újrahasznosított hulladékot is keverhetünk a betonhoz, amely így fenntarthatósági szempontból kedvezőbbé teheti az egész beruházást, valamint a veszteségek csökkentése is nagyban hozzájárul a környezettudatossághoz. Elmondható, hogy egy szerkezetileg optimalizált falelem (2. kép) kevesebb anyagszükséglettel jár, ezáltal a betont mint erőforrást gazdaságosabban tudjuk felhasználni.
A kutatás épületmodelljei alapján kijelenthető, hogy monolitvasbeton-építési technológiával és azonos betonmennyiséggel dolgozva a több íves falazattal rendelkező épületek kivitelezése arányosan megemeli a négyzetméterárakat, azonban a nyomtatott épületnél az íves kialakítású épületek esetében közel azonos beruházási költség mellett nagyobb hasznos alapterületet vehetünk birtokba. Fontos megjegyezni, hogy geometriától függetlenül a betonnyomtató alkalmazása akár 8–10-szer gyorsabb szerkezetépítést tesz lehetővé, azaz akár 24 óra alatt elkészíthetők a vertikális elemek. Ennek következtében a költségvetés és a határidők is jobban tarthatók egy ilyen, lényegesen rövidebb és jobban megtervezett projekt esetében.
A nyomtató előnyei különösen jól kihasználhatók szabadabb formavilágú, egyedi, kreatív épületek kivitelezésekor, továbbá olyan földrajzi helyeken, ahol igen magas az élőmunkaerő költsége, valamint emberi beavatkozásra alkalmatlan, katasztrófa sújtotta területeken. Ilyen különleges, új technológiával megvalósult épületekre már világszerte találni példákat, többek között Mexikóban és az USA-ban az ICON, Németországban pedig a PERI készített már nyomtatott házakat.
A jövőben várhatóan elérhetőbbé válik a technológia kisebb cégek számára is, viszont az élőmunkaerő foglalkoztatása az utóbbi évek tendenciája alapján egyre többe kerül majd. Ezek alapján a betonnyomtatás iparágában még számos lehetőség rejlik, amit érdemes a továbbiakban kutatni és fejleszteni.
TDK munkám témavezetéséért köszönettel tartozom dr. Vidovszky Istvánnak, valamint az Építéstechnológia és Építésmenedzsment Tanszéknek.
Felhasznált irodalom:
[1] McKinsey weblap, The Construction Industry is Ripe for Disruption Infographic, 2016, https://www.mckinsey.com
[2] Magyar építéstechnika weblap, ÉVOSZ: Az építőipari munkaerőpiacról, 2020, https://www.magyarepitestechnika.hu
[3] Magyar építéstechnika weblap, ÉVOSZ: Havi összefoglaló – A koronavírus járvány második szakaszának építőiparra gyakorolt hatása, 2020, https://magyarepitestechnika.hu
[4] Paul, S. C. – van Zilj, G. P. A. G. – Tan, M. J. – Gibson, I., 2018, A review of 3D concrete printing systems and material properties: current status and future research prospects.
[5] COBOD weblap, https://cobod.com
