CC BY
2РОЛЬ ПОПЕРЕЧНО-СЛОИСТОГО БРУСА В ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ДЕРЕВЯННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
КАЧАНА КАСУЛУ
Соискатель степени кандидата архитектуры Кафедра архитектуры, реставрации и дизайна Инженерная академия Российский университет Дружбы народов. ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия
ВОЛЧЕНКО ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА
Доктор архитектуры, профессор Кафедра архитектуры, реставрации и дизайна
Инженерная Академия Российский Университет Дружбы Народов. Ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия профессор кафедры основ архитектуры и художественных коммуникаций НИУ Московский государственный строительныйуниверситет, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, Россия
Abstract. This paper examines the transformative impact of cross-laminated timber (CLT) in parametric wood design, emphasising its sustainable, durable, and adaptable properties. The article examines the environmental benefits of CLT, including using renewable energy sources, capturing carbon and reducing construction waste, and the technical advantages of CLT technology regarding structural efficiency and prefabricated fabrication processes. The analysis focuses on parametric design techniques and how software such as Grasshopper and fabrication processes such as CNC milling significantly improve the use of materials, optimise design characteristics and simplify the creation of complex architecturalforms. In addition, look at modern developments, including robotic fabrication, machine learning-based optimisation, and hybrid systems combining CLT with alternative materials, as well as facing challenges such as financial implications, regulatory barriers, and the needfor skilled labour. The article delves into the relationship between CLT and parametric design, and their combination fosters innovative and sustainable architectural solutions.
Keywords: Cross-Laminated Timber, Parametric Design, Sustainability, Robotic Fabrication, Hybrid Systems, Material Optimisation
Аннотация. В данной статье рассматривается преобразующее воздействие Поперечно-слоистой древесины (CLT) в параметрическом деревянном проектировании, подчеркиваются ее устойчивые, долговечные и адаптируемые свойства. В статье рассматриваются экологические преимущества CLT, включая использование возобновляемых источников энергии, улавливание углерода и сокращение строительных отходов, а также технические преимущества технологии CLT в отношении структурной эффективности и процессов сборного производства. Анализ посвящен методам параметрического проектирования и тому, как программное обеспечение, такое как Grasshopper, и процессы изготовления, такие как фрезерование с ЧПУ, значительно улучшают использование материалов, оптимизируют характеристики конструкции и упрощают создание сложных архитектурных форм. Кроме того, рассматриваются современные разработки, включая роботизированное производство, оптимизацию на основе машинного обучения и гибридные системы, сочетающие CLTс альтернативными материалами, а также такие проблемы, как финансовые последствия, нормативные барьеры и потребность в квалифицированной рабочей силе. В статье рассматривается взаимосвязь между CLT и параметрическим
проектированием, а также их сочетание, способствующее созданию инновационных и устойчивых архитектурных решений.
Ключевые слова: Поперечно-слоистая древесина, параметрическое проектирование, устойчивость, роботизированное производство, гибридные системы, оптимизация материалов
Введение
Поперечно-слоистая древесина (^Т) стала одним из важнейших материалов в современной архитектуре и строительстве, переосмыслив наше восприятие и использование древесины в конструкциях. Поперечно-слоистая древесина (^Т) производится путем склеивания слоев деревянных плит в разных направлениях, в результате чего получаются массивные, прочные панели, обладающие исключительной прочностью, стабильностью и универсальностью, что является важным достижением в области устойчивой архитектуры. Будучи возобновляемым ресурсом, древесина имеет значительные экологические преимущества перед традиционными материалами, такими как сталь и бетон. Однако СЬТ делает еще один шаг вперед. Она использует древесину, полученную из экологически чистых источников, применяя деревья меньшего диаметра или породы, которые часто считаются менее коммерчески ценными. Такой подход способствует улучшению управления лесами и сокращению вырубки лесов, а также способен накапливать углерод в течение всего жизненного цикла, компенсируя выбросы парниковых газов и делая ^Т важнейшим компонентом в достижении углеродной нейтральности в строительстве [1]. В архитектурном плане Сиг обеспечивает гибкость и творческий подход. Такие проекты, как 18-этажное здание «Mj0stamet» в Норвегии [рис. 1], одно из самых высоких деревянных зданий в мире, подчеркивают способность ^Т бросить вызов традиционным ограничениям деревянного дизайна [2].
На рис.1 показана башня Mj0starnet, состоящая из 18 башен, высота которых
составляет 85,4 метра.
Поперечно-слоистая древесина обладает всеми преимуществами механических свойств. Чередование направлений зерен повышает прочность и жесткость, что позволяет ей выдерживать исключительные боковые и вертикальные нагрузки. Она демонстрирует отличную огнестойкость благодаря обугливанию, тепловые характеристики и звукоизоляционные свойства, что позволяет применять ее в различных зданиях, от жилых домов до сложных коммерческих и институциональных проектов, без ущерба для эксплуатационных характеристик и безопасности [3]. Легкость CLT позволяет сократить
расходы на транспортировку и установку, а также свести к минимуму необходимость в обширном фундаменте. Его адаптивность позволяет интегрировать его в гибридные системы, сочетая древесину с другими материалами, такими как сталь или бетон, для достижения оптимальных структурных и эстетических результатов.
Развитие вычислительных инструментов и параметрического проектирования расширило границы возможного использования CLT в архитектуре. В случае с CLT параметрическое проектирование повышает его потенциал за счет оптимизации использования материалов и сокращения отходов. Grasshopper позволяет архитекторам моделировать геометрии свободной формы и оценивать показатели эффективности, включая распределение нагрузки и воздействие на окружающую среду. Например, павильон «Smile Pavilion» от Alison Brooks Architects [рис. 2] демонстрирует органичное сочетание CLT и параметрического проектирования. Его изогнутая структура, полностью изготовленная из сборных панелей CLT, демонстрирует, как цифровые инструменты позволяют создавать сложные формы, которые раньше были немыслимы в деревянном строительстве [4].
На рис.2 показан павильон Smile - впечатляющее изогнутое деревянное сооружение из трубчатой древесины, демонстрирующее структурный и пространственный потенциал
поперечно-слоистой древесины.
Параметрические рабочие процессы также способствуют продвинутым методам моделирования и изготовления, позволяющим оценить структурное поведение CLT при различных нагрузках и условиях, обеспечивая безопасность и эксплуатационные характеристики. Цифровые инструменты изготовления, такие как фрезерование с ЧПУ, обеспечивают точность производства, позволяя точно реализовать сложные стыки и соединения, сокращая количество ошибок и повышая общую эффективность строительного процесса.
Параметрическое проектирование и интеграция CLT
Параметрическое проектирование позволяет тщательно спланировать компоненты CLT, гарантируя, что каждый элемент будет изготовлен в соответствии со спецификацией. Такая точность позволяет свести к минимуму отходы материалов в процессе изготовления. Например, в исследовании Sunna et al. [5] была разработана параметрическая модель для оптимизации конструкции системы деревянного холла с упором на уменьшение объема материала при сохранении целостности конструкции. Использование параметрических инструментов облегчило исследование различных итераций конструкции, что привело к созданию эффективной формы конструкции, в которой использовалось меньше материала без ущерба для эксплуатационных характеристик.
Проектировщики могут моделировать и анализировать поведение конструкций из СЬТ при различных нагрузках и условиях. Такая возможность позволяет оптимизировать конструктивные элементы для достижения желаемых эксплуатационных характеристик. В исследовании Хегейра, Осамы Абдельфаттаха и других [6] показано, как с помощью линейно-упругого анализа конечных элементов было проведено параметрическое исследование деревянных рам с сопротивлением моменту в сочетании с панелями ^Т, демонстрирующее, как параметрический анализ может помочь в принятии проектных решений для улучшения характеристик конструкции.
Архитекторы могут экспериментировать со сложными формами и замысловатыми узорами, расширяя границы традиционного деревянного строительства. Примером такого подхода может служить башня Урбах [Рисунок 3] в Германии. Спроектированная Институтом вычислительного проектирования и строительства при Штутгартском университете, башня имеет изогнутые панели СЬТ, которые были получены благодаря новому процессу самоформирования геометрии башни и прогнозированию поведения материала в процессе формирования, в результате чего получилась визуально яркая конструкция, демонстрирующая эстетический потенциал СЬТ.
На рис.3 показана уникальная структура дерева башни Урбах, которая является результатом нового процесса самоформования изогнутых деревянных деталей.Аспекты
Поперечно-слоистая древесина (СЬТ) является возобновляемой альтернативой невозобновляемым строительным материалам, таким как бетон и сталь. Многие производители придерживаются таких сертификатов, как ББС (Лесной попечительский совет) и РББС (Программа одобрения лесной сертификации), что обеспечивает ответственную практику заготовки древесины, способствующую восстановлению лесов и биоразнообразию [7]. Кроме того, использование при производстве СЬТ деревьев меньшего диаметра или быстрорастущих пород помогает максимально эффективно использовать лесные ресурсы, снижая нагрузку на старовозрастные леса. Одним из наиболее значительных вкладов СЬТ в экологичность является его способность накапливать углерод. Деревья поглощают углекислый газ в процессе роста и удерживают его в своих волокнах. Когда древесина используется в качестве строительного материала, этот углерод сохраняется, эффективно снижая количество СО2 в атмосфере. По данным Бьюкенена и Левайна, каждый кубический метр древесины может содержать около 0,9 метрических тонн СО2, что компенсирует выбросы на других этапах строительства. Заменяя материалы с высоким уровнем выбросов, такие как бетон, СЬТ дополнительно снижает общий углеродный след зданий [8].
экологичности
Готовая сборка является определяющей особенностью строительства из CLT, позволяя производить компоненты, вырезанные по точным размерам в контролируемых заводских условиях. Это сокращает отходы материалов на строительных площадках и сводит к минимуму ошибки при сборке. Более того, все обрезки и отходы древесины, образующиеся в процессе производства CLT, часто могут быть использованы для производства других изделий или энергии, что способствует внедрению подхода циркулярной экономики [6].
Параметрическое проектирование повышает экологичность CLT за счет оптимизации использования материалов благодаря точному расчету нагрузок на конструкцию, рациональному расположению панелей CLT и минимизации избытка материала при сохранении архитектурной целостности. Такой подход снижает затраты и экономит ценные древесные ресурсы. Параметрическое проектирование также облегчает анализ экологических характеристик на ранних стадиях проектирования. Grasshopper с помощью своего плагина Karamba позволяет моделировать теплоизоляцию, энергоэффективность и влияние на жизненный цикл, обеспечивая соответствие конструкций CLT критериям устойчивости и поддерживая создание зданий, которые являются не только функциональными, но и экологически жизнеспособными.
Новые тенденции
Роботизированное производство революционизирует процесс обработки и сборки панелей CLT. Интеграция робототехники в производственную линию позволяет выполнять такие задачи, как резка, придание формы и сборка компонентов CLT, с поразительной точностью и эффективностью [10]. Эта технология уменьшает количество человеческих ошибок, позволяет создавать сложные геометрические формы и сокращает сроки производства. Например, завод DFAB в Цюрихе (рисунок 4) продемонстрировал потенциал роботизированных манипуляторов в создании сложных деревянных элементов, расширяя границы применения CLT. Роботизированное производство также позволяет автоматизировать работу на месте, например, роботизированную сборку сборных панелей CLT. Это может значительно снизить затраты на рабочую силу и ускорить сроки строительства, особенно в регионах с нехваткой квалифицированных рабочих.
На рис.4 показан ДОМ DFAB, отличающийся тем, что он не только спроектирован и спланирован в цифровом формате, но и построен с использованием преимущественно цифровых технологий, как на месте, так и за его пределами Машинное обучение (ML) становится жизненно важным инструментом в параметрическом проектировании, позволяя анализировать обширные массивы данных для
оптимизации использования материалов, конструктивных характеристик и устойчивости [11]. Алгоритмы ML могут оценивать множество итераций проектирования в режиме реального времени, выявляя решения, которые сочетают архитектурный замысел с практическими ограничениями. Такие инструменты, как подключаемые модули TensorFlow и Grasshopper, используются для прогнозирования производительности элементов CLT в различных условиях, что сокращает потери материалов и повышает энергоэффективность. Например, машинное обучение может оптимизировать компоновку панелей, чтобы минимизировать потери при изготовлении, или прогнозировать углеродный след от итерации проектирования, позволяя архитекторам принимать более обоснованные решения на ранних стадиях процесса проектирования.
Все большую популярность приобретают гибридные строительные системы, в которых CLT сочетается с другими материалами, такими как сталь и бетон. Эти системы используют преимущества каждого материала, повышая эффективность конструкции и расширяя спектр возможных применений. Например, высотное здание многофункционального назначения "HoHo Tower" [рис. 5] в Вене объединяет CLT со стальным каркасом для достижения большей высоты и устойчивости конструкции при сохранении экологических преимуществ древесины. Гибридные системы также устраняют некоторые недостатки CLT, такие как его подверженность воздействию влаги или ограничения при строительстве больших пролетов. Архитекторы могут создавать более прочные и универсальные здания, комбинируя CLT с материалами, которые превосходно подходят для конкретных областей применения.
На рис.5 показана гора Хо-Хо-Вена, которая находится на высоте 84 метров над
северо-восточной Веной
Проблемы
Одной из основных проблем при объединении СЦГ с параметрическими методами является детализация соединений, поскольку традиционные конструкции соединений могут не соответствовать сложной геометрии, обеспечиваемой параметрическим проектированием. Разработка инновационных систем соединений, которые сохраняют структурную целостность и просты в изготовлении, остается важной областью исследований. Например, широко
используются соединения типа "ласточкин хвост" и стальные кронштейны, но их интеграция в параметрические рабочие процессы требует точного моделирования и тестирования [6].
Несмотря на то, что CLT очень эффективен для небольших и среднемасштабных проектов, расширение масштабов его применения в высотных и большепролетных конструкциях сопряжено с проблемами, связанными с поведением материала и передачей нагрузки. Параметрические инструменты могут моделировать эти условия, но для крупных проектов требуется большой объем данных и анализ, требующий больших вычислительных затрат.
Параметрические подходы позволяют проводить детальный анализ эксплуатационных характеристик конструкции, но требуют точных данных о материалах и допущений. Ортотропная природа CLT (различные свойства в разных направлениях) усложняет структурное моделирование, требуя интеграции методов моделирования, таких как анализ методом конечных элементов (FEA), для точного прогнозирования поведения CLT при различных условиях нагружения, включая сейсмические и ветровые нагрузки.
Несмотря на свою экологичность и эксплуатационные преимущества, CLT остается более дорогим материалом, чем обычные материалы, такие как бетон и сталь, на многих рынках. Отчасти это связано с ограниченными производственными мощностями и цепочками поставок, а также с необходимостью использования специализированного оборудования, такого как станки с ЧПУ.
Строительные нормы и правила часто отстают от инноваций в области строительных материалов и технологий. В некоторых регионах ограничения на высоту деревянных зданий или недостаточные стандарты испытаний на огнестойкость препятствуют более широкому внедрению CLT, что часто требует сотрудничества между архитекторами, инженерами и политиками для обновления норм и демонстрации безопасности и надежности CLT посредством исследований и пилотных проектов.
Внедрение передовых технологий, таких как роботизированное производство и параметрическое проектирование, требует наличия персонала, владеющего специализированным программным обеспечением, навыками автоматизации и деревообработки. Традиционная рабочая сила строительной отрасли часто не готова к таким требованиям, что требует инвестиций в программы обучения. Такие инициативы, как продвинутые архитектурные курсы ETH Zurich по цифровому производству, предлагают план действий по приобретению будущими специалистами необходимых знаний.
Поперечно-слоистый брус представляет собой сочетание экологичности и инноваций в современном архитектурном дискурсе. Его отличительные свойства эффективно решают экологические проблемы, предлагая архитекторам адаптируемые материалы, сочетающие в себе как структурную целостность, так и эстетическую выразительность. В сочетании с методологиями параметрического проектирования потенциал СЦГ значительно возрастает, что позволяет создавать динамичные и высокопроизводительные здания, отвечающие прогрессивным требованиям современного строительства.
Синергия между ^Т и системами автоматизированного проектирования знаменует начало эры изменений в деревянной архитектуре, расширяя как художественные, так и научные аспекты строительства. Траектория развития СЬТ основана на сближении технического прогресса и методов устойчивого строительства. Ожидается, что инновации в области роботизированного производства, оптимизации на основе машинного обучения и гибридных систем расширят горизонты проектирования и конструирования ^Т, а эффективное решение таких проблем, как финансовые ограничения, нормативные барьеры и наличие квалифицированной рабочей силы, будет иметь жизненно важное значение для их широкой интеграции. Поскольку эти технологические достижения продолжают развиваться, у СЦГ есть все шансы сыграть ключевую роль в формировании будущего архитектуры и создании более устойчивой архитектурной среды.
Вывод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Jelec, Mario, Et Al. Cross-Laminated Timber (Clt) - A State Of The Art Report. No. 2. Casopis-Gradjevinar.Hr, Http://Casopis-Gradjevinar.Hr/Archive/Article/2071. Accessed 28 Jan. 2025.
2. Ayanleye, Samuel, Et Al. 'Durability And Protection Of Mass Timber Structures: A Review'. Journal Of Building Engineering, Vol. 46, Apr. 2022, P. 103731. Doi.Org (Crossref), Https://Doi.Org/10.1016/J.Jobe.2021.103731.
3. Shahnewaz, Md & Tannert, Thomas & Alam, M. Shahria & Popovski, Marjan. (2015). Experimental And Finite Element Analysis Of Cross Laminated Timber (Clt) Panels.
4. 'The Smile / Alison Brooks Architects'. Archdaily, 24 Apr. 2017, Https://Www.Archdaily.Com/869703/The-Smile-Alison-Brooks-Architects.
5. Sunna Gunnarsdottir, Elisabet, And Verena Gerl. Parametric Modeling And Optimization Of A Timber Hall System With Tapered Glulam Beams. 2024. Kth.Diva-Portal.Org, Https://Urn.Kb.Se/Resolve?Urn=Urn:Nbn:Se:Kth:Diva-348655.
6. Hegeir, Osama Abdelfattah, Et Al. 'Parametric Analysis Of Moment-Resisting Timber Frames Combined With Cross Laminated Timber Walls And Prediction Models Using Nonlinear Regression And Artificial Neural Networks'. Buildings, Vol. 14, No. 9, Sept. 2024, P. 2975. Doi.Org (Crossref), Https://Doi.0rg/10.3390/Buildings14092975.
7. Cookie-Information. Https://Www.Pfeifergroup.Com/En/Products/Timber-Construction/Clt/The-Product/. Accessed 28 Jan. 2025.
8. Buchanan, Andrew Hamilton And Stephen Levine. "Wood-Based Building Materials And Atmospheric Carbon Emissions." Environmental Science & Policy 2 (1999): 427-437.
9. Christovasilis, I. P., Et Al. 'Evaluation Of The Mechanical Properties Of Cross Laminated Timber With Elementary Beam Theories'. Construction And Building Materials, Vol. 122, Sept. 2016, Pp. 202-13. Doi.Org (Crossref), Https://Doi.0rg/10.1016/J.Conbuildmat.2016.06.082.
10. Opgenorth, Nils, Et Al. A Multi-Scalar Robotic Fabrication System For Multi-Storey Timber Building Using On-Site Press Gluing. 2024. Ssrn, Https://Doi.0rg/10.2139/Ssrn.4684038.
11. Sun, Han, Et Al. 'Machine Learning Applications For Building Structural Design And Performance Assessment: State-Of-The-Art Review'. Journal Of Building Engineering, Vol. 33, Jan. 2021, P. 101816. Doi.Org (Crossref), Https://Doi.Org/10.1016/J.Jobe.2020.101816
