Lessen van ’s werelds eerste bewoonbare 3D-betongeprinte huis

^{Titelbeeld: Impressie van Milestone fase 2 waarbij ook woningen met meerdere bouwlagen gerealiseerd gaan worden (impressie: Backbone Visuals and Concepts)}

Auteur: Kirsten Hannema

Na de presentatie van het plan voor het bouw- en innovatieproject Milestone, in 2017, gingen het nieuws de hele wereld over. In Eindhoven zou een reeks revolutionaire 3D-betongeprinte huizen in ‘Flintstone-stijl’ verrijzen, waarbij opgedane kennis steeds in het volgende product verwerkt wordt. Begin 2021 trokken de bewoners in de eerste woning, daarna werd het stil doordat de financiering haperde. Inmiddels is het project weer op de rit en staat het 3D-printen van de volgende huizen gepland voor 2025. Wat hebben de makers tot nog toe van het project geleerd?

Is het een menhir uit een Asterix en Obelixverhaal, een meteoriet, een termietenheuvel? Het woonhuis dat sinds drie jaar in de Eindhovense nieuwbouwbuurt Bosrijk staat, roept allerlei associaties op, van oervormen tot futuristische beelden. Het heeft glooiende gevels, die overgaan in het dak, en zijn gemaakt van geribbeld beton; hetzelfde materiaal waaruit de binnenmuren zijn opgetrokken. Het ribbelpatroon geeft een bijzondere textuur aan het gebouw, de verdiepingshoge ramen dragen bij aan de moderne uitstraling van het eerste bewoonbare 3D-betongeprinte huis ter wereld. Of eigenlijk: het eerste in een reeks 3D-betongeprinte woningen die hier zal verrijzen, als onderdeel van het bouw- en innovatieproject Milestone.

Lerend project

Milestone is een initiatief van Theo Salet, sinds 2012 hoogleraar aan de faculteit Bouwkunde van de TU Eindhoven, waar hij een onderzoeksprogramma voor 3D-betonprinten leidt. Hij ziet grote voordelen aan deze techniek, van vormvrijheid bij het ontwerpen en reductie van materiaalgebruik en (bekistings)afval tot een hogere productie, die leidt tot duurzame en betaalbare producten. Nadat hij met studenten de nodige tests en bouwsels had geproduceerd, wilde hij in 2017 het 3D-betonprinten in de praktijk brengen, in de vorm van woningbouw. Daartoe smeedde hij een coalitie met bouwbedrijf Van Wijnen, woningbelegger Vesteda, ingenieursbureau Witteveen+Bos, betonproducent Saint Gobain Weber Beamix en de gemeente Eindhoven. Het moest een ‘lerend project’ worden: een serie van vijf woningen waarbij opgedane kennis steeds in de volgende woning wordt geïmplementeerd.

Woonbeleving

De ambitie van het bouwteam reikte verder dan een huis 3D-betonprinten om te laten zien dat dat kan; Milestone moest ‘een nieuwe woonbeleving’ worden. Nadat er bouwgrond was verworven in de nieuwbouwwijk Bosrijk, vroeg het team aan architectenbureau Houben / Van Mierlo om daarvoor een ontwerp te maken. “De opzet was om huizen in een vrije verkaveling en met een vrije vorm te bouwen, midden in de natuur, off the grid”, vertelt architect Jelle Houben. “Dat bracht ons op het idee voor een huis als een zwerfkei, met een ‘primitieve’ uitstraling, waarbij de grap is dat je die maakt met de nieuwste techniek.” Binnen twee weken hadden de architecten het ontwerp op papier, vervolgens werkten ze de eerste woning uit; een bungalow van 94 m² met twee slaapkamers. Het ontwerp voor de geïsoleerde, zelfdragende muurelementen is met een parametrisch computermodel gemaakt. Houben: “Na de schetsfase wordt het al snel praktischer: hoe ga je scheve gevels printen en doorrekenen, wat doe je om krimpscheuren op te vangen?”

Uitdagingen

In een filmpje over het productieproces legt Jan Blaakmeer, R&D manager bij Weber Beamix, in de 3D-betonprintfabriek in Eindhoven uit hoe het bouwteam deze en andere ‘uitdagingen’ moest oplossen alvorens ze konden gaan printen. Hij wijst onder andere op de uitkragende buitenmuur, de lange printtijd - tot 16 uur voor een element – en de bouwregelgeving waaraan het huis moest voldoen. De oplossing voor deze kwesties werd gevonden in een ‘robuust’ 3D-betonprintsysteem (mixer en pomp) van de firma m-tec, aangesloten op een ABB-robot die met een vierkante en ronde kop kan spuiten. Voor de mortel is gewoon portlandcement gebruikt. Essentieel is dat de eerste opgespoten laag sterk genoeg is om de volgende te dragen. Tegelijk moet de mortel - droogtijd 90 minuten - voldoende vochtig zijn om te hechten aan de volgende laag, zodat een monoliete structuur ontstaat met overal dezelfde draagkracht. Tijdens het 3D-printen meet een sensor de dichtheid en viscositeit van het materiaal en koppelt dit terug naar het printsysteem; dat past de samenstelling zo nodig aan.

Logistiek

Om de uitkragende elementen stabiel te krijgen, zijn heel wat tests gedaan, vertelt Marijn Bruurs van ingenieursbureau Witteveen+Bos. Een TU-student heeft daarvoor uiteindelijk speciale ankertjes ontwikkeld, die tijdens het printproces kunnen worden aangebracht en verbinding maken met het isolatiemateriaal. Een ander probleem was dat de 3D-betongeprinte wanden te dun (5 cm) zijn voor het aanbrengen van hijsankers. Daarom zijn in de fabriek (in het werk gestorte) betonnen vloerplaten gemaakt met hijsankers. Daarop zijn de muurelementen (ca. 3,5 m hoog) geprint. In totaal bestaat het huis uit 24 betongeprinte (geïsoleerde) sandwichelementen. De betonnen bouwdelen zijn vervolgens per vrachtwagen naar de bouwplaats vervoerd en op de funderingspalen geplaatst. Tot slot werd het huis voorzien van een dak en kozijnen, en is de afwerking aangebracht. Het dak heeft een traditionele constructie van houten balken en platen, van buiten bekleed met 3D-betongeprinte dakafdekkers.

Aansluitingen

Architect Houben is niet helemaal tevreden over de eerste woning. “Het is niet het high-end beeld geworden dat we voor ogen hadden. Als je de artist’s impressions vergelijkt met het gebouwde eindresultaat, zie je bijvoorbeeld duidelijk de aansluitingen tussen de 3D-betongeprinte elementen. Daarvoor hadden we op de universiteit 1 op 1 mock-ups gemaakt, die fantastisch waren, met een naadloze overgang. Maar met het plaatsen van lateien en dakranden pakte het toch anders uit. Wat ik ook jammer vind, is dat de elementen uiteindelijk vrij zwaar zijn geworden, waardoor de duurzaamheid van het project onder druk komt.” Houben benadrukt dat er ook dingen goed zijn gelukt; het huis heeft een mooie plattegrond, de mensen die er wonen zijn ‘hartstikke blij’. Maar zijn handen jeuken om met het ontwerp van de volgende woningen aan de slag te gaan, en de geleerde lessen daarin te verwerken. “Die ontwerpen gaan we nu meer integraal en stapsgewijs ontwikkelen met een klein ontwerpteam, zodat we vormgeving nog beter kunnen afstemmen op de - nieuwe - mogelijkheden van de techniek.” Doel is om zo lichtere, meer flexibele en duurzame huizen te maken, die qua uitstraling ook nog meer tot de verbeelding spreken.

Digitale constructie

Bruurs: “Ik zeg wel eens gekscherend: 3D-printen is de makkelijkste manier van robotisch bouwen; je hoeft alleen maar in de xyz-richting te bewegen en een betonpomp aan te sluiten. Maar digitale constructie is veel complexer. Dit project toont de noodzaak om ook innovatie in het bouwen met 3D-printtechnieken aan te jagen.” Het team heeft zichzelf daarbij een aantal nieuwe uitdagingen gesteld. Zo krijgt de eerstvolgende woning een verdieping, en komen er daarna twee woningen met drie bouwlagen. In plaats van een traditioneel houten dak is de bedoeling om in deze woningen te werken met prefab houten vloeren of een vloer te 3D-betonprinten en er wapening in te plaatsen. Er zal met kleinere elementen (ca 1x1m) gewerkt worden, die handzamer zijn. In plaats van een aantal losse wanddelen te printen die in een keer tegelijk met een vloerdeel neergezet worden, worden er binnenmuren gemaakt met buitenpanelen als een schil eromheen. Het ontwerp voor deze huizen is eind 2023 afgerond, de planning is om ze in 2025 te printen in de fabriek van Weber. De ambitie is om het laatste huis op locatie te printen.