Tilt-Up Detailing and the Role of 3D Printing

Escrito por Laura Stock con contribuciones de Olivia Freese y Ryan Stumpf

Para arquitectos y clientes buscando texturas y detalles innovadores en muros de concreto prefabricado, los productos de construcción disponibles en el mercado a menudo limitan los diseños debido a la disponibilidad, el costo y/o la viabilidad constructiva. Debido a estas limitaciones, el equipo pensó "fuera de la caja" y consideró la impresión 3D personalizada como una solución potencial.

Al desarrollar los diseños del vestíbulo y la monumental escalera, los arquitectos aspiraron a presentar materiales y prácticas de construcción en bruto para crear un espacio que celebrara los elementos naturales de la construcción. Al destacar la losa de concreto expuesta con la escalera de acero, la barandilla de vidrio, los paneles de madera en las paredes y el techo abierto, se definió una estética limpia. Los arquitectos sabían que querían que el muro de concreto expuesto sirviera de telón de fondo para estos elementos naturales, pero necesitaban algunos detalles sutiles para unirlos. La metodología del arquitecto Tadao Ando para exponer limpiamente las técnicas de construcción de concreto ofreció inspiración sobre cómo mejorar las técnicas de construcción naturales y en bruto sin que pareciera algo añadido. Sin embargo, el nivel de acabado y los detalles de un muro arquitectónico fundido in situ no estaban dentro del presupuesto o el cronograma. Por lo tanto, el equipo determinó que la eficiencia y la velocidad de la construcción prefabricada (tilt-up) sería la mejor solución para crear este muro interior.

Ya sea que se utilice la construcción in situ o la construcción con paneles prefabricados, el material del sustrato es sumamente importante, ya que es el que determina la textura final de la pared vista. Fue aquí donde el equipo inició su proceso de investigación. Al analizar las opciones, se determinó que el objetivo más importante era lograr un aspecto liso y sin imperfecciones. Tras investigar y hablar con el contratista de hormigón, la solución final fue usar madera contrachapada HDO, que es un sustrato de madera contrachapada de recubrimiento de alta densidad de ¾” con la resistencia, tolerancia y textura adecuadas. El siguiente elemento esencial del diseño fue decidir cómo crear uniones limpias entre los paneles del sustrato. El equipo usó un reborde de PVC extruido, ya que era un producto fácil de conseguir y económico. El detalle final fue crear el hueco de los tirantes de encofrado. Se probaron tirantes de encofrado reales como opción, pero su pequeño tamaño y el método típico de anclaje CIP no eran ideales para esta nueva aplicación de construcción tilt-up, especialmente al considerar cómo se retirarían los discos. El equipo rastreó el mercado en busca de otros productos fácilmente disponibles para recrear los huecos deseados para el diseño, pero no pudieron encontrar una solución competitiva con beneficios comparables. Así nació la idea de imprimir en 3D nuestra forma personalizada. Armados con las impresoras de oficina disponibles y muchos carretes de PLA, el equipo comenzó a crear formas interesantes para el moldeado de esta pared decorativa.

La impresión 3D proporcionó al equipo de diseño muchas ventajas, incluida la flexibilidad en el diseño, el tiempo y el detalle, así como la conveniencia de materiales. Usando software de modelado 3D, el equipo trabajó a través de muchas iteraciones de diseño para determinar qué profundidades, diámetros, espaciado y proporciones emularían mejor los elementos de detalle de CIP deseados. Esto permitió al equipo imprimir el ’puck’ (disco) con el diámetro y la profundidad exactos que se necesitaban, al mismo tiempo que incorporaba detalles para permitir su fijación al encofrado. La capacidad de controlar el tiempo, así como la selección de materiales, también fue crítica. Se determinó que cada panel de sustrato de 4”x8” necesitaría seis "pucks" espaciados uniformemente y fijados a la superficie. Cada "puck" tendría 2 pulgadas de diámetro en la base y se afilaría a 1½ pulgadas de diámetro en la parte superior, con varias profundidades para seguir explorando.

Un desafío importante para el equipo fue evitar que los discos se movieran después de la colocación de las barras de refuerzo y durante el vertido del hormigón. Las opciones de reparación eran el uso de pegamento o tornillos, pero al evaluar el pegamento surgieron muchas preocupaciones, incluido cómo reaccionaría al calor y al peso del hormigón. La utilización de un tornillo parecía la opción más viable, pero el equipo sabía que tendría que estar oculto dentro del disco para que no fuera visible en la superficie del panel terminado. Para evitar esto, se modeló una pequeña cavidad a través del centro del disco para ocultar el tornillo y garantizar un acabado liso dentro del vacío. Debido al método de anclaje y la necesidad de confirmar la profundidad del disco, se hizo evidente que era necesario imprimir una copia de prueba y realizar un vertido simulado.

Antes de imprimir para que el vertido de la maqueta pudiera comenzar, se determinó que era necesario comprender varios materiales de impresión y filamentos. Para soportar el desgaste de la construcción y el proceso de curado del concreto, se eligió el PLA como material de impresión 3D porque, como poliéster termoplástico, el PLA proporcionó la durabilidad y resistencia al calor necesarias. La profundidad del vacío se determinó a través de la primera maqueta.

El tiempo era crítico ya que el equipo consideraba qué profundidad proporcionaría la mejor solución de diseño al mismo tiempo que cumpliría con los plazos. Se investigaron e imprimieron tres opciones. Tomó aproximadamente diez horas imprimir nueve discos de 1” de profundidad; los discos de ¾” tardaron unas ocho horas; y los discos de ½” necesitaron seis horas. Antes de la instalación, el equipo de construcción lijó a mano cada disco para crear un acabado liso y permitir una fácil remoción.

La maqueta determinó que el disco de ¾” era la mejor opción porque ofrecía el aspecto deseado al proporcionar suficiente profundidad para las líneas de sombra y el tiempo de impresión de ocho horas permitiría al equipo imprimir dos discos cada día. El material del disco resistió las temperaturas y el peso del concreto, sin embargo, el equipo de construcción se enfrentó a un desafío, ya que necesitaban evitar que el agujero de unión se transfiriera al panel final. Se probaron algunos métodos para cubrir esta depresión: usar una capa de cinta roja en el extremo enterrado del disco para cubrir el agujero del tornillo se consideró insuficiente para crear un acabado liso. Cubrir el disco con un agente desmoldante dejó un residuo en el producto terminado que no se pudo eliminar y tampoco ocultó el agujero del tornillo.

La solución ganadora fue usar dos capas de cinta, creando un acabado liso sin cabezas de tornillo visibles. Con el tamaño, la profundidad, los detalles de sujeción y los materiales resueltos, el equipo estaba listo para la construcción.

La superficie de impresión de vidrio de 10x10 pulgadas de la impresora 3D permitió al equipo imprimir nueve discos por sesión de impresión; cada disco requería aproximadamente ocho horas para imprimirse. Con los 252 discos necesarios, se esperaba que el proceso de impresión tomara diez días. Este cronograma fue mucho más rápido que el tiempo de entrega de cualquier otro producto, por lo que se dio luz verde al equipo para imprimir. La revisión en el sitio de los paneles antes de verter el concreto es estándar para la construcción de hormigón prefabricado; sin embargo, el equipo tomó precauciones adicionales para confirmar ubicaciones y alineaciones, y se tuvo especial cuidado al instalar los recortes y los discos.

Cuando llegó el día de instalar el panel, el equipo en obra y el equipo de diseño esperaban con expectación. El equipo pensó que los reveladores y los discos permanecerían en la losa de fundición cuando el panel se inclinara en su lugar, pero se sorprendieron al ver que casi todas las piezas permanecían fundidas en el muro, lo cual no ocurrió durante el proceso de maqueta. Afortunadamente, la apariencia general del concreto fue exactamente como el equipo esperaba.

A lo largo del camino se aprendieron un par de lecciones. El equipo anticipó que el contratista retiraría rápida mente las juntas y los pines después de que el muro estuviera colocado y el concreto aún estuviera “blando”. Este proceso debería haber ocurrido a los pocos días del levantamiento del panel. Pero, en realidad, las piezas no se retiraron durante meses, por lo que tuvieron que ser taladradas, lo cual fue un proceso que consumió mucho tiempo y provocó desconchado en las juntas y requirió parches de concreto.

Una vez parcheados los paneles, el resultado fue exactamente el que el equipo esperaba. El hormigón está en bruto, pero nítido, y los detalles CIP están agradablemente destacados. Cualquier imperfección añade carácter y naturaleza a la construcción y al uso del hormigón en general. Tanto el equipo de diseño como el equipo de construcción quedaron encantados con el producto final.

La comunicación abierta entre el equipo de diseño y el contratista de concreto demostró ser invaluable desde el inicio del diseño hasta el final de la construcción. Los diseñadores transmitieron sus resultados deseados y medios de construcción, mientras que los contratistas proporcionaron información importante sobre productos, medios y métodos, y expectativas realistas. El control que ambas partes demostraron a lo largo de todo el proceso allanó el camino para un resultado hermoso y una obra impresionante.

Trabajar en equipo durante todo el proceso de diseño y construcción ayudó a los arquitectos y contratistas a establecer estándares para el futuro. El proceso de impresión 3D demostró múltiples medios de eficiencia, flexibilidad en el diseño y soluciones oportunas. Conocer y comprender el proceso de impresión e instalación proporcionó una capa adicional de eficiencia, que es un aspecto importante de cualquier cronograma de construcción. El equipo está increíblemente orgulloso del uso de la impresión 3D, y el conocimiento obtenido de las lecciones aprendidas será fundamental en el futuro. Una de las mejores recompensas de este proyecto fue reconocer cómo la impresión 3D podría complementar la construcción con paneles prefabricados (tilt-up) de forma tan armoniosa. El equipo está ansioso por probar más ideas para futuros proyectos pronto.