3D-beton-geprinte balkons maken metamorfose

Auteur: Kirsten Hannema

Hoe verander je een gedateerde galerijflat in een ‘paleis’ in de sfeer van Antoni Gaudi’s Casa Mila in Barcelona, met zijn glooiende gevels en rijkdom aan ornamenten? Dat was de vraag die architect Ron van Leeuwen zichzelf stelde toen hij in 2015 opdracht kreeg om twee na-oorlogse galerijflats aan de Hendrik Baskeweg in Den Helder te renoveren. Samen met betonproducent Bruil Prefab Printing zocht en vond hij een innovatieve oplossing: 3D-geprinte balkonschermen. In totaal zijn 1400 betonelementen met ruim 200 verschillende vormen geprint. Dat vergde het nodige pionierswerk.

Wat is mooi?

De ‘upgrade’ van de twee flats behelst zowel de technische verduurzaming als de esthetische vernieuwing van de gevel, waarbij de balkons zijn vergroot en de 3D-geprinte balustrades de gebouwen tot echte blikvangers maken. "De renovatie is onderdeel van de grootscheepse stadvernieuwingsoperatie waaraan Den Helder werkt, waarbij het centrum vernieuwd wordt en na-oorlogse wijken opgeknapt", zegt Ron van Leeuwen van Kokon Architectuur & Stedenbouw. "De woningstichting wilde meer dan een schilderbeurt en zonnepanelen op het dak: een visie voor de komende decennia, een project dat de haven- en marinestad op de kaart zet."

Hij bekeek de gedateerde, anonieme flats en zocht naar een manier om ze weer identiteit te geven. Van Leeuwen: "We vroegen ons af: wat vinden wij nu mooi?" Hij kwam uit bij het Casa Mila dat architect Antoni Gaudi in 1912 in Barcelona bouwde, met zijn golvende gevels en rijk gedecoreerde balkons. Voortbouwend op dat beeld schetste hij een nieuwe gevel met grotere balkons en glooiende balkonschermen. Met behulp van mallen zouden dergelijke vormen gemaakt kunnen worden, maar dat vroeg om veel repetitie, anders zou het project onbetaalbaar worden. Toen kreeg Van Leeuwen het idee om de elementen te 3D-printen.

Moonshot

Bruil was in diezelfde periode, in reactie op de economische crisis die de bouw in een diep dal stortte, een onderzoek gestart naar kansrijke innovatiemethodes om de marktpositie van het bedrijf te versterken. Daaruit kwamen vijf businesscases waaronder 3D-printen van architectonisch beton. "Het was een moonshot", zegt Gerard Engelenburg, commercieel manager bij Bruil. "In die tijd was het 3D-printen met kunststof wel bekend maar hoe dat met beton te doen, wisten we totaal nog niet." Het bedrijf beschikte al over betontechnologen en een robotarm, trok een nieuwe medewerker aan om de benodigde software te ontwikkelen, en ging aan de slag met mortelrecepten. In 2015 deden ze de eerste tests en presenteerden hun eerste 3D-geprinte betonelement op de Gevel2016-beurs in Rotterdam. Daar benaderde Van Leeuwen, die eerder al met Bruil in Den Helder werkte aan woningbouwrenovaties, het bedrijf met de vraag of het mogelijk was om zijn ontwerp voor de flats te produceren. Bruil moest hem in eerste instantie nee verkopen. "We waren nog niet ver genoeg, hadden geen geschikte printerkop, en te weinig controle over de afwerking." Het onderzoeksteam sleutelde daaraan door, terwijl Engelenburg contact hield met Van Leeuwen. Gaandeweg bleek het haalbaar om de balkons te produceren in de 3D-printfabriek die het bedrijf in Veenendaal was begonnen.

Pionierswerk

"We hebben een paar jaar nodig gehad om de engineering goed te krijgen", vertelt Engelenburg. Zo heeft Bruil een speciale printerkop ontwikkeld die onder een hellingshoek kan printen. "Uittekenen, test-printen, de elementen passend krijgen binnen de gestelde maattoleranties; we hebben veel pionierswerk verzet", vult Van Leeuwen aan. Nieuw was ook het ontwerpproces. Normaal gesproken wordt het ontwerp van de architect door de aannemer vertaald naar een werktekening, bij 3D-printen wordt het 3D-computermodel direct naar de printrobot gestuurd. "3D-modelleren met programma’s als Rhino vergt specialistische kennis", zegt Engelenburg. "We hebben daarvoor veel contact gehad met Kokon. Het model dat de ontwerpers aanleverden is door de ingenieurs van Movares getoetst op constructieve eisen, zoals waar de hijspunten moesten komen. Wij voegden informatie toe over bijvoorbeeld zaaglijnen. Daarna was het element klaar voor productie."

Laagjes

3D-printen gaat in laagjes, die precies op elkaar moeten aansluiten. Dat vraagt om een uitgekiende betonmix, die vloeibaar genoeg is om door de printerkop te stromen, en vast genoeg om niet tijdens het uitharden uit te zakken. De gelaagde ‘ribbelstructuur’ bezorgde Engelenburg en zijn collega’s de nodige hoofdbrekens. "In het begin was ons grootste vraagstuk: hoe ga je het beton glad krijgen, zoals bij andere prefab elementen? Maar de architecten zeiden: die laagjes zijn inherent aan 3D-printen, die moet je juist niet wegpoetsen. Dat was een eyeopener. We zijn trots dat we die laagjes uiteindelijk mooi op elkaar hebben gekregen. Want het is een ding om mooie plaatjes te tonen van een 3D-geprint object, maar om vervolgens 1400 elementen te maken met dezelfde kwaliteit, is iets heel anders. Dat is hier gelukt."

Constructieve uitdaging

De uitdaging van het project zat niet alleen in het 3D-printen van de dubbelgekromde organische vormen, maar ook in de daarvoor benodigde constructie. De nieuwe, grotere balkonvloeren zijn van platen ultra-hogesterktebeton (UHSB) gemaakt, dat over de bestaande balkons is geplaatst. De 3D-geprinte balkonschermen zijn met behulp van stalen ‘schoentjes’ aan ankers aan de balkonplaten verankerd. De balkonplaten zorgen voor de belastingafdracht van de balkonschermen naar de nieuwe prefab betonnen kolom- en portaalconstructie die voor de flat is geplaatst. De betonnen frames zijn met stalen koppelstukken vastgemaakt aan de consoles van het bestaande gebouw, om de windbelastingen op de balkonschermen af te dragen aan het bestaande gebouw.

Bevrijd van mallen

De transformatie van de eerste flat wordt eind 2023 afgerond, de elementen voor de tweede flat zijn al in productie en worden in het voorjaar van 2024 gemonteerd. Van Leeuwen noemt het resultaat ‘verbluffend’. "Het is een enorme metamorfose, die heel goed uitpakt; de nieuwe gevel is bijna een kunstwerk. En dat gebeurt ook nog eens in bewoonde toestand." Hij ziet nog veel meer kansen voor betonprinten. "Beton was altijd denken in bekistingen, waarbij je eerst de contramal en dan pas het echte gebouw maakte; feitelijk was je twee keer aan het bouwen." "Bij 3D-printen heb je die mallen niet meer nodig", vult Engelenburg aan. "Dat levert een enorme vormvrijheid op, zonder de kosten van mallen – dubbelgekromde mallen zoals benodigd voor de balkonschermen kosten 15.000 tot 20.000 euro per stuk – en de bijbehorende afvalproductie." Een ander voordeel is dat je ter plaatse een 3D-printer kunt neerzetten, waardoor je sneller kunt werken en minder transport nodig hebt. De enige echte beperking die Van Leeuwen ziet, is dat er nog geen 3D-geprint gewapend beton is. Dat is toch het beton waarmee we in Nederland vooral werken. Maar ook daar wordt al onderzoek naar gedaan, onder andere door de TU Eindhoven. Als die stap gezet wordt, kunnen we echt verder."