ВЗАИМОСВЯЗЬ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ, МАТЕРИАЛА И АРХИТЕКТУРНОЙ ФОРМЫ В ПРИМЕНЕНИИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

THE RELATIONSHIP BETWEEN THE DIGITAL MODEL, MATERIAL AND ARCHITECTURAL FORM IN THE APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES

Kim Yaroslav Andreevich

Postgraduate Student FSBI “TsNIIP Minstroy of Russia”,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Цель исследования – раскрыть взаимосвязь цифровой модели, материала и архитектурной формы в применении аддитивных технологий. Методы: использованы теоретический анализ, сопоставление научных источников и обобщение проектных, материальных и технологических параметров использования аддитивных технологий. Результат: разработана авторская модель взаимосвязи цифровой модели, материала и архитектурной формы в применении аддитивных технологий. Выводы: а) цифровая модель отражает геометрию, параметры формы и порядок печати архитектурного объекта; б) свойства материала влияют на кривизну, толщину элементов, пустотность, фактуру и качество поверхности; в) архитектурная форма формируется при согласовании художественного замысла, цифрового описания, материала и параметров печати, что позволяет исследовать современные тенденции применения аддитивных технологий в архитектурно-строительной сфере.

ABSTRACT

The aim of the study is to reveal the relationship between the digital model, material, and architectural form in the application of additive technologies. Methods: The study uses theoretical analysis, comparison of scientific sources, and generalization of design, material, and technological parameters related to the use of additive technologies. Result: an author’s model of the relationship between the digital model, material, and architectural form in the application of additive technologies has been developed. Conclusion: a) the digital model reflects the geometry, form parameters, and printing sequence of an architectural object; b) material properties affect curvature, element thickness, void structure, texture, and surface quality; c) architectural form is shaped through the coordination of artistic intent, digital description, material, and printing parameters, which makes it possible to study current trends in the application of additive technologies in architecture and construction.

Ключевые слова: аддитивные технологии; цифровая модель; материал; архитектурная форма; формообразование; архитектурный объект; параметры печати.

Keywords: additive technologies; digital model; material; architectural form; form generation; architectural object; printing parameters.

Применение аддитивных технологий в архитектуре связано с изменением способа задания будущего объекта. На первый план выходит согласование проектного замысла с цифровой моделью, составом материала и параметрами аддитивного изготовления, от которых зависит допустимая геометрия, характер поверхности и конструктивная выразительность. Вследствие этого центральной проблемой становится взаимосвязь цифровой модели, материала и архитектурной формы. В цифровой модели задаются геометрия объекта и параметры аддитивного изготовления, свойства материала ограничивают допустимую кривизну, пролёты, толщину стенок и характер поверхности, архитектурная форма выражает соотношение проектного замысла с условиями печати [2]. На стадии цифрового моделирования архитектурный замысел сразу соотносится с печатью, материалом и конструктивной работой будущего объекта. Ошибка в этом соотношении меняет как производственный процесс, так и саму архитектурную форму.

Значимость данной проблемы связана с сокращением дистанции между проектированием и производством в аддитивном изготовлении. Геометрическое решение, которое в традиционном проектировании могло уточняться на поздних стадиях, в рамках печати заранее связывается с движением печатающей головки, свойствами смеси, последовательностью нанесения материала и проверкой цифровых параметров [9]. Вместе с тем цифровую модель уже нельзя рассматривать только как средство визуализации, поскольку она служит рабочей средой согласования формы, материала и производственного действия. Материал также нельзя рассматривать как пассивную оболочку будущего объекта; его свойства задают область допустимых архитектурных решений. Реология смеси, рост прочности, межрядная адгезия, возможность армирования и качество поверхности – всё это оказывает влияние на криволинейность, детализацию, толщину печатных элементов и выраженность фактуры [3]. В аддитивном изготовлении с несколькими материалами вопрос становится сложнее, так как разные свойства вещества соединяются в одном фрагменте объекта и меняют представление о границе между конструкцией, оболочкой и выразительной поверхностью [9]. В рассматриваемой системе архитектурная форма складывается в зоне согласования художественного замысла, цифровых параметров, свойств материала и возможностей оборудования. Следует подчеркнуть, что проблема взаимосвязи трёх компонентов раскрывает теоретическое условие формирования объекта с применением аддитивных технологий и относится к теоретическим условиям формирования архитектурного объекта [4]. В связи с этим актуальным является исследование того, каким образом цифровая модель, материал и архитектурная форма соотносятся между собой в процессе применения аддитивных технологий, а также какие проектные ограничения и возможности возникают на этом основании.

Цифровая модель в применении аддитивных технологий отражает и внешний облик будущего архитектурного объекта, и совокупность параметров, от которых зависит возможность его печати (табл. 1).

Таблица 1.

Проектные функции цифровой модели в рамках применения аддитивных технологий в архитектуре

Источник: авторская разработка

В ней представлены геометрия, габариты, кривизна, толщина элементов, положение пустот, характер членения поверхности и порядок нанесения материала. В этом смысле цифровое моделирование является начальной стадией согласования архитектурного замысла с аддитивным строительным производством, поскольку форма заранее соотносится с возможностями оборудования и свойствами печатного состава [10].

Геометрические характеристики цифровой модели раскрывают форму как часть будущего процесса печати. Криволинейные поверхности, сложные оболочки, ячеистые структуры и переменная толщина элементов заранее соотносятся с возможностями печатающего оборудования и поведением материала. В этом проявляется отличие аддитивного изготовления от традиционного строительного процесса – цифровая геометрия фактически сразу связана с последовательностью нанесения материала, допустимой высотой каждого печатного хода и сохранением формы в период затвердевания смеси [2].

Параметрические характеристики цифровой модели позволяют заранее соотнести размеры, радиусы кривизны, толщину стенок, плотность заполнения и конструктивные участки объекта. Изменение одного параметра способно повлиять на смежные характеристики, поэтому цифровая модель отражает внутреннюю зависимость между формой, материалом и технологией печати. В архитектурном проектировании это важно ради контролируемого выбора решений, которые можно проверить до начала изготовления [8].

Технологические характеристики цифровой модели связаны с тем, каким образом проектное решение будет воспроизведено в аддитивном строительном производстве. Порядок движения печатающей головки, скорость нанесения материала, допустимый интервал между печатными ходами, условия затвердевания и возможность армирования влияют на то, какие элементы сохранят проектную геометрию после изготовления [3]. Следовательно, цифровая модель отражает рабочее соотношение архитектурной формы, материала и производственных параметров.

Однако цифровое описание формы приобретает проектный смысл только тогда, когда соотносится с поведением печатного материала. Материал в рамках применения аддитивных технологий связан с формированием архитектурного объекта уже на стадии выбора геометрии. Печатный состав должен удерживать заданную форму после нанесения, сохранять сцепление соседних рядов и набирать прочность с темпом, который согласуется с ходом печати. От этих свойств зависит кривизна стен, допустимая высота фрагментов, толщина элементов и выразительность поверхности [3]. Архитектурная форма печатного объекта связана с реологией смеси, зерновым составом, временем твердения, межрядным сцеплением и качеством поверхности. Криволинейные очертания, пустотные участки, ребристая фактура и переменная толщина стенок становятся допустимыми в случае совпадения формы с поведением материала. Материал участвует в формообразовании наравне с цифровой моделью и печатающим оборудованием [2]. При этом печать несколькими составами усложняет связь материала с архитектурной формой. В одном элементе могут сочетаться участки с разной плотностью, теплопроводностью, прочностью и фактурой. Внешняя геометрия дополняется внутренним распределением вещества, что влияет на несущую работу, ограждающие качества и выразительность поверхности [9]. Несущие характеристики материала задают пределы высоты, пролёта, кривизны и толщины печатных элементов. Проектировщик соотносит стенки, пустоты, участки усиления и характер поверхности с прочностью состава, скоростью твердения и качеством сцепления рядов.

Материал таким образом представляет собой параметр формирования архитектурного объекта, с которым связан выбор формы, порядок печати и сохранение геометрии после изготовления [7].

В целом, целесообразно обобщить связь свойств материала с характеристиками архитектурного объекта (табл. 2).

Наконец, архитектурная форма в применении аддитивных технологий складывается из согласования цифрового описания объекта, свойств печатного состава и параметров изготовления. Геометрия уже связана с тем, как материал сохраняет очертания, как работает стеновой фрагмент и каким образом оборудование наносит состав, вследствие чего форма отражает соотношение проектного замысла, материала и производственного процесса [2].

Таблица 2.

Связь свойств материала с характеристиками архитектурного объекта

Источник: авторская разработка

Важное значение здесь имеет мера сложности формы. Криволинейные стены, пустоты, рельефные поверхности, переменная толщина элементов и ячеистые фрагменты становятся частью проектного решения при согласовании с печатью и несущей работой объекта. Формообразование в этом случае связано с проверкой допустимой кривизны, высоты печатного фрагмента, качества поверхности и сохранения геометрии после твердения состава [1].

Материальные и конструктивные параметры задают границы выразительности формы. Печатный объект может включать в себя стенки разной толщины, полости, участки усиления, рельефные поверхности и элементы с разной плотностью вещества. Иными словами, распределение материала влияет на несущую работу, тепловые качества, массу и зрительное восприятие объекта [9].

Важно отметить, что на саму пластику печатного объекта влияют производственные параметры. Скорость нанесения состава, высота печатного хода, порядок движения печатающей головки и условия твердения ограничивают кривизну, высоту фрагмента, толщину стенки и качество поверхности [5]. В роботизированной печати точность движения оборудования связана с совпадением цифрового задания и напечатанного объёма [6].

Таким образом, характеристики архитектурной формы как таковой целесообразно обобщить ниже (табл. 3).

Обобщая взаимосвязь цифровой модели, материала и архитектурной формы важно отметить, что на уровне обобщения становится видна внутренняя зависимость между проектным замыслом и печатным изготовлением.

Цифровая модель задаёт точность геометрии, размерные параметры, кривизну, толщину элементов, пустоты, рельеф поверхности и порядок печати, материал вносит собственные ограничения за счёт пластичности, твердения, прочности, сцепления рядов, зернового состава и качества печатного следа, архитектурная форма собирает данные условия в конкретный объём, воспринимаемый как художественное, конструктивное и технологическое целое [4].

Действительно, в обычном проектировании форма может долго обсуждаться преимущественно на уровне композиции, образа и конструктивной схемы, тогда как в аддитивном изготовлении уже раннее цифровое описание связано с поведением печатного состава и возможностями оборудования.

Таблица 3.

Характеристики архитектурной формы в рамках применения аддитивных технологий

Источник: авторская разработка

Здесь возникает дискуссионный момент – часто связываемая с 3D-печатью свобода формообразования не равна произвольности формы. Криволинейная стена, поверхность рельефа, пустотная структура или переменная толщина элемента могут быть убедительными только в том случае, когда цифровая модель точно соотнесена с составом смеси, порядком нанесения материала, несущей работой фрагмента и качеством поверхности после твердения [3]. Следовательно, материал нельзя мыслить, как нейтральное вещество, которое просто заполняет заданную геометрию, точно так же, как и цифровую модель нельзя сводить к простому изображению будущего объекта. Более точной выглядит позиция, в рамках которой цифровая модель отвечает за проектное описание формы, материал определяет пределы её физической реализации, архитектурная форма отражает согласование данных параметров в построенном объёме [2].

Печать несколькими составами усиливает эту зависимость, поскольку внутренняя структура элемента начинает влиять на тепловые качества, массу, несущую способность и выразительность поверхности [9]. В роботизированной печати на точность выполнения формы влияют точность движения печатающей головки, высота наносимого ряда и последовательность подачи материала [6].

Таким образом, в конечном итоге можно зафиксировать ключевой вывод данного рассуждения – применение аддитивных технологий в архитектурном проектировании раскрывается как согласование трёх взаимозависимых компонентов, среди которых цифровая модель задаёт описание объекта, материал задаёт физические пределы печати, архитектурная форма отражает итог проектного, материального и производственного решения (рис. 1).

Авторская модель отражает формирование архитектурного объекта с применением аддитивных технологий как творческую работу с формой, в которой художественный замысел сразу соотносится с цифровым описанием, свойствами материала и условиями печати. В такой системе архитектурная форма не сводится к внешней пластике здания или сооружения.

Рисунок 1. Авторская модель взаимосвязи цифровой модели, материала и архитектурной формы в применении аддитивных технологий

Кривизна, пустотная структура, рельеф поверхности, толщина элементов и пространственная непрерывность связаны с геометрией цифровой модели, составом смеси, прочностью, твердением, высотой печатного ряда и проверкой печати. Иными словами, модель раскрывает архитектурно-художественные основы формообразования сквозь призму зависимости выразительности объекта от материальной и производственной стороны проектного решения, что важно для творческих концепций архитектурной деятельности. Ведущую роль здесь сохраняет проектный замысел, однако его воплощение происходит за счёт последовательного согласования цифровых, материальных, конструктивных и технологических параметров. И логичным итогом выступает, собственно, архитектурный объект, в котором выразительность, функциональная насыщенность, конструктивная надёжность и технологическая выполнимость рассматриваются как связанные характеристики. Данная модель теоретически позволяет перейти к более широкому вопросу о том, какие изменения в проектировании, материалах, формах и способах изготовления раскрывают современные тенденции применения аддитивных технологий в архитектурно-строительной сфере.

Таким образом, проведённое исследование позволяет сделать следующие выводы:

• Во-первых, применение аддитивных технологий в архитектуре связано с новым характером формообразования, при котором архитектурная форма заранее соотносится с цифровой моделью, материалом и параметрами печати.
• Во-вторых, цифровая модель задаёт проектное описание геометрии, размеров, кривизны, пустот, толщины элементов и порядка изготовления будущего архитектурного объекта.
• В-третьих, свойства материала влияют на формирование архитектурного объекта, поскольку состав смеси, пластичность, твердение, прочность и качество поверхности определяют допустимую форму и выразительность печатного объекта.
• Наконец, в-четвёртых, архитектурная форма в рамках применения аддитивных технологий складывается как результат согласования художественного замысла, цифрового описания, свойств материала и производственных параметров, что позволяет рассматривать данный процесс в связи с современными тенденциями применения аддитивных технологий в архитектурно-строительной сфере.

Список литературы:

1. Амирханян Т.А., Иевлева О.Т. Аддитивные технологии в архитектуре: новые горизонты // Инженерный вестник Дона. – 2024. – № 9 (117). – С. 1-14.
2. Сапрыкин А.Е., Моор В.К., Гаврилов А.Г. Влияние аддитивных технологий на материал, формообразование и функциональные факторы архитектурных объектов // Архитектура и дизайн: история, теория, инновации. – 2018. – № 3. – С. 305-310.
3. Славчева Г.С., Лапырев С.Н. Перспективы аддитивных технологий в строительстве: ожидания и реальность // Бетон и железобетон. – 2024. – № 5. – С. 53-60.
4. Уморина Ж.Э., Мохов И.Э. Создание архитектурных форм с применением аддитивных технологий в ХХ-ХХI вв. // Архитектон: известия вузов. – 2019. – № 2. – С. 1-10.
5. Camacho D.D. et al. Applications of additive manufacturing in the construction industry – a forward-looking review // Automation in construction. – 2018. – Vol. 89. – P. 110-119.
6. Dörfler K. et al. Additive Manufacturing using mobile robots: Opportunities and challenges for building construction // Cement and concrete research. – 2022. – Vol. 158. – P. 1-13.
7. Hassan A. et al. 3D printed concrete for sustainable construction: A review of mechanical properties and environmental impact // Archives of Computational Methods in Engineering. – 2025. – P. 1-31.
8. Murugan R.S., Vinodh S. Holistic review on design for additive manufacturing // Progress in Additive Manufacturing. – 2025. – Vol. 10. – No. 8. – P. 4497-4532.
9. Pajonk A. et al. Multi-material additive manufacturing in architecture and construction: A review // Journal of Building Engineering. – 2022. – Vol. 45. – P. 1-17.
10. Paoletti I. Mass customization with additive manufacturing: new perspectives for multi performative building components in architecture // Procedia engineering. – 2017. – Vol. 180. – P. 1150-1159.