Kandidat PhD arsitektur di ETH Zurich telah mengembangkan solusi sederhana untuk membangun lantai beton dengan cara yang lebih ramah iklim. Beton dan baja dalam jumlah besar dapat dihemat berkat desain bekisting yang ringan, kuat, dan dapat digunakan kembali.
Beton merupakan bahan konstruksi yang paling banyak digunakan di dunia. Terbuat dari semen, air, pasir dan kerikil, campuran yang relatif murah ini dapat dibentuk sesuai kebutuhan dan menahan gaya tekan yang tinggi. Namun kinerjanya buruk di bawah tekanan tarik, membutuhkan tulangan baja, dan sering kali menggunakan material dalam jumlah berlebihan. Hal ini memicu perubahan iklim, karena produksi beton dan baja menghasilkan emisi karbon yang signifikan.
Penelitian yang dilakukan oleh tim Profesor Philippe Block dari ETH secara konsisten menunjukkan bahwa stabilitas struktural dapat dicapai dengan menggunakan lebih sedikit beton dan baja. Salah satu inovasi Block Research Group (BRG) adalah elemen lantai berkubah yang terbuat dari beton. Melalui geometri yang cerdas, lantai ini menghasilkan bagian yang jauh lebih tipis dibandingkan lantai konvensional dan tidak memerlukan tulangan baja tertanam. Teknologi ini sekarang dikomersialkan melalui spin-off ETH VAULTED AG.
Mempertimbangkan keberlanjutan pada langkah produksi pertama
Lantai berkubah membutuhkan sistem bekisting – cetakan yang memberikan struktur halus pada beton yang dituangkan. Namun, cetakan ini berukuran besar dan sering kali terbuat dari bahan berbasis minyak bumi seperti styrofoam. Selain itu, bekisting untuk geometri non-standar biasanya hanya sekali pakai, dan proses pembuatannya menghasilkan banyak limbah. “Sayangnya, hal ini membatalkan beberapa manfaat keberlanjutan,” jelas Lotte Scheder-Bieschin. Kandidat doktoral di kelompok penelitian Block telah mengembangkan sistem bekisting yang dapat dilipat yang dapat digunakan kembali dan membutuhkan lebih sedikit sumber daya untuk memproduksinya.
Mengurangi penggunaan beton dan baja secara besar-besaran
Unfold Form terdiri dari potongan kayu lapis tipis dan fleksibel yang dihubungkan dengan engsel tekstil dan dapat dibuka seperti kipas. Empat unit kompak ini dapat dengan cepat dirakit dalam bingkai kayu untuk membuat cetakan berbentuk zigzag yang kokoh dimana beton dapat langsung dituangkan.
“Saya sedang mencari solusi yang menggunakan kekuatan melalui geometri tidak hanya untuk struktur akhir tetapi juga untuk bekisting itu sendiri.”
Setelah beton mengeras, bekisting dapat dengan mudah dilepas dari bawahnya, dilipat dan disimpan untuk penggunaan berikutnya. Meskipun sistem yang digunakan untuk prototipe ini hanya berbobot 24 kilogram, sistem ini mampu menopang beton hingga satu ton.
“Saya sedang mencari solusi yang memungkinkan saya menggunakan kekuatan melalui geometri tidak hanya untuk mengoptimalkan struktur akhir tetapi juga bekisting itu sendiri,” kata Scheder-Bieschin. “Pendekatan ini mengurangi penggunaan material dan menjadikan keseluruhan proses lebih ramah lingkungan.” Struktur geometris bekisting yang khas memungkinkan pengurangan hingga 60 persen pada beton dan 90 persen pada baja tulangan.
“Bekisting Unfold Form dapat diproduksi dan dirakit tanpa pengetahuan khusus atau peralatan berteknologi tinggi,” kata Scheder-Bieschin. Salah satu tujuannya adalah menciptakan sistem yang sederhana dan kuat yang dapat digunakan di seluruh dunia, bahkan dengan sumber daya yang terbatas. Saat ini, bekisting untuk bentuk beton nonstandar biasanya memerlukan fabrikasi digital. “Hal ini menciptakan hambatan bagi konstruksi beton berkelanjutan di negara-negara berkembang, dimana kebutuhan akan bangunan baru sangat tinggi,” katanya.
Bekisting dapat diproduksi dengan murah. “Satu-satunya hal yang diperlukan selain bahan adalah templat untuk bentuk dan stapler,” tambah Scheder-Bieschin. Bahan untuk prototipe ini hanya berharga 650 franc Swiss.
Masing-masing komponen ringan dan cukup kompak untuk diangkut dengan mudah. Scheder-Bieschin mendemonstrasikan kesederhanaan sistem tersebut dengan merakitnya sendiri selama kehamilannya. “Saya ingin memastikan desain saya cukup sederhana untuk dibuat oleh siapa saja, apa pun kondisinya,” katanya.
Punggungan zigzag seperti kerang
Bagaimana bekisting inovatif ini bisa ringan dan stabil? Selama pengembangan, Scheder-Bieschin menerapkan keahliannya dalam struktur aktif lentur – topik yang dia kerjakan selama studinya. Teknik ini melibatkan pembengkokan bahan elastis seperti spline atau pelat kayu yang tipis dan panjang, sehingga deformasi yang dihasilkan menciptakan stabilitas dan memungkinkan struktur melengkung dan ringan.
Fitur utama dari Unfold Form adalah susunan potongan kayu yang berbentuk zigzag. “Ribbing ini memberikan kekakuan tambahan tanpa meningkatkan bobot keseluruhan secara signifikan,” jelas Scheder-Bieschin. “Anda dapat menemukan struktur artikulasi seperti itu di alam, seperti pada kulit kerang.”
Pola zigzag memperkuat bekisting dan beton yang dituangkan ke atasnya: “Beton menggabungkan desain ini ke dalam pola rusuk struktural, yang membantu perpindahan beban.”
Kekuatan melalui kelengkungan
Interaksi antara masing-masing strip sangat penting untuk stabilitas bekisting, Scheder-Bieschin menjelaskan: “Saat Anda membengkokkan satu strip atau pelat, strip atau pelat tersebut menjadi sangat goyah saat dibebani, dan sulit untuk mengontrol bentuk papan mana yang akan ditekuk.” Namun, saat Anda menyambungkan dua strip di sepanjang tepi melengkung, Anda akan mendapatkan kekakuan yang jauh lebih tinggi. “Di bawah beban, strip mengalami deformasi minimal, dan Anda dapat mengontrol bentuk akhir melalui desain kurva sambungan ini,” katanya. Teknik yang disebut lipatan lengkung (CCF) ini telah ada sejak lama dan mengambil inspirasi dari seni origami.
Pelipatan secara umum berkembang secara konsisten dari ukuran yang lebih besar ke ukuran yang lebih kecil, dimulai dengan elemen datar yang secara bertahap diperkecil melalui proses pelipatan. Hal ini membuat teknik pelipatan tidak cocok untuk digunakan dalam konstruksi. “Misalnya lantai beton berkubah berukuran dua kali tiga meter – pelat awalnya harus berukuran kira-kira tiga kali lima meter. Dari sudut pandang transportasi, ini tentu saja sangat tidak praktis,” kata Scheder-Bieschin.
Dari model kertas hingga prototipe konkrit
Scheder-Bieschin tertarik dengan tantangan mengadaptasi sistem CCF yang sederhana namun cerdik ini untuk tujuan arsitektur. Dia bereksperimen dengan model kertas di mejanya, dan akhirnya merancang sebuah sistem yang dia sebut lipatan-lipatan melengkung: “Pada titik tertentu, saya mulai merekatkan potongan-potongan itu dengan cara yang berbeda. Dan itulah bagaimana saya menemukan sebuah sistem yang dimulai sebagai bentuk bertumpuk yang dapat disebarkan – seperti kipas tangan. Dan pada saat yang sama, bentuk melengkung tercapai.”
Tantangan berikutnya adalah beralih dari selembar kertas tipis ke bahan struktural dengan ketebalan tertentu. Kandidat doktor memecahkan masalah rumit ini dengan bantuan engsel tekstil.
Dia kemudian mengembangkan metode komputer untuk simulasi tersebut. “Prototipe awal telah memvalidasi konsep saya,” kenangnya. “Dengan menggunakan prefabrikasi 2D sederhana, saya dapat membuat panel lipat dan kompak yang mudah dibuka dan memiliki kekakuan yang diperlukan untuk menopang beton.”
Ujian kehidupan nyata di Afrika Selatan
Selain prototipe akhir berukuran 3 kali 1,8 meter, yang berlokasi di Laboratorium Fabrikasi Robot (RFL) di kampus Hönggerberg, struktur beton kembar juga ada di Afrika Selatan. Itu dibangun menggunakan bekisting yang sama. Mark Hellrich, asisten ilmiah dan kontributor proyek Unfold Form, mengangkut bekisting terlipat ke Cape Town menggunakan dua tas papan selancar. Bekerja sama dengan nonCrete, sebuah perusahaan lokal yang berdedikasi pada konstruksi berkelanjutan dan solusi perumahan terjangkau, mereka membuat prototipe kedua.
Hal ini menunjukkan tiga hal sekaligus: Sistem bekisting dapat digunakan kembali tanpa kehilangan kualitas, mudah diangkut, dan dapat digunakan dengan berbagai jenis beton. NonCrete menggunakan bio-betonnya berdasarkan potongan vegetasi invasif dari area tersebut. “Ini menunjukkan bahwa beton kelas premium tidak diperlukan untuk membuat lantai kokoh dengan bekisting baru,” catat Scheder-Bieschin.
Dia mengatakan bahwa perusahaan mitranya di Afrika Selatan terkesan dengan hasilnya: “Tujuannya adalah menggunakan sistem bekisting inovatif ini untuk membangun perumahan berkualitas tinggi, bermartabat, dan berkelanjutan di kota-kota di Afrika Selatan.”
Membantu orang membantu diri mereka sendiri
Setelah menyelesaikan gelar doktornya dalam beberapa bulan, peneliti akan terus mengembangkan tekniknya sebagai postdoc di ETH Zurich, dengan rencana untuk memasarkan produknya. Saat ini, perempuan berusia 33 tahun ini sedang mengerjakan desain balai pasar di kota Cape Town menggunakan sistem bekistingnya. Namun, langkah selanjutnya adalah membantu masyarakat untuk membantu diri mereka sendiri: “Kami merencanakan program pelatihan untuk penduduk setempat sehingga mereka dapat membuat bekisting dan bangunan sendiri.”
MAS Baru: Mengembangkan solusi bangunan yang inovatif dan berkelanjutan
Mulai musim gugur 2025, ETH Zurich akan menawarkan program Magister Studi Lanjutan dalam Desain Struktur Komputasi (MAS ETH CSD). Program praktik satu tahun ini dirancang untuk mahasiswa, peneliti, dan profesional di bidang arsitektur, teknik, dan konstruksi (AEC). Ini menggabungkan alat dan metode geometri komputasi (arsitektur) tercanggih, analisis teknis dan pemodelan informasi bangunan dengan standar industri terkini dan lintas disiplin ilmu.
Tujuannya adalah untuk mengatasi tantangan utama yang dihadapi industri AEC dan untuk mengembangkan solusi inovatif dan berkelanjutan untuk praktik profesional. Dengan fokus praktis yang kuat, program ini mencakup studi kasus yang diambil dari industri, sehingga sangat relevan dengan sektor ini.
Block Research Group mempelopori pengembangan program MAS baru ini. “Lima belas tahun setelah grup kami didirikan, kami dengan senang hati berbagi pengalaman kolektif kami dalam penelitian, pengajaran, transfer teknologi, dan praktik dengan insinyur dan arsitek generasi berikutnya,” kata pemimpin grup dan Profesor ETH Philippe Block.
Program studi pertama akan dimulai pada bulan Oktober 2025 dan berlangsung hingga Agustus 2026. Lamaran akan diterima mulai 1 April 2025.
Anda dapat menemukannya di situs web MAS.
