Stair installation on the building site. Image: dbt - ETH Zürich ©

Positioning of stair in its final location. Image: dbt - ETH Zürich ©


The 3D-printed formwork achieves high precision for the individual stair steps (1:1 scale before postprocessing)

Coherent digital process chain developed by NDC ©

3D printing process of formwork element enabling the cast of the UHPC stair

Passed the final prototype test ! Empa experts subjected the staircase system to various load tests. Image: Empa ©

Stair before installation on the building site. Image: dbt - ETH Zürich ©

“Bespoke stair complete design & build up” animated by dbt - ETH Zürich ©

Rendering execution phase and base geometry for generating the formworks.
Image: dbt - ETH Zürich ©



 






Digitally manufactured concrete staircase “Cadenza”

To be installed within “STEP2” at Empa´s NEST in Zurich.                                                        
As symbolic building spines, stairs have a significant functional, aesthetic and representational role in architectural spaces. However, bespoke concrete stairs pose significant fabrication challenges when it comes to conventional formwork solutions. To address and minimize these challenges, the innovation object is a complex free-form concrete stair based on research in 3D-printed formworks. In this context, a streamlined digital design-to-production framework is established, enabled through the synergy between computational design and additive manufacturing. The vision is to broaden the design possibilities of concrete stairs and reduce the extra cost, material waste, and labor associated with customization and complexity.

In terms of architectural expression, new design opportunities with highly articulated qualities are built in concrete. Glossy or anti-slip surfaces, ornamental features, and functional conduits are integrated in the design and parametrically controlled. Beyond a radical new design, the stair also integrates features for human comfort and safety.

Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete is used for its excellent structural properties that enable very thin, complex shapes, otherwise impossible with regular reinforced concrete. Even though the innovation object is perceived as one coherent sculptural element, it is discretized into individual steps. The lightweight and structurally efficient elements are prefabricated and assembled on-site. The assembly is enabled by a state-of-the-art shape memory alloy post-tensioning system that provides the necessary reinforcement.

The aim is to highlight the benefits of digital tools, not only for the fabrication of bespoke concrete stairs, but for architecture, engineering, and the construction industry in general. Embedded in research, the innovation object demonstrates that digital fabrication technologies are already a sustainable fabrication strategy for context-specific, efficient and performant design solutions. It offers a ready-to-use solution for individual designs and building tasks.

The stair is being realized as open innovation project with the following partners:

Stair Design: Digital Building Technologies - ETH Zurich, ROK Architects
Fabrication System: Digital Building Technologies - ETH Zurich, SW Umwelttechnik.
Formwork Development and 3D Printing: Digital Building Technologies - ETH Zurich, BASF Forward AM, New Digital Craft.
Structural Design: Walt Galmarini
Precast Concrete: SW Umwelttechnik
Post-tensioning System: re-fer
Project Management: ROK Architects


See the latest update on the project here: STEP2 



Digital hergestellte Betontreppe 

“Wird umgesetzt in der “STEP2” Unit im NEST der Empa.

Als symbolisches Rückgrat von Gebäuden haben Treppen eine wichtige funktionale und ästhetische Rolle in der Architektur. Die Herstellung massgeschneiderter Betontreppen stellt aber konventionelle Schalungslösungen vor grosse Herausforderungen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird für die komplexe Beton-Wendeltreppe in der STEP2-Unit auf die aktuellste Forschung im Bereich 3D-gedruckter Schalungen gesetzt. Vom Entwurf bis zur Produktion kommt ein komplett digitales Verfahren zum Einsatz, das die Synergien zwischen computergestütztem Design und additiver Fertigung optimal nutzt. Ziel ist es, die Gestaltungsmöglichkeiten von Betontreppen zu erweitern und dabei gleichzeitig die Kosten-, Material- und Arbeitsaufwände zu reduzieren, die normalerweise bei individuellen und komplexen Formen unweigerlich auftreten.

Das neue Verfahren ermöglicht es, architektonisch interessante und qualitativ hochwertige Elemente aus Beton zu fertigen. Glänzende oder rutschfeste Oberflächen, dekorative Elemente und Kabelkanäle werden bereits im Modell integriert und mithilfe von Parametern kontrolliert. Neben dem völlig neuen Design beinhaltet die Treppe auch Funktionen für die Sicherheit und den Komfort der Nutzer.

Für die Herstellung wird ultrahochfester faserverstärkter Beton verwendet. Dieser weist hervorragende strukturelle Eigenschaften auf und ermöglicht dadurch sehr dünne, komplexe Formen, die mit normalem Stahlbeton nicht realisiert werden könnten. Obwohl die Wendeltreppe als ein grosses, skulpturales Ganzes wahrgenommen wird, setzt sie sich aus einzelnen Stufengliedern zusammen. Diese leichten und struktureffizienten Elemente werden vorgefertigt und vor Ort zusammengesetzt. Die erforderliche Bewehrung liefert ein hochmodernes Vorspannsystem, das auf einer Formgedächtnislegierung basiert.

Das Ziel des Projekts ist es, die Vorteile digitaler Werkzeuge nicht nur für die Herstellung massgeschneiderter Betontreppen, sondern auch für die Architektur, das Ingenieurwesen und die Bauindustrie im Allgemeinen aufzuzeigen. Die Wendeltreppe demonstriert, dass digitale Fertigungstechnologien zu nachhaltigen, effizienten und leistungsstarken Designlösungen beitragen können. Das angewendete Verfahren ist eine einsatzreife Lösung für individuelle Entwürfe und Bauvorhaben.

Die Treppe wird als Open Innovation Projekt realisiert in Kooperation mit folgenden Partner:

Stair Design: Digital Building Technologies - ETH Zurich, ROK Architects
Fabrication System: Digital Building Technologies - ETH Zurich, SW Umwelttechnik.
Formwork Development and 3D Printing: Digital Building Technologies - ETH Zurich, BASF Forward AM, New Digital Craft.
Structural Design: Walt Galmarini
Precast Concrete: SW Umwelttechnik
Post-tensioning System: re-fer
Project Management: ROK Architects


Den aktuellen Status des Projektes finden Sie hier: STEP2 




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