г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 67.29 Объекты строительства
ББК 38 Строительство
Развитие научно-технического прогресса способствует совершенствованию старых и появлению новых технологий строительства зданий и сооружений. В представленной статье рассматривается технология 3D печати и перспективы ее применения в строительной отрасли, приводится реальный опыт некоторых компаний по возведению зданий с помощью 3D принтеров. Одними из основных особенностей строительного производства являются материалоемкость, длительные сроки производства работ, воздействие на окружающую среду. Использование 3D технологии может способствовать решению этих вопросов. Отдельное внимание в статье уделяется преимуществам 3D технологии над традиционными методами строительства. Строительство объектов с помощью 3D принтеров обладает большим потенциалом за счет снижения стоимости и повышения качества продуктов строительства, сокращения сроков производства работ, а также высокой степени автоматизации строительных процессов.
технология строительства, 3D технология, эффективность, 3D печать
Введение. На сегодняшний день технический прогресс коснулся многих отраслей материального производства, в том числе и строительства. Для удовлетворения современных потребностей человека при условии защиты окружающей среды, строительная отрасль должна внедрять в свое производство современные методы и технологии [1–5]. Перспективным организационно-технологическим решением представляется использование технологии 3D печати при строительстве зданий и сооружений. История 3D печати началась в 1986 году с изобретения SLA-установки. Она была разработана и запатентована Чарльзом Халлом и использовала технологию стереолитографии. В современном понимании установка еще не являлась первым 3D-принтером, но именно она определила основной принцип работы 3D-принтера: послойное наращивание объектов.
Основная часть. В строительстве 3D технологию начали применять с 2014 года, и первой организацией, которая «напечатала дом», стала китайская компания «WinSun». Сначала она анонсировала строительство за 24 часа десяти 3D-печатных домов площадью по 200 м2, сделанных из бетона с помощью гигантского принтера. Впоследствии компанией «WinSun» был напечатан пятиэтажный дом и вилла площадью 1100 м2. Для воплощения этого проекта команда инженеров создала принтер следующих габаритов: высота 6,6 метра, ширина 10 метров, длина 40 метров. Здания печатались блоками и собирались на месте, что очень похоже на панельное домостроение [6]. Наравне с положительными особенностями выделяют следующие недостатки данного принтера:
– работа в прямоугольных системах координат;
– перемещение по рельсовым направляющим, которые требуют ровной поверхности для установки;
– из-за сложной конструкции, установка целесообразна только на заводе;
– ограничения по площади и высоте печати.
В 2017 году инновационно-технологическая компания «Cazza», которая базируется в Объединенных Арабских Эмиратах, планирует использовать 3D-принтеры собственной разработки при строительстве небоскреба в Дубае. Используется технология «крановой печати», которая позволяет возводить объекты высотой 80 м и более при помощи установки дополнительных секций у таких кранов. Однако, о полном переходе на строительство небоскребов подобным образом речи пока не идет, так как специальные краны будут печатать только отдельные конструктивные части будущего небоскреба.
В 2016 году в Московской области прошла презентация нового 3D принтера от компании «Apis Cor». На территории бетонного завода в городе Ступино был установлен принтер, и за 24 часа напечатан одноэтажный дом с площадью стен 37 м2. Представленный принтер обладал следующими характерными особенностями: мобильность, небольшие габариты, легкость транспортировки и минимум времени на подготовку к использованию [7].
В общем случае, при проектировании стен жилых и общественных зданий, формируемых методом трехмерной печати с применением оборудования кампании «Apis Cor», необходимо учитывать следующие требования и ограничения:
- Высота стен ограничена конструктивными особенностями оборудования и составляет не более 3,3 метра. Если требуется изготовить конструкцию большей высоты, то часть конструкции, превышающей 3,3 метра, необходимо распечатать отдельно, и с помощью крана смонтировать на основную конструкцию.
- Расчет несущей способности наружных и внутренних стен необходимо определять с учетом их совместной работы.
- Здания рекомендуется проектировать с продольными и поперечными несущими стенами.
- Толщина стен и их структура должны удовлетворять соответствующим требованиям по тепло- и звукоизоляции.
- В местах примыкания к цоколю и/или фундаменту стены должны быть гидроизолированы.
- Толщина стен должна назначаться с учетом требуемого сопротивления теплопередаче и несущей способности стен.
- Расстояние между осями поперечных стен должно быть не более 9 м, а продольных – не более 7,2 м.
- При устройстве многокамерной стены с перемычкой из гибких связей их количество не должно быть менее 4 шт/м., диаметр используемых гибких связей должен быть не менее 8мм.
- Размеры элементов стен, имеющих проемы, должны назначаться по результатам соответствующих расчетов, а также с учетом архитектурно-планировочных решений.
Компанией «Apis Cor» выявлены преимущества использования технологии строительства зданий методом 3D печати:
- Снижение затрат на транспортировку строительных материалов на площадку в 3,7 раза. Для печати 1 м3 стены необходимо 0,267 м3 строительной смеси, т.е. 1м3 любых блоков при формировании стены методом 3D печати заменяется 0,267м3. строительной смеси.
- Увеличение скорости строительства вертикальных ограждающих конструкций до 6 раз. Расчетный показатель скорости кладки без армирования составляет 3,56 чел/часа на 1м3 газобетонных блоков. 3D принтер формирует 1м3 стены толщиной в 333 мм за 0,85 маш/часа. При этом этот показатель постоянен и не колеблется от машины к машине, а также не зависит от сложности геометрии строительной конструкции.
- Снижение затрат на материалы в 2,8 раза. Расчетная стоимость 1 м3 стены из газоблока толщиной 400 мм с мокрым фасадом и утеплением пенополистеролом, в том числе с учетом стоимости блоков, клея, штукатурки, утеплителя и других материалов, а также стоимости работ по кладке, оштукатуриванию, устройству фасада с теплоизоляцией составляет 4445 р., а стоимость напечатанной стены 3D принтером «Apis Cor» аналогичной по теплозащитным характеристикам, внешнему виду и несущей способности составляет 1556 р.
В табл. 1 компанией «Apis Cor» показано экономическое сравнение технологии строительства здания методом 3D печати и традиционным методом.
Таблица 1
Экономическое сравнение технологии 3D печати и традиционных методов
|
Стена толщиной 400 мм из газоблока с мокрым фасадом и утеплением 100 мм |
Стена, сформированная 3D-принтером Apis Cor, толщиной 400 мм |
||
|
Газоблок |
3500 р/м3·0,4 м3=1400 р |
Бетон для 3D печати |
0,114 м3·9000руб./м3=1026 р |
|
Кладка газоблоков |
1300 руб./м3 · 0,4м3=520 р |
Пеноизол |
0,1м3·2500р/м3=250 р |
|
Штукатурные работы в т.ч. материалы |
600 р |
Работа оператора |
500р/час·0,34час=170 р |
|
Устройство мокрого фасада, в том числе материалы |
1925р/м2 |
Гибкие связи |
4шт.·30р=120 р |
|
Итого стоимость |
4445 р |
Итого стоимость |
1566 р |
|
Итого время |
3 часа |
Итого время |
30 минут |
Выводы. Благодаря использованию технологии 3D печати можно повысить эффективность строительства за счет:
- Отказа от традиционных архитектурных форм, технология 3D печати предоставляет больше свободы архитекторам и дизайнерам в плане создания интересных проектов.
- Автоматизации технологического процесса и сокращение сроков строительства [8, 9].
- Снижения затрат на материалы за счет исключения некоторых процессов, присутствующих в традиционном методе строительства [10–13].
- Минимизации образования мусора на строительной площадке, что благоприятно сказывается на экологической обстановке [14, 15].
На сегодняшний день можно выделить следующие перспективы развития 3D печати:
- Внедрение технологии в жилищное строительство, что позволит снизить высокие цены на жилье.
- Применение в масштабных проектах, так как строительство при помощи 3D технологий позволит снизить сроки строительства и повысить качество выпускаемой продукции.
- В будущем возможна полная автоматизация строительного процесса, и 3D печать - это только первая ступень в этом направлении, так как на данный момент еще не решены вопросы с возведением кровли, гидроизоляцией, внутренней и внешней отделкой.
1. Алексанин А.В. Перспективные направления развития организации строительства // Научное обозрение. 2015. № 10-1. С. 378-381
2. Алексанин А.В. Организационные возможности снижения вредного воздействия на окружающую среду в строительной сфере // Научное обозрение. 2016. № 13. С. 258-262.
3. Kothman I., Faber N. How 3D printing technology changes the rules of the game: Insights from the construction sector // Journal of Manufacturing Technology Management. 2016. Vol.27. Рp. 932-943
4. Алексанин А.В., Сборщиков С.Б. Оценка экономической эффективности использования новых технологий, материалов и решений в проектах по энергосбережению // Вестник МГСУ. 2009. № 1. С. 164.
5. Сборщиков С.Б., Лазарева Н.В., Жаров Я.В. Теоретические основы многомерного моделирования устойчивого развития инвестиционно-строительной деятельности // Вестник МГСУ. 2014. № 6. С. 165-171.
6. Официальный сайт компании «WinSun» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.yhbm.com/index.php?a=lists&c=index&catid=67&m=content (дата обращения 28.03.2017)
7. Официальный сайт компании «Apis Cor» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.apis-cor.com (дата обращения 28.03.2017)
8. Шувалов Н.Е. Целесообразность 3d печати в малоэтажном строительстве // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 (67). С. 190-192.
9. Сембаев Б.Н., Билялова С.А. Применение 3d печати в строительстве // Электронный научный журнал. 2016. № 10-3 (13). С. 279-282.
10. Сборщиков С.Б., Шинкарева Г.Н. Развитие инжиниринга как фактора интенсификации инвестиционно-строительной деятельности // Научное обозрение. 2016. № 13. С. 13-17.
11. Y. W. Tay, B. Panda, S. C. Paul, M. J. Tan, S. Z. Qian, K. F. Leong, C. K. Chua. Processing and Properties of Construction Materials for 3D Printing // Materials Science Forum. 2016. Vol. 861, pp. 177-181.
12. Сборщиков С.Б., Лазарева Н.В. Влияние случайных факторов на траекторию устойчивого развития инвестиционно-строительной деятельности на уровнях иерархии // Вестник МГСУ. 2015. № 10. С. 162-170.
13. Журавлев П.А., Клюев В.Д., Евсеев В.Г. Использование квалиметрического подхода для оценки конкурентоспособности инвестиционных строительных проектов // Научное обозрение. 2014. № 9. C.637-640.
14. Сборщиков С.Б., Свиридов И.А. О повышении эффективности ликвидации ветхого и аварийного жилья // Научное обозрение. 2016. № 22. С. 17-21.
15. Алексанин А.В., Сборщиков С.Б. Создание регионального механизма централизованного управления строительными отходами // Вестник МГСУ. 2013. № 6. С. 229-235
