Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
GRNTI 67.29 Объекты строительства
BBK 38 Строительство
The development of scientific and technological progress contributes to the improvement of old and the emergence of new technologies for the construction of buildings and structures. In the presented article the technology of 3D printing and prospects of its application in the construction industry is considered, real experience of some companies on building buildings with the help of 3D printers is given. One of the main features of the construction industry are material consumption, long terms of production, impact on the environment. Using 3D technology can help address these issues. Special attention is paid in the article to the advantages of 3D technology over traditional construction methods. The construction of objects with the help of 3D printers has great potential due to the reduction of the cost and quality of construction products, the reduction in the terms of production, as well as the high degree of automation of construction processes
technology of construction, 3D technology, efficiency, 3D printing
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. Aleksanin A.V. Perspektivnye napravleniya razvitiya organizacii stroitel'stva // Nauchnoe obozrenie. 2015. № 10-1. S. 378-381
2. Aleksanin A.V. Organizacionnye vozmozhnosti snizheniya vrednogo vozdeystviya na okruzhayuschuyu sredu v stroitel'noy sfere // Nauchnoe obozrenie. 2016. № 13. S. 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. Rp. 932-943
4. Aleksanin A.V., Sborschikov S.B. Ocenka ekonomicheskoy effektivnosti ispol'zovaniya novyh tehnologiy, materialov i resheniy v proektah po energosberezheniyu // Vestnik MGSU. 2009. № 1. S. 164.
5. Sborschikov S.B., Lazareva N.V., Zharov Ya.V. Teoreticheskie osnovy mnogomernogo modelirovaniya ustoychivogo razvitiya investicionno-stroitel'noy deyatel'nosti // Vestnik MGSU. 2014. № 6. S. 165-171.
6. Oficial'nyy sayt kompanii «WinSun» [Elektronnyy resurs]. Rezhim dostupa: http://www.yhbm.com/index.php?a=lists&c=index&catid=67&m=content (data obrascheniya 28.03.2017)
7. Oficial'nyy sayt kompanii «Apis Cor» [Elektronnyy resurs]. Rezhim dostupa: http://www.apis-cor.com (data obrascheniya 28.03.2017)
8. Shuvalov N.E. Celesoobraznost' 3d pechati v maloetazhnom stroitel'stve // Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovacii. 2016. № 11 (67). S. 190-192.
9. Sembaev B.N., Bilyalova S.A. Primenenie 3d pechati v stroitel'stve // Elektronnyy nauchnyy zhurnal. 2016. № 10-3 (13). S. 279-282.
10. Sborschikov S.B., Shinkareva G.N. Razvitie inzhiniringa kak faktora intensifikacii investicionno-stroitel'noy deyatel'nosti // Nauchnoe obozrenie. 2016. № 13. S. 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. Sborschikov S.B., Lazareva N.V. Vliyanie sluchaynyh faktorov na traektoriyu ustoychivogo razvitiya investicionno-stroitel'noy deyatel'nosti na urovnyah ierarhii // Vestnik MGSU. 2015. № 10. S. 162-170.
13. Zhuravlev P.A., Klyuev V.D., Evseev V.G. Ispol'zovanie kvalimetricheskogo podhoda dlya ocenki konkurentosposobnosti investicionnyh stroitel'nyh proektov // Nauchnoe obozrenie. 2014. № 9. C.637-640.
14. Sborschikov S.B., Sviridov I.A. O povyshenii effektivnosti likvidacii vethogo i avariynogo zhil'ya // Nauchnoe obozrenie. 2016. № 22. S. 17-21.
15. Aleksanin A.V., Sborschikov S.B. Sozdanie regional'nogo mehanizma centralizovannogo upravleniya stroitel'nymi othodami // Vestnik MGSU. 2013. № 6. S. 229-235
