В настоящее время тема применения «умных» технологий в малоэтажном жилищном строительстве весьма актуальна как для мировой практики в целом, так и для России, в частности. Во многом это обусловлено тем, что строительная сфера, являясь одной из самых масштабных отраслей национальных экономик, должна постоянно развиваться. А инструментом достижения этого развития является инновационный характер деятельности строительных организаций жилищного профиля.

Кроме того, необходимость реализации инновационной деятельности обусловлена высоким уровнем конкуренции на жилищно-строительном рынке. С целью увеличения своих конкурентных преимуществ его субъекты вынуждены предлагать своим клиентам строительные услуги, основанные на использовании «умных» технологий. Поскольку их применение позволяет строить более мощные, высокие и энергоэффективные жилые объекты. Также «умные технологии» способны повысить качество жилищного строительства и сделать строительные площадки более безопасными.

Следует подчеркнуть, что в то время когда строительные фирмы продолжают недоинвестировать в инновационные технологии, венчурные капиталисты делают большие ставки на будущее «умных» технологий в жилищном строительстве, в том числе и в малоэтажном.

В настоящей работе использованы результаты исследований Афитова Э.Ф. [1], Балашова В.Г. [2], Басовcкого Л.Е. [3], Бланка И.А. [4], Кутяка Т.В. [7], Пластининой Ю.В. [8] и пр. По их данным, технологии, которые еще 20 лет назад казались далеким будущим, становятся все более доступными и применяются на строительных объектах по всему миру.

Далее мы рассмотрим некоторые из них:

1. Информационное моделирование зданий (BIM) – это способ добавления и сохранения информации в проекте с момента его создания и вплоть до его завершения. За информационным моделированием здания стоит трехмерная модель, состоящая из информации о каждом из его компонентов. Она настолько скрупулезна и детальна, что охватывает все возможные способы, с помощью которых можно конкретизировать отдельные элементы. Если какой-либо элемент изменяется, программное обеспечение обновляет модель, чтобы отразить это изменение. Это позволяет модели оставаться последовательной и скоординированной на протяжении всего процесса, так что инженеры-строители, архитекторы, инженеры, дизайнеры, менеджеры проектов и подрядчики могут принимать совместное участие в работе и отсаживании хода проекта. BIM также может охватывать эксплуатацию и управление зданиями с использованием данных, к которым владельцы зданий или сооружений имеют доступ. Это позволяет правительствам, муниципалитетам и управляющим недвижимостью принимать обоснованные решения на основе информации, полученной из модели, даже после того, как здание построено.

2. По-прежнему одной из самых перспективных инноваций в области строительных технологий, появившихся за последнее десятилетие, остается искусственный интеллект (ИИ). Благодаря «обучению» и выявлению паттернов, системы ИИ могут значительно улучшить многие аспекты процесса строительства, включая контроль состояния и безопасности персонала, управление ресурсами и непосредственно проектом в целом.

ИИ дает весьма значительные преимущества для повышения производительности труда при возведении строительных объектов. В то время как строительная отрасль борется с нехваткой рабочей силы и снижением производительности, ИИ помогает заполнить пробелы. Однако ИИ не является точной наукой и моделью естественного человеческого интеллекта. Поэтому ИИ помогает людям, а не заменяет их, особенно в жилищном строительстве, где каждый проект уникален и подвержен воздействию многих внешних факторов.

Дополнительным ограничивающим фактором для внедрения ИИ в жилищном строительстве является его стоимость. Использование автономных транспортных средств и робототехники может увеличить производительность, но это повлечет за собой большие затраты. Капитальные вложения в оборудование наряду с приобретением дополнительного опыта управления такого оборудования подразумевают крупные первоначальные инвестиции для компаний, большинство которых на данном этапе времени тратят только 1% дохода на технологии.

Несмотря на все трудности, ИИ в современном жилищном строительстве находится на подъеме. Подобно применению других инновационных технологий достижениям, компании, готовые совершить скачок в сторону ИИ, будут иметь преимущество перед конкурентами.

Беспилотные летательные аппараты используются для ежедневного проведения инспекций рабочих мест и выявления потенциальных опасностей, для фотографирования хода работ, для создания готовых моделей рабочих площадок, чтобы держать всех участников проекта в курсе меняющихся условий труда.

Благодаря своей способности картографировать огромные участки земли, дроны могут существенно сократить время изучения топографии участка. Это позволит не только обеспечить выполнение жилищного проекта согласно графику и в соответствии с бюджетом, но и обеспечить точность предпроектных этапов. Полученная информация также может помочь определить целесообразность того или иного жилищного проекта.

Кроме того, изображения с высоким разрешением, создаваемые беспилотными летательными аппаратами, могут быть преобразованы в 3D-модели, что позволяет точно определить проблемы на этапе предварительного строительства и выявить всевозможные дальнейшие ошибки, экономя время и деньги в долгосрочной перспективе.

Но отслеживание прогресса – это далеко не единственный способ использования дронов строительными компаниями жилищного профиля. Проводя менее часа в неделю на картографировании рабочего места, подрядчики получают доступ к беспрецедентному количеству знаний почти о каждом аспекте своего проекта.

Еще одной ценной особенностью беспилотных летательных аппаратов в жилищном строительстве является визуализация, которую они могут дать клиентам. Дроны могут производить впечатляющие аэрофотоснимки, позволяющие клиентам получить представление о ходе реализации проекта, особенно когда те физически не могут посетить объект. Это помогает им чувствовать уверенность в том, что их вложения используются эффективно.

Безопасность труда является одним из главных приоритетов многих строительных компаний. В частности, на долю падений приходится 39% случаев гибели рабочих. При проведении ручных измерений рабочим часто приходится подниматься на неустойчивую высоту и ориентироваться в опасных условиях. Дроны могут заменить рабочих в таких ситуациях и снизить риск, с которым сталкиваются рабочие на строительной площадке.

В частности, они могут быть использованы для планового обслуживания крупномасштабных сооружений, таких как мосты, башни и крыши, и строительные леса. Задача, для выполнения которой потребовалась бы целая команда специалистов, заняла бы всего несколько часов с использованием беспилотного летательного аппарата.

3. Автономное тяжелое оборудование, использующее аналогичную технологию как в самоуправляемых автомобилях, в настоящее время используется на рабочих местах для выполнения земляных работ, сортировки и строительных работ. Эта технология позволяет операторам находиться удаленно от машины, помогая компаниям выполнять тот же объем работы с меньшим количеством работников.

Эти машины используют датчики, беспилотные летательные аппараты и GPS для навигации по строительной площадке и проведения работ, основываясь на 3D-моделях местности, чтобы точно выполнить поставленную задачу и оценить участок. Дополненная система GPS, представляющая собой комбинацию локальных базовых станций и спутников, может использоваться для геозоны объекта и позволяет автономному оборудованию перемещаться по объекту с высокой точностью.

Концепция 3D-печати существует уже несколько десятилетий и имеет свою изрядную долю взлетов и падений, но, похоже, снова набирает обороты. Конструкции, использующие 3D-печать, строятся с помощью сверхразмерных принтеров с использованием специальных цементных смесей, которые толще бетона, поэтому отсутствует необходимость в применении опорных балок. Технологии 3D-печати раскрывают совершенно новые возможности, которые недоступны при традиционных методах строительства. Среди его преимуществ можно выделить (рис. 1):

Рис. 1. Преимущества 3D-строительства

1.         Гибкость конструкции. 3D-печать позволяет проектировать и печатать более сложные конструкции, чем традиционные производственные процессы. Более традиционные процессы имеют конструктивные ограничения, которые больше не применяются в жилищном строительстве при использовании 3D-печати.

2.         Низкие затраты на строительство. 3D-печатные здания имеют гораздо более низкую стоимость строительства, чем те, которые строятся традиционными методами из-за сокращения количества сырья и, что более важно, рабочей силы. Затраты на рабочую силу архитектурных проектов могут быть уменьшены до 80%, если большая часть строительства будет завершена с помощью 3D-принтеров. Производственные затраты также снижаются за счет устранения необходимости в содержании больших складских помещений и необходимости ежедневной транспортировки строительных материалов.

3.         Быстрое прототипирование. 3D-печать позволяет изготавливать детали в течение нескольких часов, что ускоряет процесс прототипирования. Это в жилищном строительстве позволяет быстрее завершить каждый этап. По сравнению с механической обработкой прототипов, 3D-печать является недорогой и более быстрой при создании деталей, поскольку деталь может быть закончена в течение нескольких часов, что позволяет выполнять каждую модификацию конструкции с гораздо более эффективной скоростью.

4.         Печать по требованию. Печать по требованию − это еще одно преимущество, поскольку для хранения запасов не требуется много места, в отличие от традиционных производственных процессов. Это экономит место и затраты, так как нет необходимости печатать оптом, если это не требуется. Все файлы 3D-дизайна хранятся в виртуальной библиотеке, поскольку они печатаются с использованием 3D-модели в виде файла CAD или STL, а это означает, что их можно найти и распечатать при необходимости. Правки в проекты могут быть сделаны с очень низкими затратами путем редактирования отдельных файлов без потери устаревших запасов и инвестиций в инструменты.

5.         Прочные и легкие детали. Основным используемым материалом для 3D- печати является пластик, хотя некоторые металлы также могут быть использованы для 3D-печати. Однако пластмассы имеют свои преимущества, поскольку они легче своих металлических эквивалентов. Это особенно важно в таких отраслях, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, где легкий вес является проблемой и может обеспечить большую топливную экономичность. Кроме того, детали могут быть созданы из специально подобранных материалов для обеспечения определенных свойств, таких как термостойкость, более высокая прочность или водоотталкивающая способность.

6.         Сокращение сроков строительства. В зависимости от конструкции и сложности детали могут быть напечатаны в течение нескольких часов, что намного быстрее, чем формованные или обработанные детали. Это не только изготовление детали с помощью 3D-печати, которая может сэкономить время, но и ускорить непосредственно сам процесс проектирования строительного объекта. Это может быть чрезвычайно полезно во время чрезвычайной ситуации, когда конструкции должны быть построены в кратчайшие сроки.

7.         Минимизация отходов. Производство деталей требует только материалов, необходимых для самой детали, с небольшими потерями или без них по сравнению с альтернативными методами, которые вырезаются из больших кусков неперерабатываемых материалов. Этот процесс не только экономит ресурсы, но и снижает стоимость используемых материалов.

Использование 3D-печатной конструкции для архитектурных проектов является более экологичным. При использовании очень небольшого количества энергии печатная конструкция будет генерировать только около 30% отходов, которые производит обычный строительный проект. Компоненты печатаются по требованию, и любой неиспользуемый материал может быть легко переработан для дальнейшего использования. Цементная смесь, используемая в 3D-принтерах, может быть изготовлена из переработанного пластика и других материалов.

8.         Новые формы. 3D-печать может создавать дизайнерские формы и конструкции, которые ранее казались бы невозможными или были бы очень дорогими, если бы это было сделано традиционным методом. Принтеры могут точно размещать небольшие количества бетона именно там, где это необходимо для сложных форм, что значительно расширяет возможности архитекторов при проектировании объекта.

9.         Сокращение сроков строительства. Использование 3D-принтера для завершения строительного проекта может значительно сократить срок строительства. Получение дома, построенного с помощью 3D-технологии, может быть завершено примерно за месяц в полтора раза по сравнению с обычным 6-месячным периодом строительства.

10.       Открытый доступ. 3D-принтеры становятся все более доступными, и все больше местных предприятий предлагают аутсорсинговые услуги для выполнения производственных работ. Это экономит время и не требует больших транспортных расходов по сравнению с более традиционными производственными процессами, производимыми за рубежом в таких странах, как Китай.

Основываясь на результатах исследований Пластининой Ю.В. [8], Ростиславова Р.А. [10], Когдаденко В.Г. [6], а также Мирджалиловой Л.Ш., Узбековой Е.К. и Зияева М.К. [5], авторы настоящей публикации сравнили преимущества и недостатки традиционного кирпичного домостроения и применения 3D-принтеров при ведении индивидуального жилищного строительства. В этих целях было осуществлено технико-экономическое обоснование выбора 3D-принтера и кирпича при строительстве двухэтажного коттеджа, построенного с помощью 3D-принтера и кирпича, площадью S=340 кв. м., которое состоит из ряда шагов и представлено ниже.

I. Определение производственной программы и производственной мощности предприятия.

Производственная мощность предприятия традиционно определяется по следующей формуле:

                                                   Мпред = Nоб * Пч * Фэф                              (1), где

Nоб – число однотипного оборудования;

Пч – часовая производительность единицы оборудования (т, м², шт.);

Фэф – эффективный фонд времени работ оборудования.

Рассчитаем производственную мощность предприятия для 3D-печати:

Фэф = (14*1*8)*((100-0,02)/100) = 112*1 = 112 ч.

Мпред = 3*5*112= 1680 кв.м.

Рассчитаем производственную мощность предприятия для строительства объекта из кирпича:

Фэф = (21*1*8)*((100-0,02)/100) = 168*1 = 168 ч.

Мпред = 3*1*168= 504 кв.м.

Главным условием обоснования запланированного объема производственной программы является соблюдение следующего условия: М пред. ³  ПП. Для 3D-печати: 1680 кв.м. > 340 кв.м. Для кирпича: 504 кв.м. > 340 кв.м.

Таблица 1

Производственная программа строительства объекта из кирпича и на основе 3D-печати

II. Основные средства (фонды), необходимые для проекта. В табл. 2 и 3 представлено обоснование выбора необходимых основных средств для строительства из кирпича и на основе 3D-печати.

Таблица 2

Основные средства (фонды), необходимые для строительства объекта на основе 3D-печати

Таблица 3

Основные средства (фонды), необходимые для строительства объекта из кирпича

Несмотря на явное превышение стоимости основных фондов для строительства индивидуального жилого дома на основе 3D-печати над стоимостью основных средств для строительства из кирпича, следует сказать, что это кратковременная мера, вначале необходимо приобрести 3D-принтер, в дальнейшем он уже будет служить постоянно в рамках срока полезного использования.

В качестве метода начисления амортизации выбран нелинейный метод, поскольку он позволит быстрее распределить стоимость основных фондов до их полного износа и заложить их стоимость в себестоимость жилья.

III. Оборотные средства (фонды), необходимые для проекта.

В табл. 4 и 5 приведена группировка оборотных средств, необходимых для реализации данного жилищного проекта.

Таблица 4

Оборотные средства (фонды), необходимые для строительства    

на основе 3D-печати

Таблица 5

Оборотные средства (фонды), необходимые для строительства объектов из кирпича

Сравнивая стоимость оборотных средств для строительства объектов на основе использования 2 материалов, следует сделать вывод, что строительство на основе 3D-печати требует меньше оборотных средств, чем строительство из кирпича.

На следующем этапе необходимо определить энергопотребление основных фондов по форм. 2 (см. табл. 6 и 7):

Э = Мэп * Ч * Ц                                          (2),

где Э – стоимость потребления электроэнергии;

Мэп – мощность энергопотребителей  приборов;

Ч – часы работы в год электроприборов;

Ц – цена 1 Квт/час.

Таблица 6

Расчет стоимости электроэнергии для строительства    

на основе 3D-печати