УДК 69.001.5 doi: 10.33622/0869-7019.2023.12.83-97
Алексей Олегович АДАМЦЕВИЧ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, adamtsevichao@mgsu.ru Андрей Петрович ПУСТОВГАР, кандидат технических наук, доцент, научный руководитель, pustovgarap@mgsu.ru Любовь Андреевна АДАМЦЕВИЧ, кандидат технических наук, доцент, зав. лабораторией энергоэффективности, экологии и устойчивого развития, adamtsevichla@mgsu.ru Научно-исследовательский институт строительных материалов и технологий Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (НИУ МГСУ), 129337 Москва, Ярославское ш., 26 Аннотация. В работе представлен обзор ключевых тенденций развития рынка строительной 3D-печати с использованием отечественного и зарубежного опыта применения технологии аддитивного строительного производства методом послойной экструзии бетона при возведении пилотных строительных объектов в разных странах мира. На основе проведенного обзора выполнены систематизация особенностей конструктивных и объемно-планировочных решений и анализ функционального назначения строительных объектов, при возведении которых наиболее оправданно применение технологии аддитивного строительного производства. Сформулирован перечень типов строительных объектов, при возведении которых с использованием технологии аддитивного строительного производства может быть достигнут максимальный технико-экономический эффект в сравнении с традиционными технологиями строительства, а именно: при строительстве объектов, для которых значительная доля сметы приходится на возведение вертикальных конструкций, прежде всего одноэтажных зданий и сооружений различного назначения с легкой кровлей; при возведении большого количества типовых объектов в одной локации, что обеспечивает сокращение экономических затрат и затрат рабочей силы; при сооружении сложных архитектурных форм и реализации уникальных объемно-планировочных решений; в условиях сложного доступа к рабочей силе, включая полевые походные условия. Ключевые слова: аддитивные технологии, строительная 3D-печать, 3D-печать бетоном, пилотные проекты, экспериментальное строительство, малоэтажное домостроение Для цитирования: Адамцевич А. О., Пустовгар А. П., Адамцевич Л. А. Аддитивное строительное производство: обзор мирового опыта // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 12. С. 83 97. doi: 10.33622/0869-7019.2023.12.83-97
Введение
Развитие аддитивного строительного производства (строительной 3D-печати) открывает возможность сокращения сроков производства строительно-монтажных работ, снижения себестоимости и материалоемкости строительства, а также сокращения потребности в рабочей силе за счет автоматизации трудоемкого процесса производства бетонных работ. Пилотные объекты капитального строительства, возведенные с применением технологии аддитивного строительного производства, начали появляться в разных странах, включая Россию, в период с 2014 по 2016 гг., а на сегодня количество таких объектов в мире исчисляется сотнями. Первый опыт применения новой технологии показал, что строительная 3D-печать может стать драйвером развития инфраструктурных проектов за счет повышения производительности труда и обеспечения сокращения продолжительности инвестиционно-строительного цикла. Однако ни одна технологи не может гарантировать достижение экономического эффекта во всех случаях. Поэтому цель настоящей работы обзор мировой практики применения строительной 3D-печати с учетом назначения реализуемых пилотных объектов, используемых проектных решений, климатических условий строительства и других факторов дл выбора наиболее актуальных областей применения новой технологии.
Аддитивные технологии в строительстве
Учитывая высокую технологическую и ресурсную емкость строительной индустрии, дл изготовления отдельных элементов и деталей, применяемых как в процессе строительства, так и на этапе эксплуатации зданий и сооружений, в том или ином виде могут применяться все известные на сегодня технологии и способы аддитивного производства согласно классификации технологических процессов по ГОСТ Р 57589 2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы». В то же врем выбор конкретного процесса зависит как от требуемых характеристик изделия, так и от доступности материалов и экономической эффективности производственного процесса. В этой связи дл возведения несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения подходят не все известные технологии и материалы, используемые в аддитивном производстве, а лишь те из них, которые обеспечивают достаточную конкурентоспособность конечной продукции с точки зрения себестоимости производства в сравнении с традиционными технологиями строительства. На сегодня наиболее распространенный способ применения аддитивных технологий в строительстве 3D-печать бетоном, выполняема методом экструзии (3D Concrete Printing или сокращенно 3DCP в международной терминологии) [1, 2]. Под бетоном при этом понимается смесь минеральных вяжущих (портландцемент, алюминатный цемент, гипс, комплексные ГЦПВ и др.) и мелкого заполнителя (максимальный размер частиц не более 5 мм). Перспективным является также подход, основанный на печати зданий и сооружений с применением наполненных биоразлагаемых композитов на основе фотополимерных смол, предлагаемый, например, такими компаниями, как Mighty Buildings [3]. Такой подход обеспечивает значительный потенциал сокращения углеродного следа строительной продукции, однако он пока не получил столь массового распространения в гражданском строительстве, как печать материалами на основе минеральных вяжущих, из-за более высокой себестоимости материала и необходимого оборудования. Учитывая сказанное, в настоящей работе под строительной 3D-печатью и аддитивным строительным производством будут подразумеваться процессы изготовления строительных конструкций, зданий и сооружений из бетона в соответствии с терминологией ГОСТ Р 59095 2020 «Материалы дл аддитивного строительного производства. Термины и определения».
Развитие рынка строительной 3D-печати
Прародителем технологии аддитивного строительного производства (далее технологи АСП) как технологии 3D-печати бетоном методом послойной экструзии принято считать [1, 4] концепцию Contour Crafting, описанную в конце ХХ в. Б. Хошневисом из Университета Южной Калифорнии [5]. Одной из ее важных особенностей стал принцип компьютерного управления процессом послойной экструзии материала (в том числе бетона) с затиранием поверхности дл получения гладких плоских поверхностей заданной формы с минимальными допусками [6, 7]. Следует однако отметить, что одноименна компани Contour Crafting Corporation дл коммерциализации идеи Contour Crafting была создана лишь в 2017 г., когда перспективы развития строительной 3D-печати в мире уже не вызывали сомнений. Несмотря на то, что прикладные исследование велись в США еще несколько десятилетий назад, первые массовые упоминания о практическом применении аддитивного строительного производства дл возведения реальных строительных объектов относятся к 2013 2014 гг., когда в международных изданиях были опубликованы отчеты о печати 10 жилых модулей компанией Winsun в Китае (рис. 1) [8], а также малой архитектурной формы в виде средневекового замка в США (рис. 2) [9], созданной выходцем из России А. Руденко с командой Total Kustom. В 2015 2017 гг. компанией «Спецавиа» (ныне AMT) было построено первое в России здание с использованием аддитивной технологии (рис. 3) [10]. Все указанные объекты объединяет то, что 3D-печать использовалась дл изготовления печатных блоков, которые затем собирали в готовый объект на строительной площадке. Однако уже в 2015 г. компани Total Kustom начала строительство гостиницы площадью 120 м2 на Филиппинах [11] с монтажом строительного 3D-принтера портальной конструкции непосредственно на строительной площадке (рис. 4). А в 2017 г. в России в г. Ступино компани Apis Cor впервые в мире реализовала пилотный проект строительства офисного здания площадью 37 м2 с использованием мобильного строительного 3D принтера стреловидной конструкции, работающего по аналогии с башенным краном (рис. 5) [12]. С учетом успешной реализации пилотных проектов, во всем мире начался этап активного развития технологий строительной 3D-печати дл возведения объектов различного функционального назначения, который сопровождался ростом прикладных научных исследований в данной области [13]. Сегодня становится все более заметен прогресс в сфере индустриализации технологии АСП, когда она перестает использоваться лишь дл экспериментального строительства и начинает все активнее конкурировать в отдельных сегментах строительного рынка с традиционными технологиями домостроения по всему миру. Таким образом, мировой рынок аддитивного строительного производства, который начал формироваться менее 10 лет назад, уже к 2021 г. оценивался примерно в 370 млн дол. и по некоторым прогнозам [14] способен увеличиться в тысячи раз в течение последующего десятилетия.
Анализ мирового опыта возведени пилотных объектов с применением технологии АСП
В этом разделе в хронологическом порядке представлена информация о некоторых знаковых пилотных объектах, реализованных в разных странах и в разные годы с применением технологии АСП. «Дозорная башня замка Винтерфелл», г. Артемовский, Росси (2016 г.). Одноэтажный объект нежилого назначения был построен в г. Артемовском Свердловской обл. (рис. 6).
Конструкция возведена с помощью портального строительного 3D-принтера как апробация дипломного проекта [15]. Его особенностью является то, что он стал одним из первых, построенных с применением технологии АСП в условиях отрицательной температуры окружающего воздуха, характерной для осенне-зимнего периода Урала и средней полосы России. Объект The BOD, г. Копенгаген, Дани (2017 г.), первое здание в Западной Европе [16], возведенное при помощи строительного 3D-принтера портальной конструкции с целью показа, как такая технология может изменить традиционные подходы к строительству (рис. 7). Здание имеет площадь 50 м2, и его проект не предполагал возведение ни одной полностью прямой стены. Это было сделано специально для того, чтобы продемонстрировать возможность создания усложненных конструкций без дополнительных затрат благодаря применению концепции аддитивного строительного производства. R&Drone, г. Дубай, ОАЭ (2017 г.). Первая в мире лаборатория, напечатанная на 3D-принтере, находится в здании Исследовательского центра дронов [17]. Объект площадью 168 м2 (рис. 8) возведен компанией CyBe Construction по заказу Управления электроэнергетики и водоснабжения г. Дубая при помощи принтера на основе робота-манипулятора за 46 ч машинного времени в течение трех недель. Это был первый проект открытого тендера, в котором задействованы технологии строительной 3D-печати. Объект включен в книгу рекордов Гиннесса. Chicon House, г. Остин, США (2018 г.). Проект первого напечатанного на строительном 3D принтере жилого дома в США (рис. 9) создан некоммерческой организацией New Story как прототип доступного дома, разработанного с учетом потребностей развивающихся стран. Дом площадью около 32 м2 окружен открытой верандой, в нем имеются две спальни, ванная и кухня [18]. Пилотный объект был напечатан с помощью строительного 3D принтера первого поколения от компании ICON в течение нескольких дней. Стоимость объекта оценена в 10 000 дол. Сама длинна напечатанная конструкция г. Сучжоу, Китай (2019 г.). Компания Win-Sun реализовала проект строительства крупнейшей в мире напечатанной конструкции 432-метровой стены вдоль р. Янцзы в г. Сучжоу, в 80 км от Шанхая (рис. 10). Стена высотой около 1,5 м призвана защищать от наводнений. Конструкция создавалась путем 3D-печати отдельных модулей и их последующей сборки на строительной площадке. Материал разрабатывался с применением отходов строительного производства и металлургической промышленности [19]. Почтовое отделение, г. Халасуру, Инди (2019 г.). Первое в мире почтовое отделение (рис. 11), возведенное в Индии с помощью технологии строительной 3D-печати [20], по заявлению авторов проекта из компании L&T Construction, обошлось примерно на 75 % дешевле использовании традиционных технологий строительства.
Дизайнерские колонны от компании ETH Zurich, Швейцария (2019 г.), были созданы в рамках студенческого проекта в ETH Zurich [21] с целью наглядно показать перспективы применении технологии АСП дл реализации творческих задумок архитекторов (рис. 12).
Здание муниципалитета, г. Дубай, ОАЭ (2019 г.). Компани Apis Cor при помощи мобильного принтера собственного производства, работающего в полярных координатах, напечатала здание высотой 9,5м и площадью 640 м2 (рис. 13) дл муниципалитета г. Дуба [22]. На момент завершении строительства в 2019 г. объект стал самым большим из когда-либо напечатанных на 3D-принтере объектов, что позволило ему попасть в книгу рекордов Гиннесса.
При строительстве использовался материл на основе местного сырья, разработанный в рамках научно-технического сопровождения проекта со стороны НИУ МГСУ. Печать проводилась на открытом воздухе, без устройства тепляков, чтобы продемонстрировать, что технологи может использоваться в суровых климатических условиях, способствующих тепломассопереносу в тонких слоях свежеуложенной бетонной смеси. Строительный 3D-принтер перемещали по площадке с помощью крана, чтобы печатать различные захватки возводимого объекта. Здание строилось на монолитном фундаменте, изготовленном по традиционной технологии. Колонны здания сооружались в два этапа: сначала с помощью строительного 3D-принтера возводилась несъемная опалубка, после чего в нее укладывали обычную бетонную смесь. Это позволило выполнять расчет и армирование несущих конструкций с использованием традиционных подходов и норм, применяемых в монолитном строительстве. Дл устройства перекрытий использовались сборные плиты, а монтаж оконных блоков и кровли выполнялся подрядчиком уже после завершения работы 3D принтера.
Первое двухэтажное здание в Индии (2020 г.). Пилотный проект компании L&T Construction по возведению двухэтажного жилого здани с применением технологии строительной 3D-печати бетоном (рис. 14),т.е.первый подобный проект, был реализован в Индии [23]. Целью проекта стала демонстраци потенциала применени аддитивного строительного производства дл реализации индийской государственной программы «Жилье дл всех», в рамках которой правительство страны планирует построить 60 млн домов экономкласса для обеспечения жильем малоимущих слоев населения.
Апартаменты PERI 3D Construction, г. Валленхаузен, Германия (2020 г.). Проект заявлен как первый в мире многоквартирный жилой дом (рис. 15) [24], реализованный группой PERI GmbH на территории Баварии в целях демонстрации возможностей архитектуры будущего [25]. На сегодняшний день здание остается крупнейшим жилым объектом в Европе, напечатанным на 3D принтере. Оно состоит из подвала и пяти квартир на трех этажах. Жила площадь объекта составляет порядка 380 м2. Предполагается, что реализация подобных типовых объектов «под ключ», с учетом отработки технологии строительной 3D-печати, будет возможна не более чем за шесть недель. Важной особенностью проекта можно назвать активное участие в нем компании PERI, которая производит опалубочные системы дл монолитного домостроения. С 2018 г. компани стала акционером производителя портальных строительных 3D-принтеров COBOD, что подтверждает потенциал замещения части рынка монолитного домостроения технологией строительной 3D-печати в будущем. KIEM, г. Вестерло, Бельгия (2020 г.). Проект KIEM («Knowledge Sharing Inspiration Elimination barriers Market Introduction») можно перевести как «Обмен знаниями Вдохновение Устранение барьеров Внедрение на рынок». Заявленная цель проекта (рис. 16) [26] связана с решением задачи внедрения новых технологий строительства во Фландрии (Бельгия). Важной целью проекта было показать, что современна строительная отрасль изменяется и переходит от этапа преобладания грязных и трудоемких физических процессов к использованию высокотехнологичных подходов и современной производственной техники. Реализация проекта происходила с использованием портального строительного 3D-принтера с привлечением государственных субсидий. Обща стоимость проекта составила 807 750 евро. Объекты военного назначения от компании ICON, США (2020 2021 гг.). Компани ICON совместно с отделом оборонных инноваций США разработала прототипы различных конструкций, возводимых с применением технологий АСП, предусматривающих возможность быстрого развертывания в полевых условиях, в том числе при ведении военных действий. В частности, были разработаны модульные конструкции, изготовляемые с применением строительного 3D-принтера для оперативного развертывания укрытий дл военной техники (рис. 17) [27]. В 2021 г. был реализован проект строительства казарм дл военного министерства в штате Техас [28] с использованием технологии АСП. На момент строительства вытянутый в длину объект стал самым большим по площади объектом, напечатанным с помощью 3D-принтера (рис. 18). Печать такого объекта стала возможной благодаря рельсовой конструкции принтера ICON, спроектированного дл поточной печати жилых домов вдоль одной оси, например улицы. Одноэтажный жилой дом с трем спальнями и гаражом, г. Калвертон, США (2021 г.), первый реализованный проект от компании SQ4D, позиционируемый как крупнейший на момент строительства жилой дом, напечатанный на 3D-принтере портальной схемы собственной разработки, а также первый подобный объект, получивший необходимые разрешения в США на эксплуатацию в качестве жилого строительного объекта [29]. Площадь дома (рис.19) составляет 180 м2, на печать ушло 48 ч в течение восьми дней. Печать выполнялась непосредственно на строительной площадке с использованием местных материалов, себестоимость которых, по заявлению авторов проекта, составила всего 6 000 дол. Кроме того, печать дома выполнялась в зимний период, в том числе при низкой положительной и слабой отрицательной температуре.
Первый объект напечатанной жилой недвижимости, г. Риверхед, США (2021 г.), от компании SQ4D, который, по заявлению застройщика, является первым в мире домом, выставленным на продажу через портал риэлторских услуг и получивший свидетельство о заселении [30]. Второе утверждение, вероятно, не соответствует действительности, поскольку первый жилой дом на территории России, возведенный с использованием технологии АСП в Ярославле еще в 2017 г., также официально зарегистрирован и в нем проживает семья основателя компании «Спецавиа». Стоимость объекта для конечного покупателя составила 299 999 дол. В жилой части дома свободной планировки площадью 130 м2 предусмотрено три спальни и две ванные комнаты. Также в доме имеется гараж площадью 70 м2 (рис. 20).
Двухэтажный коттедж, г. Беккум, Германи (2021 г.), был напечатан с помощью портального строительного 3D-принтера от компании COBOD [31]. Коттедж спроектирован архитектурным бюро Mense Korte Architekten и построен компанией PERI 3D Construction (рис. 21). Здание имеет жилую площадь 160 м2:по80м2 на каждом этаже. Все конструкции, выполняемые с использованием технологии АСП, печатались непосредственно на строительной площадке в своем проектном положении без использовани дополнительной монтажной сборки. Особенностью проекта являлось активное использование 3D-принтера дл печати элементов интерьера, таких как ниши дл каминов и ванных, одновременно с возведением самонесущих строительных конструкций и несъемной опалубки под бетонирование несущих вертикальных конструкций.
Офисная пристройка, г. Хауслайтен, Австрия (2021 г.), первая в Европе пристройка к офису, напечатанная на 3D-принтере и первое здание в Австрии, построенное с применением технологии АСП (рис. 22). Здание площадью 125 м2 было напечатано за 45 ч [32].
Жилой дом дл одной семьи в традиционном американском стиле, г. Вильямсбург, США (2021 г.). Организация Habitat for Humanity активно продвигает возможность применения технологии АСП дл создания доступного жиль на территории США и Канады. Одним из объектов, реализованных с применением портального строительного 3D принтера, стал одноэтажный жилой дом в Вильямсбурге площадью 110 м2 с трем спальнями, реализованный в сотрудничестве с компанией Alquist [33]. На печать стен дома на 3D принтере ушло около 28 ч, при этом изнутри объект практически не отличается от любого другого современного жилого дома в США, возведенного по традиционным технологиям. Применение технологии строительной 3D-печати позволило снизить себестоимость строительства примерно на 15% за 1м2. Авторы проекта (рис. 23) утверждают, что использование бетона дл печати ограждающих конструкций сделало дом более устойчивым к торнадо, сейсмическим воздействиям и пожарам, чем большинство аналогичных жилых объектов на территории страны. Кроме того, ограждающие конструкции обеспечивают улучшенные теплоизолирующие свойства, что сокращает долгосрочные затраты на отопление и кондиционирование жиль дл будущих владельцев. Павильон в форме кота, г. Ярославль, Росси (2021 г.), представляющий собой сложную архитектурную форму (рис. 24), возвела команда 3D4Art с использованием цехового портального строительного 3D-принтера от компании АМТ. Фигура кота изготовлена из бетона путем печати полых сборных элементов в цеховых условиях с последующей сборкой на строительной площадке и заполнением полостей внутри конструкций пенобетоном. Куб имеет сварную металлическую конструкцию с остеклением из поликарбоната. Проект реализован в целях демонстрации возможностей применения технологии строительной 3D-печати дл реализации проектов сложной архитектурной формы [34]. Напечатанная школа, г. Салима, Малави (2021 г.). Летом 2021 г. организация 14Trees объявила о вводе в эксплуатацию первой в мире школы, построенной с использованием технологии АСП [35] (рис. 25) в районе с населением 38 тыс. человек. Ее стены были напечатаны за 18 ч, что в разы быстрее, чем при использовании традиционных технологий строительного производства. Проект реализован дл демонстрации того, что 3D-печать может играть ключевую роль в преодолении разрыва в мировой образовательной инфраструктуре благодаря возможности строительства высококачественной учебной инфраструктуры дл детей с применением устойчивых, современных и доступных технологий. Авторы проекта утверждают, что такой способ печати с максимальным использованием местных материалов способен обеспечить сокращение до 50 раз негативного влияния строительной отрасли на экологию по сравнению с традиционными технологиями. Отмечается, что задачу возведения 36 000 классных комнат, которых сегодня не хватает в Малави, с использованием технологии АСП возможно реализовать за последующие 10 лет, в то врем как при использовании традиционных технологий решение этой задачи потребует в 7 раз больше времени. Одноэтажный жилой коттедж, о. Борнео, Малайзия (2022 г.), это первый жилой коттедж в малазийской части о. Борнео от компании SCIB (рис. 26), возведенный с использованием портального строительного 3D-принтера [36]. Напечатанный дом площадью 90 м2 расположен на территории Совета по развитию строительной индустрии Малайзии (CIDB) и используется в качестве помещения Малайзийской строительной академии (ABM). Известно, что общее врем печати составило 46 ч, обща длина экструдированного печатного слоя я 9км, что соответствует послойной укладке 145 слоев бетона высотой 2 см. Кофейня, туалет и рыбацкий домик, Оман (2022 г.). В 2022 г. компани GUtech напечатала три здания за восемь дней в специальной экономической зоне Омана: кофейню, общественный туалет и рыбацкий домик (рис. 27) [37]. Коммерческая кофейня площадью 81 м2 стала первым в мире объектом подобного рода, построенным с использованием технологии АСП. Общее врем печати здания 22 ч машинного времени, что эквивалентно трем днм работы на объекте при стандартной восьмичасовой смене участвующей в проекте команды. Расход материала дл аддитивного строительного производства составил 19,6 м3. Сам материл на 99 % состоял из местного сырь. Втора новостройка представляет собой общественный туалет площадью 20 м2. Общее врем печати 13 ч, печать производилась в течение двух дней. На строительство здания высотой 3,5 м потребовалось 10,6 м3 материала дл аддитивного строительного производства. Последнее напечатанное здание представляет собой рыбацкий дом площадью 72 м2 и было напечатано за 19 ч в течение двух дней. Объект имеет высоту 3 м, и на его постройку ушло 17,3 м3 бетона. Обща себестоимость материала дл печати всех трех объектов составила 3 600 дол. По итогам реализации проекта местные власти одобрили метод строительства с использованием технологии АСП и предоставили разрешение на реализацию новых проектов в регионе с использованием строительных 3D-принтеров.
Вилла в пустыне, г. Эр-Рияд, Саудовская Аравия (2022 г.). Это первая вилла в Саудовской Аравии, созданная с использованием технологии строительной 3D-печати (рис. 28) компанией Dar Al Arkan. Двухэтажна вилла высотой 9,9 м расположена в столице государства на территории жилого комплекса Шамс Аль-Рид [38]. Застройщик делает особый акцент на том, что при реализации проекта применялись строгие процедуры и подход, основанный на доказательной базе, чтобы исключить сомнения в соответствии объекта общепринятым стандартам надежности и безопасности зданий и сооружений. При этом строительство велось в середине лета, без использования дополнительных мер дл охлаждения или защиты возводимых конструкций от солнца, что подтверждает перспективность применения новой технологии в жарком пустынном климате. Проект реализован в рамках содействия достижению целей государственной программы Saudi Vision 2030, поощряющей проекты, направленные на диверсификацию и цифровизацию экономики. Отмечается также, что после завершения пилотного объекта компани приступила к возведению второй виллы, а также тот факт, что применение технологии АСП позволило сократить сроки возведения этажа здания в 3,5 раза по сравнению с традиционными методами. House Zero, г. Остин, США (2022 г.), это дом площадью более 185 м2 с трем спальнями и дополнительный жилой блок площадью 32 м2 с одной спальней и ванной комнатой. Стены здания изготовлены из бетона с помощью строительного 3D принтера от компании ICON за две недели, что, по заверениям автора проекта, обеспечило значительную экономию времени строительства и сокращение материалоемкости [39]. Здание (рис. 29), спроектированное компанией Lake|Flato, имеет необычные архитектурные решения и энергоэффективный дизайн, что призвано подчеркнуть преимущества технологии АСП. Напечатанное здание отмечено множеством наград архитектурного и дизайнерского сообщества, в том числе проект был признан одним из лучших изобретений 2022 г. по версии TIME, проектом года по версии журнала «Builder Magazine» в номинации Builder's Choice Design Awards 2022 и удостоен множества других наград. Медицинский центр, г. Сарабури, Таиланд (2023 г.). Производитель цемента и строительных материалов в Юго-Восточной Азии Siam Cement Group (SCG) реализовал проект первого в мире медицинского центра, напечатанного на 3D-принтере [40]. Фасад двухэтажного здания площадью 345 м2 (рис. 30) имеет характерную волнистую форму, которую стало возможным выполнить благодаря технологии АСП. Проект реализован с использованием портального строительного 3D-принтера. Здание проектировалось с учетом возможности выдерживания сейсмических нагрузок, и при его строительстве применялись два различных состава материалов дл строительной 3D-печати, соответствующих классу бетона по прочности C75/80 и C30/35 дл несущих и самонесущих конструкций соответственно.
Крупнейший в мире напечатанный жилой дом, г. Хьюстон, США (2023 г.). Компани PERI 3D Construction совместно с архитектурной дизайнерской фирмой HANNAH и строительно-инжиниринговой компанией CIVE реализовали проект печати элитного жилого дома в штате Техас, который на сегодня является крупнейшим в мире объектом жилого назначения, возведенным по технологии АСП [41]. Объект общей площадью более 370 м2 [42] имеет максимальную высотную отметку 12,2 м на уровне дымохода, а также двойные наружные стены дл повышенной изоляции, что, по заявлению авторов проекта, делает дом водо-, ветро и огнестойким. Авторы также отмечают, что этот объект призван, помимо прочего, продемонстрировать возможности технологии 3D-печати дл массовой застройки и реализации дизайнерских решений, объединяющих традиционные методы строительства, что обеспечивается благодаря гибридному методу строительства, сочетающему 3D-печать бетона с деревянным каркасом. Такой подход позволяет достигать синергетического эффекта от совместного использования различных технологий строительства, а также обеспечивает сохранение спроса на традиционные дл американского строительного рынка материалы, где деревянный каркас является одной из наиболее распространенных технологий строительства. Здание включает в себ набор ядер, изготовляемых с использованием технологии АСП и содержащих функциональные пространства и лестницы. Пространственные ядра соединены деревянным каркасом, создавая архитектурное чередование бетонных и каркасных интерьеров. Отмечается, что в процессе реализации проекта потребовалось внести несколько изменений в архитектурные и объемно-планировочные решения, в результате чего на строительство объекта (рис. 31) ушел почти целый год с июл 2022 г. по май 2023 г.
Первое в мире здание за Полярным кругом, г. Лабытнанги, Росси (2023 г.), представляющее собой капсулу отдыха дл сотрудников производственной базы «Газпромнефть Снабжение» [43], было построено (рис.32) в рамках сотрудничества предприятия с проектом 3D4Art [44]. В качестве оборудования для аддитивного строительного производства использовался портальный строительный 3D-принтер от российского производителя AMT. По данным компании-заказчика, это оказалось на 30 % дешевле и в 1,5 раза быстрее, чем при использовании традиционных способов строительства. На данный момент здание является самым северным объектом в мире, реализованным по технологии АСП. Другими особенностями проекта можно считать эффективную реализацию концепции печати внутренних элементов интерьера одновременно с конструктивными элементами здания, а также уникальную декоративную перфорацию фасада, которая была выполнена непосредственно в процессе строительства при помощи 3D-принтера.
Анализ мирового опыта возведени пилотных объектов с применением технологии АСП
По данным [45], которые вероятнее всего значительно занижены, к концу 2022 г. в общей сложности на 105 строительных площадках в Америке, Азии, Европе и Африке было напечатано не менее 129 зданий из бетона. Отмечается, что более 40 % всех реализованных проектов напечатано в том же 2022 г., что говорит о быстром развитии и росте рынка строительной 3D-печати в мире и соответствует более ранним прогнозам развития данного сегмента строительного рынка. В последние годы наметилась явна тенденция перехода рынка строительной 3D-печати от возведения единичных пилотных объектов к более массовой застройке территорий, что свидетельствует об индустриализации технологии. Так, дальнейшее развитие концепции проекта Chicon House от организации New Story [46] и компании ICON привело к идее, что в случае перехода на массовое строительство типовых однотипных домов эконом-класса их площадь можно увеличить, а скорость строительства и стоимость дополнительно сократить. Воплощение этой идеи стало возможным благодаря оптимизации процесса печати и создания более производительного оборудования, а также возможности возведения не только отдельных объектов, но последовательной застройки целых улиц с использованием всего одного строительного 3D-принтера (рис. 33). В конце 2019 г. New Story приступила к реализации проекта застройки деревни в штате Табаско (Мексика) доступными жилыми домами, возводимыми по технологии строительной 3D-печати [47]. Проект рассчитан на несколько лет и реализуется до сих пор. В конечном итоге проект предусматривает печать до 500 подобных домов площадью порядка 50 м2. При этом указывается, что печать одного дома с помощью используемой в данный момент обновленной версии принтера занимает около 24 ч. Другой похожий проект строительства жиль дл малообеспеченных слоев населения был реализован компанией ICON в 2020 г. в г. Остин, штат Техас, США [48]. В данном случае типовые социальные жилища площадью 40 50 м2 строились дл размещения бездомных граждан (рис. 35).
Летом 2021 г. компани АМТ-Спецавиа приступила к строительству коттеджного поселка в Ярославской обл. из 12 домов, возводимых с помощью портального 3D-принтера модели S-300 собственной разработки [49]. Согласно заявлениям компании, возведение одного дома площадью 46 м2 будет обходиться в 914 тыс. р. без учета отделки. Дома планируется использовать дл временного размещения студентов учебного центра компании (рис. 36). В 2021 г. был возведен жилищный комплекс из нескольких двухэтажных домов площадью от 85 до 185 м2 в г. Остине, США, которые уже сложно отнести к категории эконом-класса [50]. Уникальность проекта заключается в том, что в данном случае технологи строительной 3D-печати первого этажа объектов эффективно совмещалась с широко распространенной в США технологией традиционного каркасного домостроения с применением пиломатериалов дл устройства второго этажа здания (рис. 37). В 2022 г. [51] компани 14Trees напечатала с помощью строительного 3D-принтера первую серию из 10 домов жилого поселка в Кении, которых в общей сложности будет 52 (рис. 38). Среднее врем строительства каждого объекта первой серии, куда входили типовые дома площадью 56 м2 с двум спальнями и дома площадью 76 м2 с трем спальнями, составило одну неделю на дом. По оценкам 14Trees, стоимость печати каждого дома оказалась примерно на 20 % ниже, чем при использовании традиционных технологий. В 2022 г. архитектурным бюро 3DLAND начата реализация проекта строительства жилого поселка с применением технологии АСП на территории Республики Татарстан [52]. Проект предусматривает строительство в общей сложности 34 типовых одноэтажных зданий площадью 102 м2 с двум спальнями, санузлом и объединенной кухней-гостиной (рис. 39). Концепция массовой городской застройки с применением технологии АСП набирает обороты по всему миру. Наиболее амбициозным из таких проектов, по состоянию на момент подготовки настоящего обзора, можно назвать проект элитного поселка The Genesis Collection at Wolf Ranch, созданного компанией ICON совместно с Lennar в штате Техас, США [53, 54]. Проект предусматривает печать 100 одноэтажных жилых домов площадью 146 196 м2 с трем либо четырьмя спальнями (рис. 40). Рыночная стоимость объектов от 450 тыс. дол. за дом. Поселок возводится с применением одновременно нескольких строительных 3D-принтеров.
Анализ особенностей объектов, возводимых по технологии АСП
Представленный обзор рассматривает лишь небольшую часть реализованных за последние годы проектов, в которых применялась технологи АСП. Однако обзор включает в себ наиболее характерные объекты и позволяет сделать общие выводы о тенденциях развития технологии и сферах ее практического применения в разных регионах мира, а также определить основные особенности их конструктивных и объемно-планировочных решений, а именно: технологи АСП на сегодня применяется для возведения объектов до трех этажей, однако это может свидетельствовать о фактическом отсутствии ограничений в этажности, так как технологические различи при возведении второго, третьего и любого последующего этажа не являются принципиальными. В то же врем можно отметить, что наибольшее развитие технологи АСП получила при строительстве одноэтажных объектов. Это обусловлено тем, что при помощи строительного 3D-принтера на текущем этапе развития технологии не могут возводиться пролетные и навесные конструкции, а эффективно изготовить можно лишь вертикальные конструкции либо горизонтальные конструкции, полностью опираемые на основание (например фундаментные плиты). В связи с этим задачи, связанные с устройством перекрытий и других несущих горизонтальных пролетных элементов, требуют использования дополнительных технологических подходов к производству работ на объекте; с учетом особенностей применения технологии АСП ее часто комбинируют с традиционными технологиями. Например, в Северной Америке весьма распространен подход, при котором строительная 3D-печать применяется только для изготовления ограждающих конструкций сложной формы. При этом для внутренней части зданий активно используется технология каркасного домостроения с применением пиломатериалов. Такой подход позволяет придать зданиям уникальный архитектурный облик, при этом сохраняя высокий спрос на традиционные для американского рынка строительные материалы и технологии; способ аддитивного строительного производства применяется, как правило, для изготовления самонесущих ограждающих конструкций, перегородок, а также несъемной опалубки для последующего бетонирования несущих конструктивных элементов с использованием традиционной технологии монолитного домостроения [55]. Популярным подходом при использовании строительной 3D-печати является также печать параллельно с основными конструкциями зданий и сооружений дополнительных элементов интерьера (встраиваемые шкафы, камины, ниши для ванных), а также ниш для размещения инженерных сетей и оборудования; подходы к применению технологий АСП в Америке, Европе, Китае, России, в странах Африки и на Ближнем Востоке различаются с точки зрения особенностей конструктивных и объемно-планировочных решений возводимых объектов. Большинство реализованных за последние годы проектов в США, Мексике, Индии, а также в странах Африки были нацелены на создание типовых оптимизированных проектных решений в целях максимального сокращения себестоимости строительного производства при использовании новой технологии. В Европе и на Ближнем Востоке реализуются преимущественно более дорогие дизайнерские проекты по возведению единичных строительных объектов с уникальной архитектурой и планировкой, что призвано показать потенциал развития архитектурного проектирования. В Китае активно развиваются технологии заводского и цехового аддитивного строительного производства для печати мелко и крупногабаритных сборных элементов зданий и сооружений в целях их последующего монтажа на строительной площадке. В России на данный момент сложно выделить явный вектор развития рынка аддитивного строительного производства, что может быть связано как с отсутствием мер стимулирования спроса на эту продукцию со стороны государства и крупных девелоперский компаний, так и с большой сложностью и вариативностью климатических условий, в которых реализуются проекты.
Выводы
Проведенный обзор и анализ опыта реализации пилотных проектов показывает, что применение технологии АСП наиболее оправданно и может обеспечить высокую конкурентоспособность в сравнении с традиционными методами строительства в следующих случаях: 1.
При строительстве объектов, для которых значительная доля затрат приходится на возведение вертикальных конструкций, прежде всего одноэтажных зданий и сооружений различного назначения с легкой кровлей, особенно в тех случаях, когда они возводятся в районах с теплым климатом. Например, одноэтажные дома эконом-класса для временного либо постоянного проживания, проекты которых не предусматривают устройства сложного заглубленного фундамента, утепления ограждающих конструкций и специальной отделки. В таких случаях себестоимость возведения внешних стен «коробки» будущего здания может составлять до 90 % общей сметной стоимости строительномонтажных работ, что делает применение технологии АСП крайне эффективным с точки зрения вклада в общую оценку экономической эффективности строительства. 2. При возведении большого количества типовых объектов в одной локации, что обеспечивает сокращение экономических затрат и затрат рабочей силы, связанных с транспортировкой и монтажом оборудования для строительной 3D-печати в расчете на среднюю себестоимость объекта в серии. 3. При сооружении сложных архитектурных форм и реализации уникальных объемно-планировочных решений. В этом случае экономическая эффективность достигается за счет исключения затрат на изготовление индивидуальных форм для бетонирования конструктивных элементов. При использовании технологии АСП, в отличие от большинства других технологий, почти любое усложнение архитектуры возводимых элементов не приводит к удорожанию производственного процесса. Эта особенность делает актуальным применение строительной 3D-печати в заводских условиях при производстве малых архитектурных форм и архитектурных элементов для последующей сборки, а также обеспечивает экономическую оправданность применения технологии при реализации сложных дизайнерских проектов строительства зданий и сооружений, даже в случае если они имеют два и более этажей и при их возведении должно выполняться комбинирование технологии АСП с традиционными технологиями строительства. 4. В условиях сложного доступа к рабочей силе, включая полевые походные условия, когда высока автоматизация производственного процесса сокращает потребность в рабочей силе и повышает автономность и мобильность строительной 3D-печати, в результате чего она может эффективно применяться для возведения временных инженерно технических сооружений гражданского и специального назначения. Така особенность может эффективно использоваться, на пример, для решения задачи временного размещения граждан в условиях чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий, временного размещения рабочих при освоении новых территорий и др.
Работа выполнена в рамках государственного задания, утвержденного Минстроем России от 29 декабря 2022 г. № 069-00003-23-00 на 2023 г. и на плановый период 2024 и 2025 гг.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ / REFERENCES
1. Zhang J., Wang J., Dong S. et al. A review of the current progress and application of 3D printed concrete [Обзор текущего прогресса и применени бетона, напечатанного на 3D-принтере]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, vol. 125, pp. 105533. doi: 10.1016/j.compositesa.2019.105533 2. Rehman A. U., Kim J.-H. 3D concrete printing: a systematic review of rheology, mix designs, mechanical, microstructural, and durability characteristics [3D-печать на бетоне: систематический обзор реологических свойств, конструкций, смесей, механических, микроструктурных характеристик и долговечности]. Materials, 2021, vol. 14(14), pp. 3800. doi: 10.3390/ma14143800 3. Available at: https://www.mightybuildings.com/ projects-and-designs (accessed: 03.07.2023). 4. Wan Qian, Yang Wenwei, Li Wang, Guowei Ma. Global continuous path planning for 3D concrete printing multi-branched structure [Глобальное непрерывное планирование траектории дл 3D-печати многоразветвленной структуры из бетона]. Additive Manufacturing, 2023, vo. 71, pp. 103581. doi: 10.1016/j.addma.2023.103581 5. Pat. USA № US5656230A. Additive fabrication method [Способ аддитивного изготовлени] / Khoshnevis B. 08.12.1997. 6. Khoshnevis B. Automated construction by contour crafting related robotics and information technologies [Автоматизированное строительство с помощью робототехники и информационных технологий, св занных с контурной обработкой]. Automation in Construction, 2004, vol. 13, iss. 1, pp. 5 19. doi: 10.1016/j.autcon.2003.08.012 7. Khoshnevis B., Kazemian A. Contour crafting: a revolutionary platform technology [Контурна обработка: революционна технологи платформы]. Production&Application, 2020, pp. 48 53. 8. Available at: https://inhabitat.com/chinesecompany-assembles-ten-3d-printed-concretehouses-in-one-day-for-less-than-5000-each/ (accessed 03.11.2023). 9. Available at: https://www.solidsmack.com/design/ andrey-rudenkos-3d-printed-castle-kingdomprinted-stuff/ (accessed 08.11.2023). 10. Available at: https://specavia.pro/articls/pervyjv- evrope-zhiloj-dom-napechatannyj-na-3d-printerepredstavili-v-yaroslavle (accessed 12.06.2023). 11. Available at: https://tcmaker.org/2015/09/18/ tc-maker-andrey-rudenko-3d-printing-villas-inphilippines/ (accessed 04.08.2023). 12. Available at: https://www.ixbt.com/news/2017/ 03/07/apis-cor-24-3d.html (accessed 09.08.2023). 13. Гинзбург А. В., Адамцевич Л. А., Адамцевич А. О. Строительна отрасль и концепци «Индустри 4.0»: обзор // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. Вып. 7. С. 885 911. doi: 10.22227/1997-0935.2021.7.885-911 13. Ginzburg A.V., Adamcevich L. A., Adamcevich A. O. The construction industry and the concept of "Industry 4.0": an overview. Vestnik MGSU, 2021, vol. 16, iss. 7, pp. 885 911. (In Russ.). doi: 10.22227/1997-0935.2021.7.885-911 14. Available at: https://www.alliedmarketresearch.com/ 3d-concrete-printing-market (accessed 08.09.2023). 15. Available at: https://3dtoday.ru/blogs/ news3dtoday/in-the-urals-has-completed-theconstruction-of-a-3dprinted-lookout-tow (accessed 03.09.2023). 16. Available at: https://cobod.com/projects-partners/ the-bod-building/ (accessed 17.08.2023). 17. Available at: https://cybe.eu/cases/rdrone-lab/ (accessed 11.08.2023). 18. Available at: https://archello.com/project/ chicon-house (accessed 19.08.2023). 19. Available at: https://www.globalconstructionreview.com/ chinese-3d-specialist-completes-worlds-largest-pri/ (accessed 11.08.2023). 20. Available at: https://www.indiatechonline.com/ it-happened-in-india.php?id=4908 (accessed 26.07.2023). 21. Available at: https://parametric-architecture.com/ students-created-3d-printed-concrete-choreographycolumns-for-dancers/ (accessed 11.08.2023). 22. Available at: https://www.dezeen.com/2019/ 12/22/apis-cor-worlds-largest-3d-printed-buildingdubai/ (accessed 15.07.2023). 23. Available at: https://www.news18.com/news/ tech/explained-the-tech-and-impact-of-indias-first3d-printed-two-storey-building-by-lt-3216011.html (accessed 22.07.2023). 24. Available at: https://3dprint.com/292907/ cemex-on-construction-3d-printing-investmentcobod-was-a-good-bet/ (accessed 23.08.2923). 25. Available at: https://www.stirworld.com/seefeatures-peri-group-makes-germany-s-first-3dprinted-apartment-building (accessed 12.08.2023). 26. Availablr at: https://www.3dtide.com/blog/ best-3d-printed-houses/ (accessed 15.09.2023). 27. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ usmc-vehicle-hide-structure-at-camp-pendleton (accessed 24.08.2023). 28. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ 3d-printed-barracks-at-camp-swift (accessed 02.09.2023). 29. Available at: https://www.sq4d.com/largest-3dprinted-home/ (accessed 25.08.2023). 30. Available at: https://www.sq4d.com/first-3dprinted-house/ (accessed 06.09.2023). 31. Available at: https://parametric-architecture.com/ single-family-3d-printed-house-by-mense-kortearchitekten-peri-3d-construction/ (accessed 20.08.2023). 32. Available at: https://www.mynewsdesk.com/dk/ cobod-international/pressreleases/europes-first3d-printed-office-extension-is-now-completein-austria-3206117 (accessed 03.08.2023). 33. Available at: https://www.architecturaldigest.com/ story/habitat-for-humanity-3d-printer-home (accessed 17.08.2023). 34. Available at: https://3dtoday.ru/blogs/ news3dtoday/v-yaroslavle-vozveli-3d-pecatnoezdanie-v-forme-koski (accessed 22.08.2023). 35. Available at: https://www.holcim.com/ who-we-are/our-stories/malawian-children-startclass-3d-printed-school (accessed 04.09.2023). 36. Available at: https://cobod.com/even-borneonow-has-its-first-3d-printed-house/ (accessed 04.09.2023). 37. Available at: https://cobod.com/record-speedgutech-oman-3d-print-three-new-buildings-in-just8-days/ (accessed 04.09.2023). 38. Available at: https://www.thenationalnews.com/ business/property/2022/10/31/dar-al-arkancompletes-first-3d-printed-villa-in-saudi-arabia/ (accessed 22.08.2023). 39. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ house-zero (accessed 22.08.2023). 40. Available at: https://parametric-architecture.com/ scg-completed-the-worlds-first-3d-printed-medicalcenter-in-thailand/ (accessed 16.08.2023). 41. Available at: https://www.peri-usa.com/projects/ residential-and-multi-story/houston-3d.html (accessed 17.08.2023). 42. Available at: https://www.hannah-office.org/ work/cores (accessed 14.08.2023). 43. Available at: https://expert.ru/2023/05/10/ gazprom-neft-postroila-v-zapolyare-dlya-svoikhsotrudnikov-dom-buduschego/ (accessed 04.09.2023). 44. Available at: https://3d4art.ru/ (accessed 08.09.2023). 45. Available at: https://cobod.com/global-inventoryover-3d-printing-buildings-shows-cobod-leadingpositio/ (accessed 24.08.2023). 46. Available at: https://www.newstoryhomes.org/ (accessed 02.08.2023). 47. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ 3d-printed-homes-in-nacajuca-mexico-with-newstory (accessed 16.08.2023). 48. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ community-first-village (accessed 16.08.2023). 49. Available at: https://life.ru/p/1429776 (accessed 04.09.2023). 50. Available at: https://www.iconbuild.com/projects/ east-17th-street-residences (accessed 18.08.2023). 51. Available at: https://www.constructionkenya.com/ 11239/mvule-gardens-kilifi/ (accessed 14.08.2023). 52. Available at: https://kvadrum3d.ru/ (accessed 05.09.2023). 53. Available at: https://homes.iconbuild.com/ wolf-ranch/ (accessed 08.09.2023). 54. Available at: https://newatlas.com/architecture/ genesis-collection-wolf-ranch-icon-3d-print/ (accessed 08.09.2023). 55. Адамцевич А.О., Пустовгар А. П., Адамцевич Л. А. Аддитивное строительное производство: особенности применени технологии // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 7. С. 70 78. doi: 10.33622/0869-7019.2023.07.70-78 55. Adamcevich A. O., Pustovgar A. P., Adamcevich L. A. Additive construction production: features of the technology application. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2023, no. 7, pp. 70 78. (In Russ.). doi: 10.33622/0869-7019.2023.07.70-78