CC BY
1226. Комков Н.И., Лазарев А.А., Романцов В.С. Методологические подходы США к организации исследований Арктики / Арктическое пространство РОССИИ В XXI веке: факторы развития, организация управления / под ред. акад. В.В. Ивантера. - СПб. : Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Издательский Дом «Наука», 2016. - 1016 с., ил. С. 177-195.
7. Комков Н.И., Сутягин В.В., Бондарева Н.Н. Ограничение доступа РФ к результатам международных научных исследований в АРКТИКЕ / Арктическое пространство РОССИИ В XXI веке: факторы развития, организация управления / под ред. акад. В.В. Ивантера. - СПб.: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Издательский Дом «Наука», 2016. - 1016 с., ил. С.117-130.
8. Системный анализ и принятие решений: Словарь-справочник / Под ред. В.Н. Волковой, В.Н. Козлова. - М.: Высшая школа, 2004. - 616 с.
9. Теория систем и системный анализ в управлении организациями: Справочник / Под ред. В.Н. Волковой и А.А. Емельянова. - М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2009. - 848 с.
10. Цихан Т.В. Кластерная теория экономического развития / Теория и практика управления. №5, 2003 г.
УДК 624.05
Громов Виктор Никифорович,
д-р техн. наук, профессор, Каримова Ольга Сергеевна,
старший преподаватель
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ СООРУЖЕНИЙ В
РАЙОНАХ АРКТИКИ
Россия, г. Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», [email protected] Россия, г. Санкт-Петербург, Военный институт (инженерно-технический) Федерального государственного военного казенного образовательного учреждения высшего образования «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии
А.В. Хрулёва» [email protected]
Аннотация. В работе рассматриваются современные технологии проектирования и строительства в районах Арктики. Применение инновационных технологий проектирования и 3Э печать позволяют добиваться революционных изменений в строительстве. Строительные ЗЭ-принтеры обеспечивают ускоренное безотходное производство и решение актуальной проблемы уменьшения рисков ухудшения экологии в Арктике. Важной текущей задачей является подготовка соответствующих специалистов для конкретной реализации перспективной аддитивной технологии.
Рассматриваются перспективы более широкого использования 3D принтеров для сооружения быстровозводимых сооружений в условиях интенсивного использования потенциала Арктики.
Ключевые слова: системный подход, информационные технологии, аддитивные технологии, экология, 3D-принтер, строительство.
Victor N. Gromov,
Doctor of technical sciences, professor,
Olga S. Karimova, Senior lecturer
SYSTEMS APPROACH TO THE PROBLEM OF DESIGN AND CONSTRUCTION OF FAST-CONSTRUCTED STRUCTURES
IN ARCTIC AREAS
Russia, Saint Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic
University. vgromov2018 @list.ru. Russia, Saint Petersburg, Military Institute (Engineering) of the Federal State Military State Educational Institution of Higher Education "Military Academy of Material and Technical Support named after Army General A.V. Khruleva"
Abstract. The paper deals with modern design and construction technologies in the Arctic regions. The use of innovative design technologies and 3D printing allow us to achieve revolutionary changes in construction. Construction 3D-printers provide accelerated, waste-free production and the solution to the actual problem of reducing the risk of environmental degradation in the Arctic. An important current task is the training of relevant specialists for the specific implementation of promising additive technology.
Prospects for the wider use of 3D printers for the construction of prefabricated facilities in the context of intensive use of the potential of the Arctic are considered.
Keywords: system approach, information technologies, additive technologies, ecology, 3D printer, construction.
В последние годы тема освоения Арктики приобрела в России высокое политическое звучание. Арктика - это стратегически важный для России регион. В настоящее время освоение Российской Арктики ведется в направлении увеличения динамики хозяйственного использования потенциала региона.
Кроме того, активно обсуждается военная значимость Арктики как зоны геополитического противостояния ведущих держав уже в обозримом будущем.
При освоении арктических территорий, при возведении объектов гражданской и военной инфраструктуры будут возникать новые принципы хозяйствования и новые риски ухудшения экологии.
Предстоящее интенсивное развитие Арктики должно осуществляться в строгом соответствии с положениями, формализованными в таких документах, как «Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» и «Экологическая доктрина Российской Федерации».
Экологические проблемы Арктики во многом вытекают из-за возрастающих транспортных задач: вывоз техники, упаковки горючесмазочных материалов, техногенного и строительного мусора, что серьезно сказывается на экологической обстановке на территориях российской Арктики.
Учитывая перечисленные особенности региона, назрела объективная необходимость пересмотреть существующие традиционные подходы на вопросы проектирования и строительства ряда объектов гражданской и военной инфраструктуры в северных широтах с применением новой элементной базы и инновационных технологий.
Проектирование технических комплексов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов.
Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирования сложных систем.
В связи с этим в последние годы речь идет уже не о решении отдельных задач строительства, а о системном подходе, который способен привести к подлинно творческим новаторским решениям.
Системный подход позволяет найти оптимальное решение задач проектирования за счет всестороннего, целостного рассмотрения проектируемого сооружения. При этом во многом меняется и процесс проектирования, и сам процесс строительства.
Системный подход к задачам автоматизированного проектирования требует реализации совместного проектирования объекта и автоматизированной системы управления строительством сооружения, т.е. управлении этими двумя связанными технологическими процессами.
Традиционное раздельное рассмотрение задач проектирования и производства строительных объектов уже не удовлетворяет потребностям сегодняшнего дня, т.к. не может гарантировать ни высокого качества проектирования, ни надлежащего уровня организации производственных процессов, обеспечивающих их реализацию.
Жизненный цикл выстроенного здания или сооружения - это стадии процесса, охватывающие различные состояния объекта, начиная с момента возникновения необходимости в нем, инженерных изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации до момента утилизации [1].
С конца 1980-х гг. наметился переход от изолированного рассмотрения отдельных экологических аспектов к интегральному рассмотрению взаимодействия создаваемых объектов с окружающей средой.
Для экологически чувствительных регионов Арктики вопросы уменьшения отрицательного воздействия жизненного цикла сооружений на окружающую среду имеют первостепенное значение.
Инструментом принятия решений для разработчиков при проектировании и строительстве ряда объектов гражданской и военной инфраструктуры для северных районов может служить система выбора материалов строительства, изложенная в методике оценки воздействия компонентов сооружений CML 2001.
В СМL 2001 оценка экологического качества материалов выполняется на основе применения коэффициента МИ и шкалы его значений от 0 до 1 (рис. 1).
Рис. 1. Шкала экологического качества материалов [2]
Материалы с коэффициентом MCI=1 могут создаваться из повторно использованных или переработанных компонентов, без каких-либо потерь при переработке (100% эффективность переработки). Любые отходы, образующиеся в процессе производства и окончания срока службы продукта, также должны быть повторно использованы или переработаны без каких-либо потерь («нулевые отходы»).
Продукты с полностью линейными материальными потоками, в которых все сырье производится только из первичного материала, а отходы не используются повторно или целиком перерабатываются, оцениваются на уровне 0,1 (MCI = 0,1).
Система выбора компонентов для строительства по методике СМЬ 2001 заканчивается расчетом категорий воздействия материалов на экологию.
В методике СМЬ 2001 определение категории воздействия материалов на экологию производится посредством суммирования масс выбрасываемых субстанций с учетом соответствующего характеризующего фактора Ф! по формуле [1]:
71
V =
Аналитические методы оценки жизненного цикла (ОЖЦ) объектов строительства позволяют получить объективную информацию для обоснования принятия решения по применению тех или иных материалов.
Строительство быстровозводимых сооружений в особых условиях Крайнего Севера требует особого внимания не только к рабочим материалам, но и к технологиям.
Развивающиеся аддитивные технологии могут существенно упростить технологическую цепочку при возведении зданий.
Сегодня активно разрабатываются 3D технологии печати полноразмерных жилых сооружений или конструкций в виде отдельных строительных блоков [3, 4].
В качестве примеров можно привести ряд современных строительных принтеров [5, 6]:
1. Принтеры-манипуляторы. Печатающий экструдер работает в трех
направлениях.
Технические характеристики принтера CyBe RC 3Dp:
• размер области построения модели: рабочий радиус руки 3,2 м;
• высота печатаемых конструкций достигает 4,5 м;
• минимальная высота слоя: 30 мм;
• максимальная скорость печати: до 600 мм/с;
• диаметр сопла 30 мм;
• технология печати: FDM (Fused deposition modeling);
• рабочий материал для печати: бетон CyBe, при использовании которого в атмосферу выбрасывается на 32% меньше углекислого газа, по сравнению с обычным бетоном. Бетон CyBe может вторично перерабатываться, что сокращает количество отходов.
2. Принтеры, печатающие строительные блоки. Например, принтер
ZCorp 510 печатает блоки-кирпичи PolyBricks.
• технология печати: CJP (ColorJet printing).
• рабочий материал для печати: керамика. Мелко-дисперсный порошок склеивается специальными чернилами. Печатная головка наносит клеевой состав. После кирпичи отжигают при высокой температуре, чтобы частицы оказались прочно сплавленными.
3. Принтеры, печатающие отдельные конструкции. К этому виду относится принтер KarmaMaker, который печатает стены.
• Рабочий материал: биопластик (смесь растительного масла и микрофибры). Материал подвергается вторичной обработке, поэтому отходов при работе не будет.
4. Принтеры, печатающие полностью здание. К ним относится принтер отечественного производства Apis Cor. Данная конструкция (рис. 2) массой около 2 т содержит стрелу, напоминающую башенный кран. Стрела способна вращаться вокруг своей оси и наносить бетонную смесь, подаваемую автоматически в заданных программой пропорциях. Принтер может находиться рядом с возводимым объектом или внутри объекта. По окончании работ принтер извлекается из возведённого здания обычным краном.
Рис. 2. Принтер Apis Cor
Технические характеристики принтера Apis Cor:
• размер области построения модели: до 132 м2;
• точность позиционирования: ±0,5 мм;
• максимальная скорость перемещения ПГ: 10 м/мин;
• технология печати: FDM;
• рабочий материал для печати: фибробетон, геополимер;
• рабочая температура: до -35оС;
• потребление энергии: 8кВт*ч.
В России в районах Крайнего Севера необходимо использовать мобильные и самоходные 3D принтеры, которые можно легко доставить на место строительства, быстро установить и начать печатать объект.
В суровых климатических условиях Арктики требуется применять полностью или частично перерабатываемые (MCI не ниже 0,5) экологически чистые возобновляемые строительные материалы.
В настоящее время основным материалом для аддитивных 3D принтеров является бетон. Учитывая, что применение бетонной смеси возможно только при температуре от +5°С, возникает необходимость изобретения новых видов строительных смесей и других высокопрочных материалов применимых в сфере 3D строительства.
Для строительства в условиях Арктики по новым технологиям должны привлекаться квалифицированные специалисты, владеющие широким набором знаний в областях программирования, материаловедения, робототехники, способов трехмерной печати для конкретной задачи, правильной ориентации объектов в рабочем пространстве и т.п.
Выводы:
1. Системный подход при проектировании и строительстве объектов в районах Арктики способен привести к подлинно творческим эффективным новаторским решениям;
2. Аналитические методы оценки жизненного цикла сооружений являются надежным инструментом для принятия обоснованных решений при выборе экологически чистых строительных материалов;
3. Важной текущей задачей является подготовка соответствующих специалистов для конкретной реализации перспективной аддитивной технологии строительства в условиях крайнего севера.
Список литературы
1. Никольская, Е.Е. Анализ жизненного цикла: учеб. пособие / Е.Е. Никольская, В.Ю. Петров, Н.Н. Слюсарь, В.Н. Коротаев // Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006. - 106 с.
2. Goedkoop M., The Eco-indicator 99. A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment. Methodology report. Amersfoort: PRe Consultants, 2000. P. 132.
3. Лесовик В.С., Чернышева Н.В., Глаголев Е.С., Дребезгова М.Ю., Ермолаева А.Э. 3D-аддитивные технологии в сфере строительства // Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. 2016. С. 157-167.
4. Лунева Д.А., Кожевникова Е.О., Калошина С.В. Применение 3D-печати в строительстве и перспективы ее развития // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура, 2017, Т. 8, No. 1, С. 90-101. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.08.
5. 3D-печать в архитектуре // САПР и графика. 2012. № 8 (154). С. 12-16.
6. Громов В.Н., Каримова О.С. Методология системного подхода и анализа к проблеме проектирования быстровозводимых сооружений в районах крайнего севера // Инновационное развитие, 2019, No. 2, С. 10-14.
