Научная статья на тему 'Современные строительные аддитивные технологии. Часть 2'

Современные строительные аддитивные технологии. Часть 2 Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
512
121
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
CONSTRUCTION 3D PRINTER / MULTIFUNCTIONAL CONSTRUCTION EQUIPMENT / ADDITIVE TECHNOLOGIES FOR CONSTRUCTION OF HIGH-RISE BUILDINGS / СТРОИТЕЛЬНЫЙ 3D-ПРИНТЕР / МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ / АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Абрамян С. Г., Илиев А. Б., Липатова С. И.

В статье раскрываются возможности строительных 3D-принтеров. Описываются некоторые из них, в плане внешнего сходства современными строительными механизмами. Отмечается, что в настоящее время аддитивные строительные технологии применяются при наращивании конструктивных элементов зданий малой и средней этажности. Вместе с тем авторы считают, что существуют все теоретические предпосылки создания многофункциональных строительных оборудований сочетающих функциональные возможности современных башенных кранов и стационарных бетононасосов, предназначенных для аддитивной технологии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modern additive technologies in construction. Part 2

The paper brings to the fore the prospects of using 3D printers in construction. Some of them are described in the context of resemblance to modern construction mechanisms. Additive construction technologies are reported to be currently used for adding on structural elements in low-rise and medium-rise buildings. At the same time, the authors argue that all theoretical prerequisites are in place for making multifunctional construction equipment, combining the functional capabilities of modern tower cranes and stationary concrete pumps, to put additive technologies into practice

Текст научной работы на тему «Современные строительные аддитивные технологии. Часть 2»

Современные строительные аддитивные технологии. Часть 2.

С.Г. Абрамян, А.Б. Илиев, С.И. Липатова Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: В статье раскрываются возможности строительных SD-принтеров. Описываются некоторые из них, в плане внешнего сходства современными строительными механизмами. Отмечается, что в настоящее время аддитивные строительные технологии применяются при наращивании конструктивных элементов зданий малой и средней этажности. Вместе с тем авторы считают, что существуют все теоретические предпосылки создания многофункциональных строительных оборудований сочетающих функциональные возможности современных башенных кранов и стационарных бетононасосов, предназначенных для аддитивной технологии. Ключевые слова: строительный SD-принтер, многофункциональное строительное оборудование, аддитивные технологии высотных зданий.

Результаты анализа научных публикаций [1-12], а также данные, приведенные в первой части статьи, показывают, что в настоящее время технологии послойного наращивания конструктивных элементов БСС [13], позволяют строить здания различного функционального назначения (жилые, офисные), малоэтажные и средней этажности, постоянного и временного проживания, сейсмостойкие, монолитные в несъемной опалубке или безопалубочные. При этом в качестве исходного сырья для изготовления строительной смеси могут быть использованы как современные строительные материалы (портландцемент, гипс), так и промышленные и сельскохозяйственные отходы, строительный мусор, биопластик.

БСС могут быть сборными из отдельных модульных систем, полученных на заводах, с последующей транспортировкой и сборкой на строительной площадке грузоподъемными механизмами с необходимыми техническими параметрами. Для возведения БСС могут быть использованы как стационарные, так и мобильные строительные SD-принтеры. При этом первый мобильный строительный SD-принтер (американской компании APIS COR) использован в России при возведении одноэтажного жилого дома в городе Ступино Московской области. Принтер находился внутри контура

здания (рис. 1 а, б, в), и после возведения стен и перегородок его извлекли с помощью крана-манипулятора.

Рис. 1. - Поэтапное возведение одноэтажной БСС по технологии APIS COR [9] Установлено также, что Китай по количеству построенных домов с помощью строительного SD-принтера занимает лидирующее место в мире [1]. Несмотря на то что разработанные технологии строительства БСС, безусловно, являются перспективными [4-11], они в то же время обладают и некоторыми недостатками, среди которых следует отметить следующее: невозможность возведения («напечатания») БСС высотой более пяти этажей, высокая цена самого оборудования, ограниченность применения исходных материалов для получения необходимой смеси, исключающей засорение экструдера и т. д.

Если сравнить существующие строительные SD-принтеры, то они являются высокотехнологичными (автоматизированными,

роботизированными) аналогами оборудований, эксплуатирующихся в современном строительстве.

На рис. 2 приведены внешние сходства нескольких строительных 3Б-принтеров, в том числе и китайского производства, США, с современными кранами, применяемыми как в промышленности, так и в строительстве.

Рис.2. - Внешнее сходство современных строительных принтеров и строительных кранов: а - принтер WinSun; б - козловой кран; в - принтер APIS COR; г - башенный кран; д - принтер ZhuoDa group; е - мостовой кран

Принципиальное отличие рассмотренных строительных оборудований заключается в следующем:

- на строительных принтерах на рабочих органах вместо крюковой подвески смонтирован экструдер;

- на принтерах отсутствует кабина машиниста, и управляется он с подключением панели или пульта управления, находящихся автономно на уровне земли; управление принтером осуществляется оператором;

- основной функцией строительных кранов является подъем и подача необходимых изделий, материалов в проектное положение с последующим их закреплением или переработкой для получения готовой продукции, а принтеров в напечатании из готового расходного материала отдельных конструктивных изделий или каркаса здания, т. е. современные строительные принтеры сочетают также «функции» стационарных бетононасосов.

Возможность сочетания нескольких функций современных строительных машин и механизмов была учтена учеными Массачусетского университета при разработке Digital Construction Platform (DCP) - прототипа мобильного SD-принтера (рис. 3).

Рис.3. - Внешний вид мобильного строительного 3Б-принтера DCP, MIT

(США) [14]

С помощью мобильного строительного 3Б-принтера БСР была напечатана первая экспериментальная круглая стена диаметром 15 м и высотой 3,6 м безопалубочным методом из монтажной пены быстрого затвердения. Как видно из рисунка, БСР представляет собой гидравлический кран на гусеницах, с четырьмя степенями свободы, оборудованный сразу экструдером, ковшом, сварочным агрегатом и штангой. Наличие указанных рабочих инструментов указывает на многофункциональность новой разработки, т. е. строительный 3Б-принтер может напечатать ограждающие конструкции из фибробетона, пенополиуретана или пенопласта, разработать грунт, сварить арматурные каркасы или сетки и при необходимости расколоть лед.

В отличие от ранее разработанных 3Б-принтеров, описанных в первой части статьи, БСР питается энергией, вырабатываемой аккумуляторами и солнечными батареями, расположенными на верхнем корпусе многофункционального оборудования (рис. 3). Применять его можно для проведения самых сложных строительных работ.

В настоящее время ученые заняты разработкой датчиков приближения, которые обезопасят работу многофункционального строительного оборудования, так как исключат его возможные столкновения с предметами, имеющимися на строительных площадках, а также с людьми.

Между тем, если ученым из Массачусетского университета удалось сконструировать на базе гусеничного пневматического крана многофункциональное строительное оборудование (МСО - термин введен авторами), в том числе и с функциями напечатания цельных безопалубочных стен, то есть теоретические возможности устройства МСО на базе башенных кранов для послойного наращивания конструктивных элементов зданий различной высоты (рис.4).

6

Рис.4. - Схема адаптации башенного приставного крана для аддитивной технологии высотных зданий: 1 - бункер (силос) для сухой смеси; 2 - мобильный автоматизированный комплекс подготовки и подачи

строительной смеси; 3 - башенный кран XCMG QTZ40; 4 - печатаные стены высотного здания; 6 - крепление башенного крана к готовым стенам для обеспечения устойчивости крана; 6 - стрела крана; 7 - дополнительные бункера для обеспечения необходимой консистенции строительной смеси; 8 - рукава для подачи строительной смеси

Для этого предлагается использовать также самоподъемные башенные краны, на стреле которых по аналогии с Digital Construction Platform закреплены экструдер и грузовая тележка с крюковой подвеской (это

присуще всем башенным кранам). По сути предлагаемое МСО сочетает функции башенного крана и стационарного бетононасоса.

Для использования в качестве исходного сырья для послойного наращивания наружных и внутренних ограждающих конструкций предлагается использовать разработанный российскими учеными пенокомпозит, который является как конструкционным материалом, так и великолепным утеплителем, объединивший в себе несколько уникальных свойств, среди которых, прежде всего огнестойкость, экологичность и энергосбережение. Основные характеристики пенокомпозита приведены в [15]. Пенокомпозит получают по самовспенивающейся технологии, для этого используются доступные с финансовой точки зрения полимеры отечественного производства и твердые отходы топливно-энергетической и камнедобывающей промышленности. Высокие теплоизоляционные свойства этого материала достигается за счет пористой структуры.

Энергоэффективность применения пенокомпозита заключается в том, что он обладает также свойствами хладоизоляции зданий любой этажности и назначения, что особенно актуально при строительстве БСС в условиях жаркого климата.

Использование пенокомпозита возможно только при возведении вертикальных ограждающих конструкций в несъемной опалубке. Башенным краном к месту монтажа подают щиты несъемной опалубки высотой на этаж. После монтажа опалубочной системы на 1/3 высоты опалубки экструдером заливается исходный материал, который вспенивается, доходя до конца смонтированной опалубки. Процесс вспенивания и отверждения, как правило, занимает 2...5 мин. Следует отметить, что процесс вспенивания не нуждается в подводе тепла, чем обусловлена энергоэффективность данной технологии.

Так как пенокомпозит быстро приобретает необходимую прочность, можно с помощью башенного крана устанавливать готовые плиты перекрытия или печатать монолитную плиту из фибробетона с помощью экструдера также в несъемной опалубке. Применение несъемной опалубки для вертикальных ограждающих конструкций позволяет при необходимости принимать композитную арматуру. Расчет толщины стены с учетом использования несъемной опалубки, ее материала осуществляется по действующим нормативным документам, толщины плиты перекрытия из фибробетона.

Количество технологических процессов по возведению ограждающих конструкций (стен и перегородок), устройству монолитных плит перекрытий (или монтажа из готовых плит) соответствует количеству этажей.

Энергоэффективность предлагаемой технологии заключается также в том, что за счет использования несъемной опалубки получаются готовые под финишную отделку поверхности стен и потолков.

Сокращение трудозатрат, снижение расходов на материалы можно определить при проектировании предлагаемой аддитивной технологии с помощью информационных BIM-технологий.

Литература

1. Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. ЭБ-печать в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №1(52). С. 27-46.

2. Гончарова О.Н., Бережной Ю.М., Бессарабов Е.Н., Кадамов Е.А., Гайнутдинов Т.М., Нагопетьян Е.М., Ковина В.М. Аддитивные технологии-динамично развивающееся производство // Инженерный вестник Дона, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3931.

3. Bogue R. What are the prospects for robots in the construction industry? Industrial Robot-an International Journal. 2018. Vol. 45, pp. 1-6. DOI: 10.1108/IR-11-2017-0194/

4. 3Д принтер строительный: обзор популярных моделей, достоинства и цена. URL: motocarrello.ru/jelektrotehnologii/1608-3d-printer-stroitelnyi.html (дата обращения - 02.11.2017).

5. Еще одна китайская компания, которая печатает 3D дома. URL: xn-----

6kcwaigcbwchaht4b7ajff0q.xn--p1ai/novye-tekhnologii/45-eshche-odna-kitajskaya-kompaniya-pechataet-3d-doma (дата обращения - 02.11.2017).

6. Топ-20 инновационных строительных технологий. URL: psdom.ru/catalog/top-20-innovacionnyh-stroitelnyh-tehnologiy, (дата обращения - 09.01.2018).

7. 3D Printer is being developed to build 2,500 Square Foot House In 20 Hours. URL: rtoz.org/2013/11/08/3d-printer-is-being-developed-to-build-2500-square-foot-house-in-20-hours, (дата обращения - 09.01.2018).

8. 3-D Printing Technology. URL: builder online.com/photos/3-d-printing-technology, (дата обращения - 09.01.2018).

9. APIS COR: We print buildings. URL: apis-cor.com/files/ApisCor_Technology Description_ru (дата обращения -09.01.2018).

10. Обзорная статья по 3D строительным технологиям. URL: geektimes.ru/post/224299, (дата обращения - 14.01.2018).

11. Обзор принтера S-1160. URL: printergid.ru/3d/stroitelnye-3d-printery (дата обращения - 14.01.2018).

12. Labonnote N., Ronnquist A., Manum B., Ruther P. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities. Automation in Construction. 2017. Vol. 72 (Part 3), pp. 347-366. DOI: 10.1016/j.autcon.2016.08.026.

13. Абрамян С. Г., Илиев А.Б. Основные требования к быстровозводимым строительным системам // Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_53_Abramian.pdf.

14. Американский DCP, MIT. URL: motocarrello.ru/jelektrotehnologii/1608-3d-printer-stroitelnyi.html#h7-batiprint3d, (дата обращения - 14.01.2018).

15. Шутов Ф. А., Щербанев И. В., Сивенков А. Б. Пенокомпозит PENOCOM®: новый огнестойкий теплоизоляционный материал для строительных конструкций // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. №8 (145). С. 228-232.

References

1. Vatin N.I., Chumadova L.I., Goncharov I.S., Zykova V.V., Karpenja A.N., Kim A.A., Finashenkov E.A. Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij (Rus), 2017, №1(52), pp. 27-46.

2. Goncharova O.N., Berezhnoj Ju.M., Bessarabov E.N., Kadamov E.A., Gajnutdinov T.M., Nagopet'jan E.M., Kovina V.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2016. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3931

3. Bogue R. What are the prospects for robots in the construction industry? Industrial Robot-an International Journal. 2018. Vol. 45, pp. 1-6. DOI: 10.1108/IR-11-2017-0194/

4. 3D printer stroitel'nyj: obzor populjarnyh modelej, dostoinstva i cena [3D printer building an overview of popular models, dignity and price]. URL: motocarrello.ru. Jelektrotehnologii.1608-3d-printer-stroitelnyi.html.

5. Eshhe odna kitajskaja kompanija, kotoraja pechataet 3D doma [Another

Chinese company that prints 3D homes]. URL: xn-----

6kcwaigcbwchaht4b7ajff0q.xn--p1ai.novye-tekhnologii.45-eshche-odna-kitajskaya-kompaniya-pechataet-3d-doma.

6. Top-20 innovacionnyh stroitel'nyh tehnologij [Top-20 innovative building technologies]. URL: psdom.ru/catalog/top-20-innovacionnyh-stroitelnyh-tehnologiy.

7. 3D Printer is being developed to build 2,500 Square Foot House In 20 Hours. URL: rtoz.org/2013/11/08/3d-printer-is-being-developed-to-build-2500-square-foot-house-in-20-hours.

8. 3-D Printing Technology. URL: builder online.com/photos/3-d-printing-technology.

9. APIS COR: We print buildings. URL: apis-cor.com/files/ApisCor_Technology Description_ru.

10. Obzornaja stat'ja po 3D stroitel'nym tehnologijam [Review article on 3D construction technologies]. URL: geektimes.ru/post/224299.

11. Obzor printera S-1160 [S-1160 Printer Overview]. URL: printergid.ru/3d/stroitelnye-3d-printery.

12. Labonnote N., Ronnquist A., Manum B., Ruther P. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities. Automation in Construction. 2017. Vol. 72 (Part 3), pp. 347-366. DOI: 10.1016/j.autcon.2016.08.026.

13. Abramyan S. G., Iliev A.B. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. №4. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_53_Abramian.pdf.

14. Amerikanskij DCP, MIT [American DCP, MIT]. URL: motocarrello.ru/jelektrotehnologii/1608-3d-printer-stroitelnyi.html#h7-batiprint3d

15. Shutov F. A., Shcherbanev I. V., Sivenkov A. B. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki (Rus). 2013. №8 (145), pp. 228-232.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.