CC BY
88Экономика и организация строительства
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 69.003.13
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
И.И. АКУЛОВА, д-р экон. наук (akulovaii@yandex.ru), Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук, Т.В. МАКАРОВА, канд. техн. наук
Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Технико-экономическая оценка эффективности применения 3D-печати в жилищном строительстве
Рассматриваются критерий, показатели и результаты оценки технико-экономической эффективности применения технологии 3D-печати в жилищно-строительной сфере. В качестве критерия эффективности используется минимум затрат на 1 м2 общей площади строящегося жилого объекта. При этом рассчитываются показатели прямых затрат и трудоемкость возведения здания. Оценка технико-экономической эффективности 3D-аддитивной строительной технологии проводилась на примере двухэтажного коттеджа массовой застройки. Анализировались четыре варианта его возведения, различающиеся применяемыми материалами и технологиями. В результате расчетов получено, что при заданных условиях и в случае применения оригинальных смесей, разработанных в ВГТУ, вариант на базе 3D-печати является наиболее эффективным. В случае использования смесей, приобретаемых по относительно высоким рыночным ценам, эта технология является сопоставимой со сборной технологией с применением газосиликатных мелких блоков.
Ключевые слова: жилищное строительство, технологии 3D-печати, технико-экономическая оценка, эффективность.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта 7.10781.2018/11.12 по государственному заданию «Выполнение проектов для получения первичных научных результатов, обеспечивающих расширение участия подведомственных образовательных организаций в реализации Национальной технологической инициативы».
Для цитирования: Акулова И.И., Славчева Г.С., Макарова Т.В. Технико-экономическая оценка эффективности применения 3D-печати в жилищном строительстве // Жилищное строительство. 2019. № 12. С. 52-56. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
I.I. AKULOVA, Doctor of Sciences (Economy), (akulovaii@yandex.ru), G.S. SLAVCHEVA, Doctor of Sciences (Engineering) (gslavcheva@yandex.ru), T.V. MAKAROVA, Candidate of Sciences (Engineering), (today25@inbox.ru) Voronezh State Technical University (84, 20-letiya Oktyabrya Street, 394006, Voronezh, Russian Federation)
Technical and Economic Estimate of Efficiency of Using 3D printing in Housing Construction
A criterion, indicators and results of evaluation of technical and economic efficiency of 3D printing technology application in the housing and construction sphere are considered. As a criterion of efficiency, the minimum cost per 1 m2 of total area of the residential object under construction is used. In this case, the indicators of direct costs and labor intensity of construction of the building are calculated. The assessment of technical and economic efficiency of 3D-additive building technology was carried out on the example of a two-storey cottage of mass building. Four variants of its construction differing in the materials and technologies used were analyzed. As a result of calculations it is received that at the set conditions and in the case of application of original mixes developed in VSTU, the variant on the basis of 3D-printing is the most effective. In the case of using mixtures purchased at relatively high market prices, this technology is comparable to the prefabricated technology using gas silicate small blocks.
Keywords: housing construction, 3D-printing technology, technical and economic estimate, effectiveness.
The work was carried out with the financial support of the Project 7.10781.2018/11.12 under the State Task "Implementation of projects for obtaining primary scientific results, ensuring the expansion of the participation of subordinate educational organizations in the implementation of the National technological initiative.
For citation: Akulova I.I., Slavcheva G.S., Makarova T.V. Technical and economic estimate of efficiency of using 3D printing in housing construction. Zhilishch-noe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 12, pp. 52-56. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
Принятие решения о внедрении в практику строительства инновационных технологий, в число которых входит и строительная технология 3D-печати, должно опираться на комплексную технико-экономическую оценку эффективности их применения. Как известно, понятие «эффективность» в самом общем представлении определяется соотнесением получаемых
52| -
результатов и затрачиваемых при этом ресурсов -финансовых, трудовых, материальных и др. Для решения конкретных проблем оценка эффективности может осуществляться и на основе сравнения ряда показателей исследуемых объектов, систем, материалов, технологий, отражающих уровень «ресурсоем-кости», с показателями аналогов [1].
^^^^^^^^^^^^^ И22019
Научно-технический и производственный журнал
Economy and organization of construction
Оценку возможности и перспектив 3D-аддитивных технологий в жилищно-строительной сфере целесообразно, на наш взгляд, проводить по критерию минимума затрат и использовать показатели прямых затрат на 1 м2 общей площади, а также трудоемкости возведения жилого объекта [2]. Подчеркнем, что в ряде работ показано [3-8], что эффективность 3D-печати в сравнении с традиционными строительными технологиями (сборными, монолитными и сборно-монолитными) пока неочевидна.
Технико-экономическая оценка эффективности строительной технологии 3D-печати реализована на примере жилых объектов, возводимых в климатических условиях Воронежской области при соблюдении требования энергоэффективности. На основе предварительно проведенного анализа технических возможностей современных 3D-принтеров из рассмотрения на начальном этапе расчетов были исключены многоэтажные жилые здания. Определение прямых затрат на 1 м2 общей площади и трудоемкости для различных строительных технологий, включая технологию 3D-печати, проводилось только для малоэтажного жилья массовой застройки.
Объектом сравнения послужил двухэтажный коттедж общей площадью 215 м2. Проект дома разработан с учетом габаритных и технических возможностей 3D-принтера WinSun. Это бесподвальное здание с пристроенным одноуровневым гаражом, с конструктивной высотой жилых этажей 3 м и глубиной заложения фундамента 1,4 м. Объемно-планировочные и конструктивные параметры жилого дома 3D-технологии возведения представлены на рис. 1 и 2. Покрытие здания однотипное для всех сравниваемых вариантов - наклонная деревянная стропильная система.
Базу сравнения составили четыре варианта, кардинально различающиеся материалами и технологиями возведения стеновых конструкций:
1-й вариант - сборная технология с применением силикатного кирпича: наружные стены - трехслойная конструкция ручной кладки с утеплителем «Пено-плекс»; внутренние стены - однослойная конструкция из кирпича;
2-й вариант - сборная технология с использованием газосиликата: наружные стены - двухслойная конструкция ручной кладки из газосиликатных мелких блоков D600 и облицовочным слоем из силикатного кирпича; внутренние стены - однослойная конструкция из газосиликатных мелких блоков D600;
3-й вариант - сборно-монолитная технология на основе 3D-печати: наружные стены теплового контура изготавливаются из мелкозернистого бетона р = 2200 кг/м3 с заполнением полостей пенобетоном D300; внутренние стены - из мелкозернистого бетона
12'2019 ^^^^^^^^^^^^^
р= 2200 кг/м3. При этом реализуются варианты: а - на основе оригинальных смесей, разработанных сотрудниками Воронежского государственного технического университета [9-12]; б - с применением «печатных» смесей, предлагаемых на строительном рынке;
4-й вариант - монолитная технология на основе системы «Монопор» [8]: наружные стены выполняются из мелкозернистого поризованного бетона р = 800 кг/м3 с использованием в качестве теплоизоляции жестких минераловатных плит; внутренние стены из мелкозернистого поризованного бетона р = 1200 кг/м3.
Принимая во внимание особенности материалов и строительных технологий, для вариантов 3 и 4 предусматривались штукатурные работы по наружным стенам.
Необходимо указать, что различия обозначенных вариантов имеются не только в материалах и технологиях возведения стеновых конструкций, в отделке, но также в материалах и технологиях возведения фундаментов и подвального перекрытия (табл. 1). Сооружение лестниц, перегородок, заполнение оконных и дверных проемов, монтаж элементов инженерных систем, выполнение отделочных и облицовочных слоев пола, стен, потолков выполняется по одним и тем же традиционным строительным технологиям с применением ручного труда и малых средств механизации процессов.
Для представленных выше вариантов строительства двухэтажного коттеджа массовой застройки рассчитывались прямые затраты, включающие затраты на материалы, эксплуатацию машин и механизмов (ЭММ), оплату труда рабочих, определялась трудоемкость возведения объекта. Расчеты проводились в базовых ценах 2001 г. на основе нормативов, содержащихся в ФЕР 81-02-07-2001 «Бетонные и железобетонные конструкции сборные», ФЕР 81-02-08-2001 «Конструкцииизкирпичаиблоков»,ФЕР81-02-06-2001 «Бетонные и железобетонные конструкции монолитные», ФЕР 81-02-26-2001 «Теплоизоляционные работы», ФЕР 2001-15 «Отделочные работы». Полученные значения с помощью индексов изменения сметной стоимости строительства приводились к ценам III квартала 2018 г. и пересчитывались на 1 м2 общей площади возводимого здания.
Ввиду отсутствия нормативных данных по оплате труда рабочих, величине затрат на эксплуатацию машин и механизмов, затрат на материалы для 3D-печати расчеты проводились по фактическим параметрам, заложенным в объемно-планировочных и конструктивных решениях здания, возводимого на основе 3D-строительной технологии. В частности, максимальный состав бригады при возведении стеновых конструкций принимался в количестве четырех человек; при расчете времени печати и рас- 53
Экономика и организация строительства
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
План иго зтажа на отм. 0,000
План 2-го зтажа на отм. *3 000
Ф-
®>3
¥
7,3 °,ОСО]
-Й./50
6600
ааоо
©
_13|М
т
4200 I 2400 6600
1 00
©
©@
©
Рис. 1. Планировочная конфигурация варианта коттеджа 3D технологии возведения
Разрез 1-1 Стена (в плане)
Опалубочный элемент перекрытия {в разрезе]
Рис. 2. Конструктив основных несущих элементов варианта коттеджа 3D-технологии возведения
хода материалов не учитывался пропуск оконных и дверных проемов; скорость холостого перемещения печатающей головки принималась равной скорости печати; расход печатного материала и сроки возведения рассчитывались с учетом двух боковых фронтонов здания.
При определении величины затрат на ЭММ для 3D-принтера рассматривались и были учтены следующие виды затрат:
- постоянные эксплуатационные затраты - нормативные амортизационные отчисления на полное восстановление;
- оплата труда рабочих, управляющих принтером;
- затраты на замену быстроизнашивающихся частей и механизмов;
- затраты на энергоносители;
- затраты на техническое обслуживание и диагностирование 3D-принтера.
54
122019
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Economy and organization of construction
Таблица 1
Особенности конструктивных решений фундаментов и подвального перекрытия двухэтажного коттеджа массовой застройки
Наименование конструктивного элемента здания Конструктивные решения и особенности возведения по вариантам
Варианты 1, 2 и 4 Варианты 3а и 3б
Фундамент Фундамент ленточный из сборных железобетонных фундаментных стеновых блоков и двух монолитных железобетонных поясов в уровне подошвы фундамента и в уровне опирания плит перекрытия. Ширина стеновых блоков 500 мм (под наружные стены) и 400 мм (под внутренние стены). Ширина монолитной подушки 600 мм под все несущие стены. Ширина монолитного пояса 600 мм по стенам наружного контура и 400 мм по внутренним несущим стенам. Вертикальная и горизонтальная гидроизоляция по всему периметру наружных стен. Подошва ленточного фундамента шириной 600 мм и высотой 300 мм возводится методом трехрядной печати на строительном 3Э-принтере. Между печатными слоями укладываются 2 ряда (по 3 ст. 012АШ) продольной арматуры. Стены фундаментной части шириной 400 мм и высотой 1800 мм возводятся методом трехрядной печати. Под уровнем опирания перекрытия подвала между печатными слоями укладываются 2 ряда продольных арматурных стержней (по 2 ст 012АШ). Подошва и стена фундамента соединяются вертикальными арматурными стержнями (2 ряда 012АШ) с шагом 300 мм. Полости между печатными слоями заполняются тяжелым бетоном В15. Вертикальная и горизонтальная гидроизоляция по всему периметру наружных стен.
Подвальное перекрытие Сборный железобетонный многопустотный настил площадью 94,7 м2. Опирание на стены 120 мм. Утеплитель (минераловатные плиты) по перекрытию - на площади 90 м2, толщиной слоя 10 см. Цементно-песчаная стяжка толщиной слоя 20-40 мм. Сборно-монолитная безбалочная плита перекрытия общей площадью 85,3 м2. Опалубочная плита пролетом 4,2-6,6 м, толщиной слоя 60 мм с выступами в виде фермочек. Толщина монолитного слоя плиты 190 мм. Соединительные стержни 012 А111 с шагом 300 мм длиной 1200 мм. Утеплитель (минераловатные плиты) по перекрытиям на площади 85,4 м, толщиной слоя 10 см. Цементно-песчаная стяжка толщиной слоя 20-40 мм.
Таблица 2
Результаты технико-экономической оценки различных конструктивных решений двухэтажного коттеджа массовой застройки
Вид затрат Значение показателя по вариантам
1 - сборная технология с использованием силикатного кирпича 2 - сборная технология с использованием газосиликатных мелких блоков 3 - сборно-монолитная технология на основе 3D-ne4a^ 4 - монолитная технология на основе системы «Монопор»
а - с использованием оригинальных печатных смесей ВГТУ б - с использованием печатных смесей, предлагаемых на рынке
Прямые затраты, р/м2 10603,33 8193,6 5268,58 7715,6 8780,4
Затраты труда,чел.-ч/м2 12,3 9,9 8,2 8,2 20,8
Примечание. В расчетах не учитывались затраты на возведение крыши, устройство инженерных коммуникаций, земляные работы, внутренняя отделка.
Таблица 3
Состав и структура прямых затрат на строительство двухэтажного коттеджа массовой застройки по различным вариантам возведения конструктивных элементов
Номер варианта Общая величина прямых затрат р./здание В том числе, р./здание
Оплата труда рабочих ЭММ Затраты на материалы
всего в т. ч. оплата труда машинистов
1 2293500,7 402783,58 118368,14 32283,52 1772349,1
2 1762458,5 323977,79 102726,29 271180,1 1335754,6
3а 1099552,9 248262,35 107903,6 38251,64 743386,97
3б 1610238,7 248262,35 107903,6 38251,64 1254055,1
4 1832465,7 584854,38 136966,7 50906 1110644,7
Норма амортизационных отчислений принималась на основе метода сравнительных аналогий в соответствии с действующими Едиными нормами амортизационных отчислений на полное восстановление основных фондов в размере 16,7%.
В результате проведенных расчетов получено, что по критерию минимума прямых затрат и затрат живого труда 3D-аддитивные строительные технологии в сравнении с другими рассмотренными вариантами возведения малоэтажного жилого объекта являются наиболее эффективными (табл. 2).
Однако в случае применения 3D-печати с использованием смесей, приобретаемых по относительно высоким рыночным ценам, эта технология является сопоставимой со сборной технологией с применением газосиликатных мелких блоков. Так, превышение
122019 ^^^^^^^^^^^^^
прямых затрат на 1 м2 общей площади коттеджа со стенами из газосиликата в ценах III квартала 2018 г. составляет всего 5% (табл. 3).
По расходам на материалы 3D-строительные технологии на основе «рыночных» бетонных смесей уступают строительной системе «Монопор», разработанной сотрудниками ВГТУ. В рамках этой системы здания возводятся из мелкозернистого поризо-ванного бетона с помощью мелкощитовой опалубки. Дополнительно следует заметить, что из-за высокой стоимости современных 3D-принтеров абсолютное значение расходов на их эксплуатацию превышает соответствующее значение затрат на ЭММ при возведении объекта по сборной строительной технологии с использованием газосиликата и несущественно - на 9% меньше, чем при строительстве дома из кирпича.
- 55
Экономика и организация строительства
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Проведенная технико-экономическая оценка эффективности применения строительной технологии 3D^4a™ в жилищном строительстве показала, что для регионов, обладающих промышленной базой по производству газосиликатных мелких блоков, актуальность данной технологии является на сегодняшний момент по меньшей мере сомнительной из-за имеющихся конструктивных проблем строительных 3D-принтеров, их высокой стоимости и «дороговизны» представленных на рынке печатных смесей, отсутствия нормативной базы строительства на основе 3D-печати. По мере решения указанных проблем, ориентации на потребительские предпочтения и формирования спроса на «печатное» жилье [11, 12] при учете региональной природно-географической, социально-экономической и производственной специфики можно предположить, что 3D-адцитивные строительные технологии займут свою нишу на отечественном строительном рынке.
Список литературы / References
1. Чернышов Е.М., Акулова И.И., Кухтин Ю.А. Ресурсосберегающие архитектурно-строительные системы для жилых зданий (Воронежский опыт) // Градостроительство. № 5 (15). 2011. С. 70-73.
1. Chernyshov E.M., Akulova I.I., Kukhtin Yu.A. Resource-saving architectural and construction systems for residential buildings (Voronezh experience). Gradostroitel'stvo. No 5 (15). 2011, pp. 70-73. (In Russian).
2. Акулова И.И. Прогнозирование динамики и структуры жилищного строительства в регионе. Воронеж.: ВГАСУ, 2007. 132 с.
2. Akulova I.I. Prognozirovanie dinamiki i struktury zhilishchnogo stroi-tel'stva v regione [Forecasting the dynamics and structure of housing in the region]. Voronezh: VGASU. 2007. 132 p.
3. Грахов В.П., Мохначев С.А., Бороздов О.В. Влияние развития 3D-технологий на экономику строительства // Фундаментальные исследования. 2014. № 11 (часть 12). С. 273-276.
3. Grahov V.P., Mohnachev S.A., Borozdov O.V. The impact of the 3D technology development on the construction economy. Fundamentainye issledovanija. 2014. No. 11 (Part 12), pp. 273-276. (In Russian)
4. Bos F., Wolfs R., Ahmed Z et al. Additive manufacturing of concrete in construction: potentials and challenges of 3D concrete printing. Virtual and Physical Prototyping. 2016. Vol. 11. No. 3, pp. 209-225.
5. Hage I., Golonka A., Putanowicz R. 3D printing of buildings and building components as the future of sustainable construction? Procedia Engineering. 2016. Vol. 151, pp. 292-299.
6. Krimi I., Lafhaj Z., Ducoulombier L. Prospective study on the integration of additive manufacturing to building
5б| -
industry - Case of a French construction company. Additive Manufacturing. 2017. Vol. 16, pp. 107-114.
7. Tay Y. W. D. et al. 3D printing trends in building and construction industry: a review. Virtual and Physical Prototyping. 2017. No. 12 (3), pp. 1-16.
8. Wu P., Wang J., Wang X. A critical review of the use of 3-D printing in the construction industry. Automation in Construction. 2016. No. 60, pp. 21-31.
9. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Реологическое поведение дисперсных систем для строительной 3d-печати: проблема управления и возможности арсенала «нано» // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2018. Т. 10. № 3. С. 107122. DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122
9. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. The rheological behavior of disperse systems for 3D printing in construction: the problem of control and possibility of «nano» tools application. Internet-journal «Nano-technologii v stroitel'stve». 2018. Vol. 10. No. 3, pp. 107-122. (In Russian). DOI: 10.15828/20758545-2018-10-3-107-122
10. Славчева Г.С., Макарова Т.В. Пенобетоны для теплоизоляционных слоев наружных стен, возводимых методом 3D-печати // Строительные материалы. 2018. № 10. С. 30-35. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-30-35
10. Slavcheva G.S., Makarova T.V. Foam concretes for heat insulation layers of external walls constructed by the method of 3D printing. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 10, pp. 30-35. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-30-35
11. Акулова И.И. Исследование и учет потребительских предпочтений на рынке жилой недвижимости как основа формирования эффективной градостроительной политики // Жилищное строительство. 2017. № 4. С. 3-6.
11. Akulova I.I. Research and accounting of consumer preferences in the residential real estate market as a basis for the formation of an effective urban development policy. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 4, pp. 3-6. (In Russian).
12. Акулова И.И., Славчева Г.С. Методические подходы к нормированию затрат на эксплуатацию машин и механизмов для строительного 3D-принтера // Жилищное строительство. 2019. № 11. С. 26-30. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-11-26-30
12. Akulova I.I., Slavcheva G.S. Methodological approaches to rationing the cost of operation of machines and mechanisms for 3d-construction printer. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 11, pp. 26-30. (In Russian). DOI: https:// doi.org/10.31659/0044-4472-2019-11-26-30
^^^^^^^^^^^^^^ |l2'2019
