0Возможность использования строительной Эй-печати бетоном при возведении зданий и сооружений в России
Царенко Анна Алексеевна
старший преподаватель, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, annatsarenko1@yandex.ru
Шапурова Наталия Александровна
студент, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, annatsarenko1@yandex.ru
В рассматриваемой статье обоснованы достоинства и недостатки использования строительной 3D-печати бетоном, особенности и возможность применения данной технологии для промышленного и гражданского строительства в Российской Федерации на примере расчета применения. Целью данной статьи является анализ возможных вариантов использования 3D печати при гражданском строительстве. Проанализированы исследования ученых в области прочностных характеристик и несущей способности конструкций. Приведены примеры вариативности технологий строительной 3D-печати, а также возможные области их использования. Проанализирована нормативная база Российской Федерации, которая способствует или же сдерживает развитие аддитивных технологий.
Ключевые слова: строительная 3D-печать, конструкции, технологии, нормативная база, 3D-принтер, строительство.
В организации и планировании строительного производства наиболее остро стоит вопрос сокращения сроков выполнения работ, а также оптимизации технологий строительных процессов. Одним из наиболее популярных методов планирования является поточный метод воспроизводства работ, который был предложен Афанасьевым В.А. Суть и преимущества метода заключаются в последовательном выполнении однородных работ и параллельно-разнородных [1]. Для сокращения сроков выполнения операций по возведению каркаса здания на различных захватках возможно рассмотреть применение аддитивных технологий строительного производства, например, строительной печати с помощью 3D-принтера.
Особенность использования 3D-принтера для возведения конструкций заключается практически в параллельном выполнении процессов по созданию конструкции, так как разница между окончаниями последовательных работ заключается в часах. При анализе ориентировочных сроков выполнения технологических процессов по созданию конструкций, учитывая трудозатраты и создания календарного графика в Microsoft Project [2], выявлена тенденция, что создание элемента, длиной бетонной ленты 650 м ориентировочно занимает две недели. При монтаже конструкций могут использоваться башенные краны, которые удлинят процесс возведения каркаса на 8-10 дней, в зависимости от вида конструкций. Стоит учитывать, что для возведения зданий и сооружений следует армировать все бетонные изделия, которые воспринимают нагрузки и обеспечивают несущую способность, а также использовать различные виды опалубок, что увеличивает трудоемкость и продолжительность процесса создания изделия. Из положительных аспектов стоит отдельно выделить снижение затрат ручного труда и снижение ошибок вследствие человеческого фактора.
Основной задачей при моделировании 3D-моделей является рациональный подбор сопла и соответствующей толщины слоев, на которые можно разделить изначально цельную конструкцию. От толщины каждого слоя зависит влияние на прочностные характеристики и несущую способность конструкции. Также необходимо учитывать толщины опалубки, которая обычно является несъемной. Подсчет объема работ производится в метрах, которые обозначают общую длину экструдиро-ванной ленты. Пример разбивки модели в виде купола на слои с нестандартными размерами опалубки показан на рис.1.
а) 6)
Рисунок 1 - Схема поярусной укладки слоев купольной конструкции: а) купольная конструкция диаметром до 6 м, б)-то же, диаметром до 12 м
Основными этапами работы для создания 30-конструкций является создание модели, установка принтера, подготовка принтера к 30-печати и непосредственное осуществление печати модели. Модель для строительной печати может быть выполнена в любом программном обеспечении, которое позволяет
*
сч
0
сч *
01
вывести модель в формат, поддерживаемый принтером. В большинстве случаев готовую модель переводят в специальный код, который передается при печати принтеру для начала работы. Далее при необходимости принтер может быть транспортирован непосредственно на строительную площадку, где осуществляется монтаж, подключение и настройка принтера к сетям электроснабжения и водоснабжения. После сборки на управляющее устройство загружается файл в требуемом формате, готовится и затем подается в экструдер принтера приготовленная смесь. Управление 3D-печатью осуществляет оператор и контролирует процесс. Другие сотрудники осуществляют монтаж готовых блоков, армирование и финишную обработку.
В нормативных документах отсутствуют конкретные нормы для рабочих, которые должны выполнять данные виды работ, поэтому при расчетах трудозатрат требуется выбирать наиболее подходящий и близкий по назначению состав бригады. Одним из вариантов для оператора может быть высококвалифицированный специалист- машинист 6 разряда.
Расчет продолжительности работ при строительной 3D-пе-чати ведется в зависимости от технологических характеристик принтера, количества слоев и типа конструкции. На сегодняшний день одними из наиболее ходовых конструкций являются перегородки и стены, иногда горизонтальные несущие элементы. В виду недостатка информации по исследованиям работы конструкций под нагрузками, производители все еще не стремятся использовать аддитивные технологии при возведении зданий и сооружений, тем более для создания большепролетных несущих элементов. В данной статье предложен смоделированный вариант устройства купола, используя 3D-печать. Несомненно, данное решение основывается на методических исследованиях и требует подкрепления при испытании образцов таких куполов на прочность в лабораторных условиях. В качестве основного механизма выбран принтер Batiprint3d, который содержит в себе два механизма следующих составляющих: это создание пенопо-лиуретановой опалубки, а также непосредственная заливка бетона. Вид технологии для печати является моделирование плавленым осаждением. Каждый слой связывается с предыдущим в процессе затвердевания смеси.
Для данного принтера возможно назначать толщину слоя от 40 до 200 мм, плотностью 30 кг/м3. В нашем случае принимаем толщину слоя 100 мм, высота слоя 500 мм. Скорость печати составляет 1 м/мин. В качестве напорной головки используется 1 сопло. Механизм осуществляет свою работу при помощи роботизированной руки и приводится в движение колесами и гусеницами. Для выполнения работы достаточно одного обученного рабочего.
Таблица 1
N п/п Обоснова- Наименование Ед. изм. Объем работ Норма времени Состав звена по Затраты труда
ние норм работ раб. чел-ч. маш. маш-ч. ЕНИР раб. чел-дн. маш. маш-см.
1 Е4-1-31 Установка закладных деталей 1 шт 1112 0,71 Плотник 4р.-1, 3р.-1 98,69
2 ГЭСН 26-01021-01 Устройство пе-нополи-уретано-вой опалубки м3 74,3 20,8 0,31 Тепло-изолировщик 4р.-1, 2р.-1 193,18 2,88
3 Е4-1-46 Установка арматурного кар- 1 т 7,43 13 арматурщик 4 разряд -1 12,07
каса арматурщик 3 разряд -1
4 Е4-1-48 100 т 0,07 6,36 0,30 машинист крана 5 0,06 0,00
Подача арматуры краном разряд -1 такелажники 2 разряд -2
5 Расчет исходя из хар-к обо-рудо-вания Печать купола на 3Э принтере м 655,48 0,017 Машинист 3Э принтера - 1 1,39
6 ГЭСН 15-01047-01 Покрытие купола нитрид-титановыми панелями 100 м2 5,49 344,3 0,15 Облицовщик-плиточник 4 разряд 1, 3 разряд 1 236,44 0,01
7 ГЭСН 08-07001-02 Установка инвентарных лесов 100 м2 0,51 73,66 0,07 Монтажник конструкций 4р.-1, 3р.-1, 2р.-1 4,71 0,01
8 ГЭСН 09-07020-10 Установка купола т 5,36 150 10,47 Машинист крана 6р.-1, Монтажник конструкций 5р.-1, 4р.-1, 3р.-1, 2р.-1 100,50 7,01
9 ГЭСН 10-01010-01 Установка конструкций креста шт 5 0,37 0,18 Машинист крана 6р.-1, Монтажник конструкций 5р.-1, 4р.-1, 3р.-1, 2р.-1 0,23 0,11
19 ГЭСН 08-07001-02 Разборка инвентарных лесов 100 м2 0,51 73,66 0,07 Монтажник конструкций 4р.-1, 3р.-1, 2р.-1 4,71 0,01
ИТОГО: 650,60 11,43
t = ■
Бригада по устройству купола состоит из 8 звеньев. Определим время работы каждого звена, входящего в состав бригады:
М-п'
^(плотники) = (98,69)/(2 * 1) = 50 дней ^(теплоизолиовщики) = (193,18)/(2 * 1) = 97 дней 1,39
tз(машинист принтера) = -—- =2 дня 1*1
236,44
t4(облицовщики) = ——— = 119 дней
t5(монтажники) =
2*1
100,05 + 0,23 + 4,71 + 4,71 4*
= 28 дней
1,39 + 0,01 + 0,01 + 7,01 + 0,01 + 0,01
1*1
= 9 дней
^(маш. крана) =
12,07
^(арматурщики) = ——— =6 дней 2*1 0,06
^(такелажники) = -—- =1 день 2*1
Ведущий механизм - монтаж конструкций. Приблизим время других процессов ко времени выполнения работ монтажниками.
^(теплоизолиовщики) 97
t5(монтажники) 28 ' К-п = 3,46 -2 = 7 чел
t4(облицовщики) 119 "28
К = ■
t5(монтажники) Кп = 4,25 ^2 = 8 чел
= 4,25
К =
^(плотники)
50
= — =1,78
t5(монтажники) 28 Kn = 1,78 -2 = 3чел
Согласно проведенному расчету, принимаем бригаду в количестве 20 человек:
Плотник/монтажник 4р-2 чел.; Плотник/монтажник 3р-1 чел.; Машинист крана/ Машинист 3D принтера 6р-1 чел.; Теплоизоли-ровщик/такелажник 4р-4 чел.; Теплоизолир/монтажник 2р-3чел; Облицовщик-плиточник/арматурщик 4р-4 чел.; Облицовщик-плиточник/арматурщик3р-4 чел.; Монтажник конструкций 5р-1 чел.
Таким образом продолжительность устройства купола при использовании 3D печати составляет 28 дней, с учетом сопутствующих работ и работ по отделке. При рассмотрении устройства данного купола с использованием бетонных монолитных работ на объекте, продолжительность увеличится на 15 дней и дополнительно необходимо ожидать набора критической прочности. При сравнении двух вариантов заметна значительная разница в продолжительности работ.
С 2017 года российские компании, специализирующиеся на возведении домов с помощью 3D-печати, уже смогли опробовать два основных метода возведения зданий по таким технологиям, как печать объекта непосредственно на строительной площадке [3], что предусматривает собой непосредственное изготовление всех необходимых конструкций дома, не отрываясь от производства без расходов на транспортировку деталей, что сделала компания Apis Cor; и второй вариант, реализованный компанией Спецавиа, печать каркаса первого жилого дома в Европе и странах СНГ с помощью портального принтера по частям, которые были в дальнейшем смонтированы уже на строительной площадке, весь процесс чего занял один месяц [4]. Схемы алгоритмов данных процессов представлены ниже. Для примера выбраны небольшие двухэтажные здания [5].
Приготовление бетонной смеси
г Монтаж плит перекрытия
Монтаж кровельных плит
Печать конструкции верхних этажей
Гранспортировка принтера 4 V наналоЗОпенати у Калибровка элементов оборудования J \__-
Монтаж принтераJ
Приготовление бетонной смеси
Печать конструкций нижнего зтажа
Установка изделий на строительной площадке
Транспортировка готовых изделий
Подбор компонентов бетона -
Рисунок 2 - Схемы производства работ: а) на строительной площадке, б) при транспортировке и монтаже готовых изделий
Соответственно, одним из наиболее существенных недостатков является возможность армирования конструкций, напечатанных на 3D-принтере, только горизонтально, когда арматура укладывается между слоями во время печати, или же вертикального-перед заливкой бетоном. Как утверждают представители одной из наиболее крупных компаний, занимающихся печатью домов в России, Спецавиа, 3D-принтеры не предназначены для печати фундаментов и кровли. Соответственно, весь состав работ и технологии по возведению кровли, в том числе стропильной системы, должен выполняться исключительно с использованием общепринятых или иных технологий [6].
Из вышесказанного можно сделать вывод, что огромное количество конструкций, которые популярны и актуальны в России и не только, невозможно изготовить, используя технологии строительной 3D-печати. Одним из таких примеров являются купола большепролетных конструкций, которые повсеместно встречаются в объектах культовых сооружений общественного назначения.
В декабре 2023 года исследователями московского НИИ строительных материалов и технологий было проведено исследование особенностей работы бетонных конструкций, изготовленных с применением технологии аддитивного строительного производства. В результате исследования были определены плотность, прочность при сжатии и несущая способность формообразующих элементов. Результаты испытаний образцов, изготовленных методом формования по ГОСТу на сухие строительные смеси, показали, что в конструкциях, изготовленных с помощью аддитивных технологий, наблюдается значительно большая дисперсия единичных значений прочности при сжатии, растяжении, изгибе и плотности [7].
В то же время из основных достоинств использования строительной 3D-печати на примере тех же культовых сооружений основное внимание можно уделить возможности создания малых архитектурных форм, декоративных элементов фасадов, а также вертикальных ненесущих конструкций. Аддитивные технологии 3D-печати позволяют печатать непосредственно перегородки, алтарные ворота, иконостасы, узоры, таблички со священными текстами, вазы для цветов, ризы, сложные украшающие элементы, например, виноградную лозу на алтарях и прочие элементы интерьера и экстерьера. Таким образом, работы с использованием аддитивных технологий строительства можно применять в даже процессе благоустройства территории.
Согласно межгосударственному стандарту, действующему в Российской Федерации, о надежности конструкций, для сооружений массового строительства рекомендуемый срок службы составляет не менее 50 лет, а для уникальных зданий и сооружений, которые включают в себя театры, музеи, хранилища культурных ценностей-100 лет и более. Данный ГОСТ является одним из 5 обязательных документов в строительстве, которые необходимо учитывать при проектировании зданий и сооружений в Российской Федерации. Соответственно, отсутствие массовой застройки многоэтажных жилых и общественных зданий с помощью аддитивных технологий требует доказательств надежности и долговечности 3D-конструкций из бетона при использовании таковых при возведении зданий и сооружений жилого, производственного и общественного назначения в промышленном и гражданском строительстве.
Следующим обязательным нормативным документом, требования которого достаточно сложно выполнить в российских реалиях производителям зданий и сооружений с помощью строительной 3D-печати является СП 20 «Нагрузки и воздействия». Многие параметры даны для проверенных и распространенных железобетонных конструкций, в то время как в конструкциях из 3D-печати могут применяться смеси различного состава, использоваться бетонные добавки, которые проектируются и закладываются разработчиками для каждого конкретного объекта. Соответственно, достаточно остро стоит вопрос стандартизации и унификации данного типа конструкций.
На сегодняшнее время вышеизложенные факторы являются существенным препятствием для разработки отдельной нормативной базы для разрешения массового внедрения данной технологии в Российской Федерации. Несмотря на то, что стандартизация новых технологий является достаточно длительным процессом, нормативная база постоянно обновляется и пополняется новыми данными. В 2017 году в России были утверждены два ГОСТ Р 57558-2017 [8] и ГОСТ Р 57556-2017 [9], которые являются первыми документами, обосновывающими основные понятия в сфере аддитивных технологий. Также отдельно не для бетонных, а металлических конструкций был представлен систематизированный перечень некоторых разрабатывающихся и уже утвержденных нормативных документов, опубликованный на официальном сайте российского производителя SLM установок 3DLAM, которые производят SLM 3D принтеры для печати металлом [10], что в свою очередь также является аддитивными технологиями. Авторы данного перечня утверждают, что он составлен при помощи использования открытых источников информации.
О *
О X
о S
S *
и
с т •и о
S
т
ф
а т
о т
а
8)
Использование строительной 3D-ne4a™ из бетона является достаточно актуальным и перспективным направлением для возведения горизонтальных (перекрытий) и вертикальных (стен, перегородок, колонн) несущих конструкций, которые возможно армировать.
На сегодняшний день все еще невозможно применение такого рода конструкций для создания фундаментов, кровли, уникальных, в частности большепролетных купольных конструкций, так как исследования доказывают недостаточные прочностные характеристики данного вида конструкций в этом случае.
В Российской Федерации только начинает развиваться нормативная база для стандартизации смесей, оборудования и технологии строительной 3D-печати не только бетоном, но и другими материалами, например, металлами. Соответственно, массовое применение данной технологии на сегодняшний день не только в России, но и в мире, в основном, применяется для зданий и сооружений небольшой этажности, хотя есть исключения, а также на заказ для частных лиц и фирм. Более того, данная технология еще требует доработок и дополнительных исследований, чтобы проанализировать и исследовать возможность мониторинга и отслеживания состояний данного типа зданий и сооружений и в дальнейшем для возможности безопасной эксплуатации и капитального ремонта.
Литература
1. Жадановский Б.В., Ерижокова Е.С. Поточный метод как способ организации строительства// Системные технологии. 2018. №28. С.136-140.
2. Бовтеев С.В., Ханова Л.Р. Опыт применения технологий информационного моделирования в проектировании и организации строительства// Организация строительного производства: материалы III Всерос. науч.-практич. конф. СПб.: СПбГАСУ, 2021. С. 55-67.
3. Жадановский Б.В., Ерижокова Е.С. Поточный метод как способ организации строительства// Системные технологии. 2018. №28. С.136-140.
4. Симакова Е.А., Селякова К.И. Применение 3D-печати в строительстве // Инженерные исследования. 2021. № 1 (1). С. 311.
5. Иноземцев А.С., Королев Е.В., Зыонг Тхань Куй. Анализ существующих технологических решений 3Dпечати в строительстве // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. № 7 (118). С. 863-876.
6. 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. № 1. С. 90-101.
7. Мухаметрахимов РХ, Вахитов ИМ. Аддитивная технология возведения зданий и сооружений с применением строительного 3D-принтера // Известия КГАСУ. 2017. № 4 (42). C..350-356.
8. ГОСТ 27751-2014/IS0 2394:1998, NEQ). Надежность строительных конструкций и оснований. Дата введения -
2015.07.01/ Федеральное агентство по техническому регулированию. - Изд. официальное. - Москва.: Стандартинформ, 2019. - 24 с.
9. ГОСТ Р 57558-2017 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. Дата введения - 2017.12.01/ Федеральное агентство по техническому регулированию. - Изд. официальное. - Москва.: Стандартинформ, 2020. - 12 с.
10. ГОСТ Р 57556-2017 Материалы для аддитивных технологических процессов. Методы контроля и испытаний. Дата введения - 2017.12.01/ Федеральное агентство по техническому регулированию. - Изд. официальное. - Москва.: Стандартинформ, 2017. - 6 с.
The possibility of using 3D concrete construction printing in the construction of
buildings and structures in Russia Tsarenko A.A., Shapurova N.A.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering In this article, the advantages and disadvantages of using construction 3D printing with concrete, the features and the possibility of using this technology for industrial and civil construction in the Russian Federation are substantiated by the example of calculating the application. The purpose of this article is to analyze possible options for using 3D printing in civil engineering. The research of scientists in the field of strength characteristics and bearing capacity of structures is analyzed. Examples of the variability of construction 3D printing technologies are given, as well as possible areas of their use. The regulatory framework of the Russian Federation, which promotes or hinders the development of additive technologies, is analyzed. Keywords: construction 3D printing, structures, technologies, regulatory framework, 3D
printer, construction. References
1. Zhadanovsky B.V., Erizhokova E.S. Flow method as a way to organize construction //
System technologies. 2018. No. 28. P.136-140.
2. Bovteev S.V., Khanova L.R. Experience in using information modeling technologies in
the design and organization of construction // Organization of construction production: materials of the III All-Russian. scientific-practical conf. SPb.: SPbGASU, 2021. pp. 55-67.
3. Zhadanovsky B.V., Erizhokova E.S. Flow method as a way to organize construction //
System technologies. 2018. No. 28. P.136-140.
4. Simakova E.A., Selyakova K.I. Application of 3D printing in construction // Engineering
research. 2021. No. 1 (1). pp. 3-11.
5. Inozemtsev A.S., Korolev E.V., Duong Thanh Kuy. Analysis of existing technological
solutions for 3D printing in construction // Bulletin of MGSU. 2018. T. 13. No. 7 (118). pp. 863-876.
6. Luneva D.A., Kozhevnikova E.O., Kaloshina S.V. Application of 3D printing in
construction and prospects for its development // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Construction and architecture. 2017. T.8. No. 1. P. 90-101.
7. Mukhametrakhimov R.Kh., Vakhitov I.M. Additive technology for the construction of
buildings and structures using a construction 3D printer // News of KGASU. 2017. No. 4 (42). C..350-356.
8. GOST 27751-2014/IS0 2394:1998, NEQ). Reliability of building structures and
foundations. Date of introduction - 2015.07.01/ Federal Agency for Technical Regulation. - Ed. official. - Moscow: Standardinform, 2019. - 24 p.
9. GOST R 57558-2017 Additive technological processes. Basic principles. Part 1.
Terms and definitions. Date of introduction - 2017.12.01/ Federal Agency for Technical Regulation. - Ed. official. - Moscow: Standardinform, 2020. - 12 p.
10. GOST R 57556-2017 Materials for additive manufacturing processes. Methods of
control and testing. Date of introduction - 2017.12.01/ Federal Agency for Technical Regulation. - Ed. official. - Moscow: Standartinform, 2017. - 6 p.
*
СЧ О СЧ
