Журнал «Аддитивные технологии»

Аддитивные технологии в строительстве: примеры и перспективы применения (часть 2)

Как было показано в первой части статьи, аддитивные технологии (AM) в строительстве уже получили серьезный импульс к развитию. Создается оборудование различных типов и применений, появляются новые материалы, в предлагаемых проектах стирается грань между фантазиями архитекторов и реальностью.

В продолжение предыдущего материала рассмотрим преимущества и перспективы применения АМ-технологий в строительной индустрии, а также примеры успешно выполненных работ.

Преимущества использования АМ-технологий

1. Факт: 6–9 месяцев в среднем занимает строительство дома в США. Перспектива: спроектированный с учетом запросов заказчика дом построен за 1 день (без отделки).

2. Факт: около 30 миллионов владельцев домов в США испытывают такие проблемы, как финансовое бремя, перенаселенность, недостаточность пространства. По оценкам, ежегодный рост в 5 % больших городов в развивающихся странах приведет к росту трущоб и незаконных поселений в 10 % в год.

Перспектива: достойное и приемлемое жилье для людей с низкими доходами.

3. Факт: жертвы стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, войн и т. д.) вынуждены месяцами и годами жить во временных убежищах.

Перспектива: комфортабельные жилые убежища (не тенты) для длительного пользования пострадавшими от стихии; строятся очень быстро.

4. Факт: традиционное строительство производит чрезмерное количество разного рода отходов. Например, строительство дома для одной семьи дает от 3 до 7 тонн отходов. На мировом рынке более 40 % сырьевых материалов идет в строительство.

Перспектива: строительство без отходов, шума, пыли и загрязнений воздуха.

5. Факт: больше всего несчастных случаев, в том числе с фатальным исходом, встречается в строительстве. Например, только в США ежегодно получают серьезные травмы или погибают на строительстве примерно 400 000 рабочих, и это несмотря на строгие требования по безопасности.

Перспектива: нет инцидентов и травм на строительных площадках, нет соответствующих судебных разбирательств.

6. Факт: любое отклонение от стандартного проекта (например, использование криволинейной поверхности вместо прямой стены) значительно удорожает стоимость традиционного строительства.

Перспектива: всестороннее влияние технологий АМ может быть значительным для рынка жилого сектора, который оценивается в $300 млрд в год, и для коммерческого рынка с оценкой в $700 млрд в год.

Возможные применения технологии АМ

1. Построение высоких бетонных опор для ветряных станций, пилонов мостов, водонапорных башен, силосов, дымовых труб и т. д. Метод заключается в установке нескольких роботов, взбирающихся по строящейся опоре вверх и перемещающих платформу с печатающей головкой (рис. 1). Метод особенно актуален для строительства опор в труднодоступных местах, где традиционный метод строительства с помощью кранов неприменим.

Рис. 1. Построение башни ветрогенератора по технологии Contour Crafting

Стоимость опоры ветрогенератора (~$500 000) составляет большую часть в совокупных затратах, включающих фундамент, гондолу генератора и ротор. Высота опор ветрогенератора сегодня ограничена высотой крана, который можно смонтировать в данном месте (максимальная высота 85–100 м), и размерами секций башни, которые изготавливаются на заводе и должны быть доставлены на строительную площадку. Для доставки секций башни и крана требуется построить специальную широкую дорогу на ветроферму. Ее стоимость для фермы со 100 установками обойдется в $30 млн.

2. Использование роботизированных технологий для создания безопасных надежных и доступных строительных структур на Луне и Марсе для проживания, для размещения лабораторий и других целей, которые должны быть созданы еще до прибытия людей. Предполагается использовать местные материалы в качестве сырья для строительных смесей. Созданные структуры должны включать в себя защиту от радиации, электропитание, водоснабжение и сеть различных датчиков. Одна из компаний получила от NASA грант на технологию Contour Crafting (2014 г.) и грант на технологию Selective Separation Shaping (SSS) в 2016 г., оба гранта на применение роботизированных строительных технологий в космосе и для первых поселений на Луне и на Марсе (рис. 2).

Рис. 2. Панорама стройки

Технология использует метод 3D-печати с помощью головки с последующим спеканием керамики другой головкой за счет микроволнового излучения. Например, робот сможет напечатать посадочную площадку из сцепленных друг с другом отдельных керамических плиток для приема космических аппаратов (рис. 3). В противном случае велик риск потери аппарата, в частности, если он опустится на склон кратера. В качестве строительного материала используется местный грунт, который спекается излучателем. Границы плитки определяются печатной головкой, она наносит порошок высокотемпературной керамики, тем самым отдельные плитки не будут спекаться (рис. 4). Таким образом, получается прочная структура посадочной площадки, которая не треснет под действием газов двигателя спускаемого аппарата от термического расширения.

Рис. 3. Посадка аппарата на подготовленную площадку

Рис. 4. SSS-процесс печати

Примеры успешного использования АМ-технологий в строительстве

Офисный комплекс в Дубае. Компания Winsun (Китай) занимается оказанием услуг по строительству, используя портальные 3D-принтеры собственной разработки. Офисный комплекс в Дубае был построен с помощью портального 3D-принтера за 17 дней и использовался для временного размещения Фонда будущего Дубая (рис. 5). Интерьер был изготовлен также с помощью аддитивных технологий. В настоящее время «Офис будущего» эксплуатируется фондом Future Foundation и используется для проведения выставок, конференций и других мероприятий.

Рис. 5. Офисный комплекс в Дубае

Временные казармы для Пентагона. В Пентагоне американские военные инженеры готовятся возводить временные казармы с помощью строительных 3D-принтеров и с использованием местных строительных материалов (рис. 6). 3D-принтер способен наносить бетон с наполнителем из частиц размером до десяти миллиметров, при этом предусматривается армирование бетона как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Мобильные аддитивные строения могут оказаться полезны и при возведении временного жилья для гражданского населения.

Рис. 6. Жилой блок площадью (~50 кв. м) отпечатан на 3D-принтере

Сельский экодом компании WASP (Италия) в технопарке Шамбала (рис. 7). Рабочий материал — смесь соломы с клеем. Цель проекта показать, как можно построить дома, имея ограниченный бюджет, с экономией электроэнергии и минимальными отходами стройматериалов.

Рис. 7. Использование 3D-принтера (дельта типа) компании WASP высотой 12 м для строительства экодома

Сельский дом в виде бесконечной ленты (рис. 8). Пример этого проекта показывает, как можно реализовать фантазии нидерландского архитектора напечатать дом в форме ленты Мёбиуса. Концепцию своего проекта архитектор объясняет так: «Планета Земля не имеет начала и конца, и мы стремимся к такой же форме». Принтер, разработанный для проекта инженером Энрико Дини, может печатать квадраты размером 7 на 7 метров. Фирма Universe Architecture совместно с инженерной компанией BAM испытывают его в одном из производственных помещений Амстердама. Работа принтера основана на послойном отвердении рабочего порошка, который насыпается в ванну, разравнивается и отверждается в нужных местах с помощью робота. Инструментом является прямоугольная матрица с соплами, через которые подается отверждающий раствор.

Рис. 8. Проект дома «бесконечная лента» и принтер BAM, разработанный для реализации проекта

Дом в Чикаго. Дизайн дома Curve Appeal был разработан архитектурной фирмой из Чикаго WATG. Реализацией проекта занимается компания Branch Technology. В основе технологии использование роботизированной руки Kuka KR 90 для выстраивания пространственных структур с помощью ABS-пластика, армированного углеволокном (рис. 9). С ее помощью можно легко строить элементы дома свободной формы объемом до 237 куб. м, которые можно сочетать с другими строительными материалами. Отличие рассматриваемой технологии от других послойных технологий в том, что она выстраивает с высокой скоростью внутренние сотовые структуры конструкции, имеющей сложную геометрию. После чего они покрываются традиционным способом с помощью распыления любого недорогого строительного материала типа теплоизолирующей строительной пены и бетона. В результате получается прочная гибридная конструкция. Branch Technology готовит к реализации проект такого дома площадью 60–80 кв. м для одной семьи. Этот проект заставит пересмотреть традиционные взгляды архитекторов на эстетику, эргономику, методы конструирования и строительства. Прозрачные внутренние стены создают мягкое освещение, а внешнее покрытие в виде катящихся арок естественным образом вписывает дом с его обитателями в окружающую среду.

Рис. 9. Дом Curve Appeal снаружи и внутри, структура стены дома

Павильон Вулкан в Пекине.> Павильон Вулкан (рис. 10) напоминает облака при извержении вулкана. За 30 дней на 20 принтерах (FDM) были изготовлены более 1000 деталей павильона и затем собраны вместе. Авторы павильона, Laboratory for Creative Design (LCD), использовали 20 крупных 3D-принтеров.

Рис. 10. Павильон в Пекине высотой 2,88 м и длиной 8,08 м

Жилой дом, Окриджская национальная лаборатория (ORNL): проект AMIE (интеграция аддитивных технологий и энергии). Проект состоит из напечатанного здания (рис. 11) и автомобиля, изготовленного с применением АМ. Компания SOM (Skidmore, Owings & Merrill LLP) разработала структуру здания, которая состоит из объемных полимерных панелей, напечатанных на 3D-принтере. Панели выполняют несколько функций, присущих традиционной стеновой панели: несущая нагрузку опора, тепло-, гидро- и звукоизоляция, внешняя облицовка.

Рис. 11. Дом-автомобиль и сборка дома из панелей на шасси, комплект

Комбинация панелей общей площадью 79 % всей поверхности и остекления (доля в 21 %) позволила увеличить энергоэффективность здания. Панели создавались с помощью принтера размерами 11,6 м (длина) × 3,7 м (ширина) × 3,7 м (высота). Они прошли все необходимые испытания, соответствующие стандартным строительным нормам.

Электроэнергию поставляют дому солнечные батареи, установленные на крыше.

Автомобиль, который входит в комплект дома, был разработан и построен компанией ORNL (с применением технологий АМ). Он также может подключаться к системе электропитания дома и обеспечивать любую необходимую дополнительную мощность.

Напечатанный мост

В дополнение к удивительным мостам через каналы в Амстердаме вскоре добавится ажурный стальной мост (рис. 12), построенный с помощью 3D-принтера. Принтер MX3D оборудован 6-осевым роботом ABB, который позволяет создавать из металла за счет наплавки пространственные структуры. Объем не ограничен традиционным «кубиком» рабочей зоны обычного 3D-принтера, поэтому печать реального моста явилась хорошим шансом продемонстрировать неограниченные возможности этой технологии. Дизайн моста через канал Oudezijds Achterburgwal был разработан в лаборатории Joris Laarman Lab. Символизм моста в соединении технологий будущего со старым городом.

Рис. 12. Строительство моста через канал

Строительная 3D-печать в России

Первый портальный малоформатный строительный 3D-принтер разработала и представила на рынок в 2015 г. компания из Ярославля ООО «Спецавиа», ныне резидент Сколково, торговая марка «АМТ». Первоначальная ориентация была на малый бизнес как основного потребителя оборудования для создания малых форм элементов ландшафтного дизайна. После того, как гиганты строительного рынка проявили интерес к крупноформатным принтерам, компания разработала линейку из 7 основных типов портальных 3D-принтеров, выпускаемых как серийно, так и по специальным требованиям заказчиков. Это машины:

  •  малого формата (объем строительных конструкций до 36 куб. м) для печати частей зданий, которые за счет разработанных технических решений могут быть интегрированы в типовые проекты домов индивидуального жилищного строительства;
  •  принтеры для строительства домов площадью до 140 кв. м и более до 2-х этажей:

а) стационарные для печати домов площадью до 140 кв. м в 2 этажа;

б) мобильные, позволяющие печатать дом или серию домов без ограничения площади застройки и высоты объекта.

Это профессиональное оборудование, рассчитанное на непрерывную эксплуатацию в условиях производства. Целиком дом на строительной площадке размером 12×12 м можно напечатать за одну установку принтера. На сегодня компания продала свыше 50 принтеров заказчикам из РФ, Казахстана, Молдовы, Дании.

Первый в Европе реальный жилой дом был построен в Ярославле в 2017 г (рис. 13, 14).

Рис. 13. Жилой дом, построенный с помощью 3D-печати

Рис. 14. Фасад дома

Для печати архитектурных форм, макетов, для моделирования компания «Спецавиа» разработала и выпускает промышленных способом 3D-принтеры большого формата, работающие по технологии FDM с любыми термопластиками. Рабочая зона принтера «Бегемот» 1×1×2 м (наибольшая среди выпускаемых в мире аналогичных принтеров), имеется подогреваемый стол, две печатающих головки (можно печатать разными цветами или разными материалами). Пример печати на рис. 15. Другой такой же принтер большого формата «Хомяк» имеет меньшую рабочую зону 0,3×0,3×0,45 м и обладает всеми характеристиками большой модели принтера.

Рис. 15. Пример печати из термопластика на 3D-принтере «Бегемот», высота букв 300 мм

В Копенгагене (Дания) компания 3D Printhuset на 3D-принтере компании «Спецавиа» печатает первый в Европе дом (рис. 16) — офисное здание площадью 50 кв. м.

Рис. 16. Здание офиса-отеля в Копенгагене (в процессе печати на принтере АМТ)

Компания Apis Сor из Иркутска напечатала дом площадью 32 кв. м в Подмосковье (рис. 17), используя 3D-принтер собственной разработки.

Рис. 17. Дом площадью 32 кв. м в подмосковном Ступино

Андрей Руденко (РФ), проживающий сейчас в Миннесоте (США), разработал портальный 3D-принтер и построил несколько объектов (рис. 18).

Рис. 18. Замок в Миннесоте, построенный с помощью портального принтера

Тенденции в строительной индустрии

Подробный анализ состояния строительной индустрии и направлений ее развития был проведен консалтинговой компанией McKinsey. Некоторые важные тенденции отмечены ниже:

  •   зеленое строительство (снижение выбросов углерода при производстве материалов);
  •  эффективность затрат — выбор правильных материалов, например, вместо стеклянных панелей использовать этилентетрафторэтилен (ETFE). Он получил широкое распространение после того, как использовался для создания части водного здания для Олимпийских игр в Пекине в 2008 году. ETFE весит менее 1 процента эквивалентной стеклянной панели, стоимость установки в разы меньше;
  •  оптимизация логистики;
  •  повышенные прочность и надежность: проекты должны иметь более длительную коммерческую жизнь;
  •  изготовление сборных модулей, строительных элементов за пределами стройплощадки.  

Этот метод также можно адаптировать для модульных зданий, таких как отели и бюджетные кондоминиумы. Полные подмодули большого здания собраны на заводе или рядом с ним перед окончательной сборкой на строительной площадке. Такие методы, как сборные, предварительно сконструированные объемные конструкции (PPVC), объединяют возможности для трансформации строительной площадки в производственную систему. Как результат — большая эффективность, меньше отходов и повышенная безопасность.

Результаты обзора аддитивных технологий для строительной индустрии и опыта их применения показывают хорошие перспективы для развития этого направления. Материалы практически те же, как и при монолитном строительстве. Экономия возникает только за счет автоматизации производства, возможности быстро и без особых трудозатрат сделать сложные формы фасадов, конструктив стен. На коробке зданий можно сэкономить около 30–40 %, что в общем объеме строительства даст 7–10 %. Но и это уже немало. Кроме того, 3D-печать — это некий дополнительный инструмент, с помощью которого удобно решать ряд строительных задач. Ее удел – не только единичные авторские постройки, но и массовые применения, например, очень сложные многокамерные стены с большим количеством полостей под коммуникации. Трехмерная печать в строительстве станет привычной и будет широко использоваться, как только появится строительный стандарт на аддитивную строительную технологию.

Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»

Источники

1. www.contourcrafting.com
2. www.officeofthefuture.ae
3. http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/the-army-corps-of-engineers-us-army-will-adopt-construction-3d-printin/
4. http://www.universearchitecture.com/projects/landscape-house
5. http://www.som.com/news/oak_ridge_national_laboratory_unveils_som-designed_3d-printed_building_powered_by_a_car
6. www.mx3d.com/projects/bridge/
7. www.3dpulse.ru
8. Norman Hacka, Timothy Wanglerb, Jaime Mata-Falcónc, Kathrin Dörflera, Nitish Kumard, Alexander Nikolas Walzera, Konrad Grasere, Lex Reiterb, Heinz Richnerb, Jonas Buchlid, Walter Kaufmannc, Robert J. Flattb, Fabio Gramazioa, Matthias Kohlera MESH MOULD:
AN ON SITE, ROBOTICALLY FABRICATED, FUNCTIONAL FORMWORK
9. https://specavia.pro
10. http://apis-cor.com
11. https://www.mckinsey.com/industries/capital-projects-and-infrastructure/our-insights/imagining-constructions-digital-future
12.  http://tass.ru/ekonomika/4674212

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 1-2018.

Компании:
Apis Cor
СПЕЦАВИА

У ВАШЕЙ КОМПАНИИ ЕСТЬ ЗАДАЧИ В СФЕРЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ? МЫ ГОТОВЫ ПОМОЧЬ В ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Агентство 3Dpulse.ru и консалтинговая группа «Текарт» предлагают сотрудничество в самых разных областях: от поиска потенциальных партнеров до рекомендаций по стратегическому планированию.
Отправьте заявку и получите консультацию на электронную почту.
Комментариев пока нет

добавить сообщение

?

Хотите
быть в курсе

события 3D-печати

У ВАШЕЙ КОМПАНИИ ЕСТЬ ЗАДАЧИ В СФЕРЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ?
МЫ ГОТОВЫ ПОМОЧЬ В ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Агентство 3Dpulse.ru и консалтинговая группа «Текарт» предлагают сотрудничество в самых разных областях: от поиска потенциальных партнеров до рекомендаций по стратегическому планированию.

Отправьте заявку и получите консультацию на электронную почту.