ЭВОЛЮЦИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ 3Д ПРИНТЕРОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлена статистика и выполнен анализ конструкций, построенных с помощью 3Д-печати по годам их возведения. Описаны около 30-ти международных компаний застройщиков, которые построили более 120 объектов с помощью строительных 3Д-принтеров.  А также рассмотрены технические особенности возведенных зданий: армирование, инженерные коммуникации,  отделка, устойчивость, архитектурная форма.

ABSTRACT

This article presents statistics and analyzes structures built using 3D printing by the years of their construction. Around 30 international developer companies that built more than 120 objects using construction 3D printers are described. And also the technical features of the erected buildings are considered: reinforcement, engineering communications, decoration, stability, architectural form.

Ключевые слова: 3Д-печать, 3Д-принтер, геометрия конструкций, инженерные коммуникации, архитектурная форма.

Keywords: 3D-printing, 3D-printer, geometric constructions, engineering communications, architecture forms.

Вступление. За последние пять лет было возведено 112 конструкций напечатанных на 3Д принтере, общая площадь которых составила около 10 000 м². В данном виде строительства принимало участие около 30 компаний, в основном компании частных предпринимателей. Это были различного рода здания, построенные с помощью порталов или роботов-манипуляторов, либо на месте, либо на заводах. Большинство напечатанных компонентов представляют собой стены с одинарными или двойными полосами с внутренними пустотами. Геометрия данных конструкций, варьируется от ортогональных макетов, которые воспроизводят существующие здания, до сферических форм, которые отражают возможности печати.

Первые упоминания о строительстве с помощью 3Д печати относятся к системе быстротвердеющих бетонных слоев, предложенной в 1997 году Джозефом Пенья из Политехнического института Рансселера. А уже позднее, в 2002 году Б.Хошневис из университета Южной Калифорнии разработал процесс контурной печати. Научными исследователями были определены свойства смеси для правильного осаждения, было изучено воздействие на окружающую среду строительных компонентов, напечатанных на 3Д принтере и сравнительные затраты. Основной проблемой остается разработка материалов и ограниченность в дизайне.

Конструкции, построенные с помощью 3Д печати, основаны на разработке деталей за пределами площадки, которые транспортируются и монтируются на месте строительства, или на машинах, установленных на строительной площадке, которые непосредственно производят компоненты посредством нанесения слоев.

Рисунок 1. Количество 3Д печатных конструкций, зарегистрированных по годам выполнения

Информация для анализа и обзора существующих 3Д принтеров собиралась путем использования поисковых систем в интернете по ключевым словам «строительство, напечатанное на 3Д принтере», «здание, напечатанное на 3Д принтере». Для анализа была собрана разнообразная справочная информация по каждому делу, такая как фото-ресурсы исполнителя, планы и технические отчеты, предоставленные теми же или другими. К тому же, была записана этажность и количество квартир. Условия собственности и затраты не были зарегистрированы, потому что данная информация не сообщалась во многих случаях. Иногда упоминалось о сроках выполнения, но без особых подробностей.

Рисунок 2. Исполнители и соответствующее им количество напечатанных 3Д конструкций

Сравнительный обзор. Ниже рассматриваются более тридцати различных компаний-исполнителей, примерно половина из которых построила два или более зданий. Только одна копания WinSun из Китая построила около тридцати. Ранее она занималась материалами и была связана с более крупной строительной компанией. В основном исполнителями являются новые частные фирмы, компании связанные с университетами, а некоторые даже представляют университетские команды. А совсем недавно к ним присоединились и более крупные Японские компании, такие как Obayashi и Aizawa.

Рисунок 3. Количество 3Д печатных конструкций по функциям

Средняя площадь построенных зданий составляет около 80 м². Что касается высоты зданий, то большинство из них одноэтажные. Есть примеры зданий с двумя и более этажами, в этих случаях структурные системы дополняются другими технологиями.

Отделка конструкции выполняется поверхностно, а места для инженерных коммуникаций вырезаются после печати элемента. Многие конструкции имеют компоненты с параллельными стенками, что позволяет создавать пустоты и добавлять промежуточные поддерживающие элементы. Из них большинство снабжено дополнительной решетчатой структурой, которая способствует стабильности компонента во время осаждения, а затем и его жесткости. Другие печатные элементы оставлены полыми для распределения сетки или внутреннего армирования.

Параллельные стенки иногда служат формой для заливки бетона. Кроме того, включение изоляционного материала внутри может улучшить комфорт в помещении в умеренно-холодном климате за счет увеличения теплового сопротивления ограждения. Есть случаи, в которых представлены различные техники, такие как дом Batiprint3D в Нанте, где изоляционный материал был напечатан в виде контура, который затем был заполнен бетоном внутри.

Что касается армирования, то можно говорить о применении различных методов. В некоторых работах представлены армирования с очень разными характеристиками. К примеру, введены добавки для улучшения пластичности волокон или для предотвращения осадки, которые не способствуют уменьшения прочности на изгиб, необходимой для некоторых строительных элементов. Точно так же вставка небольших прерывистых или удлинённых стержней вдоль напечатанного слоя может обеспечить большую жесткость, но небольшое сопротивление изгибу при боковом напряжении.

Большинство рассмотренных зданий не имеют структурную арматуру для вертикальных или горизонтальных нагрузок. Таким образом, в рассмотренных случаях соблюдается базовое состояние устойчивости с постоянными нагрузками от собственного веса конструкции и веса кровли, но без большей несущей способности противостоять более сложным нагрузкам. Некоторые здания все же отражают общую стратегию строительства, к примеру строительство Apis-Cor для муниципалитета Дубая, в котором различные компоненты усилены в соответствии с усилением фундаментов, плит, крыш. Эти конструкции демонстрируют некоторую устойчивость к боковым нагрузкам от ветра или незначительных землетрясений.

Стальные стержни обычно интегрируются в конструкции, аналогично армированной кладке, с вертикальными стержнями внутри стен, которые затем заполняются бетоном. Есть случаи, когда стальная арматура была установлена для создания горизонтального или вертикального элемента усиления внутри стены. Ярким примером может служить склад Icon для армии США, где стальные стержни были установлены поперечно к печатным аркам, а затем продольно к аркам для усиления соединения со стеной.

При рассмотрении имеющейся информации о конструкционной арматуре стен было отмечено, что они функционируют как несущие стены и как таковые работают при сжатии. Включение стальных элементов предполагает устойчивость к боковым нагрузкам. Среди всех случаев армирования нет примеров, предполагающих наличие стенок сдвига, способных выдерживать значительные боковые нагрузки. Конструктивный анализ показал, что не все сейсмические условия были учтены.

Проемы в стенах для окон и дверей обычно создаются путем прерывания печати. Чаще всего встречаются вертикальные оконные проемы, которые имеют большую высоту, чем ширину. В некоторых примерах также встречаются большие окна или застекленные панели между печатными стенами. Эта геометрия проемов отличается от обычного преобладания горизонтальных окон в современной архитектуре, которая имеет привилегированную визуальную амплитуду и использование солнечной энергии за счет способности сопротивления обычных строительных систем, особенно на солнечных сторонах зданий или в местах с циркуляцией. Напротив, конструкции напечатанные на 3Д принтере, имеют большую непрозрачную поверхность и имеют вертикально расположенные отверстия.

Что касается крыш, используются различные стратегии. Более половины зданий имеют кровли, выполненные по другим технологиям, а некоторые не имеют крыш (конструкции выставочного назначения).

Архитектурная форма рассматриваемых зданий делится на две тенденции: одна относится к ортогональной геометрии, отражающей обычные конструкции, а другая – к изогнутым компактным объёмам (похожим на яйцо), которые показывают адаптацию к используемой технологии.

Заключение. Подводя итоги, можно сказать, что проблемы сейсмической нагрузки, больших пролетов или нескольких этажей еще не решены во многих случаях. Большая часть работ была направлена на небольшие и более низкие здания для зон с низким уровнем риска.

Список литературы:

1. Ма, Г.; Ван, Л.; Ю. Ю. Современное состояние технологии 3D-печати цементным раствором — новый метод строительства. Науч. журн.
2. Китайская технология.  2017,61, 475–495.
3. Перро, А.; Анзиан, С.3D-печать в бетоне: общие соображения и технологии в 3D-печати в бетоне: современное состояние и проблемы цифровой строительной революции; ISTE Ltd. и John Wiley & Sons, Inc.: Хобокен, Нью-Джерси, США, 2019 г.; стр. 1–40.
4. Кравейро, Ф.; Пинто, Дж.; Бартоло, Х .; Бартоло, Дж. П. Аддитивное производство как технология, обеспечивающая цифровое строительство: взгляд на строительство 4.0.автомат. Констр.2019,103, 251–267.
5. Юсупходжаев С.А., Ниғматжонов Д.Г., Фунтикова Р.Ю. “Преимущества использования 3d-принтеров в малоэтажном строительстве в Узбекистане” // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 2(95). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13099