Синтез 3D-печати и традиций: технология ученых Пермского Политеха ускорит сроки строительства монолитных зданий

Согласно статистике портала «ЕРЗ.РФ», в 2023 году только 62% жилой недвижимости введено в эксплуатацию своевременно или досрочно. Застройщики в среднем отстают от графика сдачи жилья на 5,2 месяца. Применение аддитивных технологий может решить эту проблему и оптимизировать методику возведения конструкций в монолитном строительстве. Сейчас каркас таких объектов формируют с помощью специальных сооружений – опалубок – это временные конструкции, в которые заливают раствор свежего бетона, чтобы он застыл в нужной форме. Ученые Пермского Политеха разработали новую технологию построения каркаса здания, которая представляет собой синтез традиционного подхода и инновационной 3D-печати. Это позволит на 10% ускорить сроки строительства и уменьшить энергозатраты.

Статья с результатами опубликована в журнале «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Монолитное строительство получило большую популярность благодаря своим преимуществам. Технология позволяет возводить высотные здания в среднем за один год, что значительно быстрее по сравнению с кирпичными домами. Прочный монолитный каркас обеспечивает высокую надежность и долговечность зданиям.

На сегодняшний день аддитивные технологии пока не получили широкого распространения в строительстве, так как не решены некоторые проблемы в области материаловедения (подбор составов бетонных смесей для печати), автоматизации и строительной робототехники. Но техническая реализация 3D-печати возможна при возведении несъемной опалубки вертикальных монолитных конструкций.

Опалубка – это вспомогательная конструкция из дерева, металла или других материалов, которая нужна для придания монолитным конструкциям из бетона определенных параметров — формы, геометрических размеров, положения в пространстве. С ее помощью, например, создают стены, перекрытия и плиты. Опалубочные работы проводят на каждом этапе возведения здания, начиная от фундамента и заканчивая кровлей. Традиционная технология предполагает использование съемной многоразовой опалубки, которая в дальнейшем, после достаточного набора прочности бетона железобетонной конструкции, разбирается.

Ученые Пермского Политеха предлагают использовать новую технологию строительства в несъемной опалубке, изготовленной с помощью аддитивных технологий. Подход представлен на примере 25-этажного жилого дома. Политехники подобрали материалы и оборудование для 3D-печати, сконструировали вертикальные несущие конструкции и разработали схему производства работ. Результаты использования новой технологии сравнили с традиционной по продолжительности и стоимости работ.

Основа печати – это тяжелый мелкозернистый бетон на цементной основе, в состав которого входит мелкий заполнитель, минеральные добавки, микрофибра из стали, противоусадочные химические добавки и регуляторы сроков схватывания.

Важно правильно подобрать оборудование для 3D-печати, ведь именно от него зависит схема выполнения работ, их стоимость, сроки и качество. Ученые Пермского Политеха выбрали легкий мобильный строительный 3D-принтер, который устанавливается на подвижную платформу с дистанционным управлением и передвигается на собственном гусеничном ходу. Начиная с конкретной точки, производится послойная печать нескольких элементов опалубки, которые после затвердевания заполняются бетонной смесью с помощью башенного крана.

– Мы сравнили продолжительность и стоимость возведения каркаса здания по традиционной и предлагаемой технологиям. Для расчета составили графики производства работ и учли рыночную стоимость аренды и покупки комплекта опалубки и принтера, оплату труда работникам, общие расходы на материалы. Стоимость строительства с применением 3D-принтера практически не отличается от традиционной технологии даже с учетом его покупки. Однако его использование позволяет на 10% ускорить сроки выполнения работ, – рассказывает Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Представленная учеными ПНИПУ технология возведения монолитного каркаса здания и спроектированные схемы работ с 3D-принтером имеет значительный потенциал для практического применения в строительной отрасли.