Рассмотрение и внедрение технологии 3D-печати в российском строительстве

Современный этап экономического развития характеризуется переходом к новому технологическому укладу. Его «ядром» служат цифровые и аддитивные технологии, которые существенно меняют привычные производственные процессы. Аддитивный технологический процесс — это изготовление деталей, которое основано на создании физического объекта по электронной модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки) [2, с. 208; 8, с. 50].

Строительная отрасль, традиционно считающаяся одной из наиболее инертных к новациям, сегодня стоит на пороге фундаментальных преобразований. «Движущей силой» становится строительная 3D-печать — относится к классу аддитивных технологий и обычно применяется для задач быстрого прототипирования, но в редких случаях может использоваться для мелкосерийного производства конечной продукции.

3D-принтер — станок с числовым программным управлением, реализующий только аддитивные операции, то есть, добавляющий порции материала к заготовке. Обычно использует метод послойного нанесения материала, однако существуют и методы непрерывного формирования детали в объёме жидкого фотополимера, при которых деталь не делится на слои, а формируется целиком [9, с. 207].

Актуальность исследования потенциала аддитивных решений для российской строительной индустрии обусловлена комплексом факторов.

Во-первых, перед страной стоят амбициозные задачи по увеличению объемов жилищного строительства и повышению его доступности, что требует внедрения передовых, экономически эффективных новшеств. Во-вторых, специфика России (с ее огромными территориями, разнообразными климатическими зонами) делает 3D-печать потенциально незаменимым инструментом для освоения труднодоступных площадок, обеспечения жильем населения в отдаленных местностях.

В-третьих, отрасль сталкивается с системными вызовами — дефицит квалифицированных кадров и необходимость повышения производительности труда. Аддитивные технологии могут стать одним из ответов на эти испытания.

Как представляется, на данном этапе технология переходит от стадии единичных экспериментов к первым коммерческим проектам и формированию полноценного рынка, что требует научного осмысления накопленного опыта.

Проникновение аддитивных технологий в российский строительный комплекс происходит на фоне общей цифровизации промышленности, хотя и с определенным отставанием от передовых секторов экономики. Невзирая на то, что 3D-печать в РФ начала развиваться позже, чем в некоторых других странах, на сегодняшний день она демонстрирует уверенную динамику в сочетании с переходом от чисто экспериментальной фазы к практическому применению. Государство играет значимую роль в данном процессе, рассматривая аддитивные разработки как один из приоритетов в рамках «Стратегии развития строительной отрасли и ЖКХ до 2030 года» [1].

Важнейшим фактором, который содействует легитимизации и масштабированию рассматриваемой технологии, является формирование нормативно-технической базы. Ведется активная работа по созданию национальных стандартов (ГОСТов) и сводов правил, регулирующих применение аддитивных методов, в частности, уже разработаны ГОСТы на строительные смеси, что делает технологию сертифицированной и безопасной. Эту деятельность координирует ФАУ «ФЦС» при Минстрое России, которое с 2021 года ведет прикладные научные исследования в данной области. На рынке уже сформировался пул отечественных компаний, которые занимаются разработкой и производством строительных 3D-принтеров. По разным оценкам, их число достигает десяти, и некоторые из них обладают конкурентоспособными позициями даже на международном рынке [2, с. 209; 6, с. 86].

Хотя полная и всеобъемлющая статистика по рынку строительной 3D-печати в России пока формируется, имеющиеся данные позволяют оценить его ключевые параметры. Так, согласно заявлению замглавы Минстроя РФ, к 2030 году в России планируется возвести до 1 миллиона квадратных метров жилья с использованием аддитивных решений [4]. Этот амбициозный план подкрепляется и экономическими расчетами. По оценкам компаний-производителей, приведенная стоимость «напечатанной» коробки здания может варьироваться от 50 до 75 тыс. рублей за 1 кв. м, что потенциально ниже традиционных методов [3].

Теоретические расчеты и планы дополняются реальными кейсами. В России уже существует несколько знаковых объектов, которые построены с применением 3D-печати и прошли необходимые экспертизы. К ним относятся жилой дом в Ярославле, где официально зарегистрированы жильцы, общественный центр «Мелля» в Татарстане, построенный по заказу «Татнефти», объекты в экопарке «ЯсноПоле» [6]. Указанные проекты демонстрируют как техническую состоятельность технологии, так и ее способность к созданию сложных, выразительных архитектурных форм. Для объективной оценки места аддитивных технологий в строительстве целесообразно провести их сравнение с традиционными подходами (таблица 1).

Таблица 1. Сравнительный анализ методов строительства — см. PDF статьи.

Параметр Традиционные методы Аддитивные подходы (3D-печать) Скорость возведения Средняя / Низкая Высокая (для контура здания) Стоимость Средняя Потенциально низкая, но дорогое оборудование Трудозатраты Высокие Низкие (требуется оператор и подсобные рабочие) Архитектурная сложность Ограничена опалубкой и блоками Высокая (возможность создания криволинейных форм) Экологичность Значительное количество отходов Минимальные отходы материала Нормативное регулирование Развитая база В стадии формирования составлено автором на основе [5; 7, с. 517]. Несмотря на очевидные преимущества, широкое применение технологии сталкивается с рядом серьезных барьеров. Во-первых, — дороговизна самого оборудования, высокий порог входа на рынок, что требует перестройки производственных цепочек и обучения персонала. Во-вторых, существует проблема материаловедения — для печати нужны специализированные смеси, производство которых пока недостаточно масштабировано. В-третьих, технология на сегодня экономически нецелесообразна для многоэтажного строительства, которое составляет значительную долю строительного рынка России. Ключевым технологическим ограничением здесь служит отсутствие эффективных и сертифицированных методов армирования печатаемых конструкций.

Таким образом, проведенный анализ позволяет заключить, что технология 3D-печати в строительной отрасли России уверенно переходит из категории футуристических концепций в разряд практически применимых инструментов, обладающих значительным трансформирующим потенциалом. В стране сформировалась базовая экосистема, которая представлена отечественными производителями оборудования, разработчиками материалов, научными центрами, первыми успешными проектами, прошедшими государственную экспертизу. Этот процесс активно поддерживается государством, которое видит в аддитивных разработках один из ключевых «драйверов» модернизации и решения стратегической задачи по обеспечению населения доступным жильем.

Как представляется, дальнейшее развитие будет идти по пути гибридизации технологий, интеграции 3D-печати с BIM (объектно-ориентированная модель строительного объекта или комплекса строительных объектов, как правило, в трёхмерном виде, с элементами которой связаны данные геометрических, физических и функциональных характеристик), постепенного расширения сферы применения по мере усовершенствования нормативной базы и удешевления решений.