3D-печать зданий: миф или реальность?

В домах с напечатанными бетонными стенами уже живут люди. Но время работы строительного 3D-принтера нельзя приравнивать к сроку, через который можно въехать в дом. После печати остаются работы с кровлей, окнами, инженерными сетями и отделкой. Поэтому обещание «дом за сутки» стоит проверять по составу работ и степени готовности здания.

3D-печать зданий позволяет изготовить стены и отдельные строительные элементы по цифровой модели. Подрядчик может печатать их непосредственно на участке или привезти готовые детали из цеха. В обоих случаях проектировщик должен увязать напечатанные части с остальными конструкциями дома.

Как работает строительный 3D-принтер

При бетонной экструзии насос подаёт строительную смесь к соплу, а принтер укладывает её последовательными слоями. Смесь постепенно твердеет. Плавления материала, как при некоторых способах печати пластиком, здесь нет.

До запуска оператор готовит траектории движения сопла в программе-слайсере. Например, COBOD Slice принимает CAD- или BIM-файл и преобразует его в послойные траектории. Полноценная BIM-модель поэтому не является обязательным условием работы каждого строительного принтера. Совместимость файла и порядок подготовки зависят от оборудования и программного обеспечения.

На площадке оператор контролирует подачу смеси и движение оборудования. Само наличие цифровой модели не гарантирует правильную геометрию готовой стены: свежий материал может деформироваться под весом следующих слоёв. Технолог согласует скорость укладки со свойствами смеси, а команда проверяет фактические размеры напечатанных элементов.

Материалы и прочность напечатанных стен

Для бетонной 3D-печати применяют цементные растворы и бетонные смеси, пригодные для подачи через конкретную установку. Состав должен проходить по системе подачи, выходить из сопла без разрывов и удерживать форму после укладки. Подвижность при перекачивании и устойчивость свежего слоя приходится согласовывать между собой.

Застывший с виду слой ещё не означает, что конструкция набрала расчётную прочность. Нужны данные о конкретном составе, возрасте образцов и условиях твердения. Универсальной толщины слоя, скорости печати или марки морозостойкости для всех домов нет.

Отдельный вопрос — межслойное сцепление. В исследовании NIST о цементных материалах для 3D-печати описана анизотропия: свойства напечатанного материала могут различаться по направлениям. Граница слоёв может стать участком распространения трещины. Поэтому прочность обычного образца смеси сама по себе не описывает поведение всей напечатанной стены под нагрузкой.

Проектировщик определяет, какие части стены несут нагрузку, где требуется армирование и чем заполняются полости. Печатная оболочка может работать как несъёмная опалубка для бетона внутри. В другом проекте нагрузку воспринимает сам напечатанный элемент. По фотографии слоистой поверхности различить эти схемы нельзя.

Примеры построенных зданий

Project Milestone: жилой дом в Эйндховене

30 апреля 2021 года жильцам передали ключи от первого дома Project Milestone в Нидерландах. Это одноэтажный дом площадью 94 м². Дату и площадь указывает участник проекта Saint-Gobain Weber. Стеновые элементы напечатали в цехе, затем доставили на стройплощадку и собрали. Пример показывает, что 3D-печать жилья может включать заводское производство деталей.

Офис в Дубае: печать вместе с железобетонным каркасом

В обзоре Bos и соавторов описано двухэтажное административное здание Dubai Municipality, построенное в 2019 году с участием Apis Cor. Площадь здания составляла 640 м². Несущую функцию выполнял железобетонный каркас, а часть напечатанных элементов служила несъёмной опалубкой. Это другой способ применения печати, чем изготовление самостоятельных несущих стен.

Конструкции и особенности реализации этих проектов разобраны в исследовании Bos и соавторов, опубликованном в 2022 году. Условия зарубежных проектов нельзя автоматически переносить на участок в России: расчёты, климат и порядок согласования нужно рассматривать применительно к конкретному зданию.

Срок печати стен и срок готовности дома

Если подрядчик указывает несколько десятков часов, уточните, что именно он измерял: движение принтера, рабочие смены или всё время от подготовки участка до завершения стройки. COBOD в пояснении о сроках отдельно перечисляет работы после печати стен: монтаж кровли, окон, дверей, водопровода и электрики.

Для сравнения предложений запросите календарный график с подготовкой площадки, монтажом оборудования, печатью, технологическими выдержками и последующими работами. Время на доставку и сборку деталей тоже должно быть учтено, если стены печатают в цехе.

На продолжительность печати влияют длина траекторий, число слоёв, свойства материала и опыт команды. Скорость перемещения сопла в метрах в секунду не показывает, сколько готовых домов подрядчик сдаст за месяц. Для такого вывода нужны данные о полном строительном цикле.

От чего зависит стоимость 3D-печати дома

Сравнивайте сметы для одинаковой площади, конструкции и готовности дома. Цена напечатанных стен не сопоставима с ценой дома с отоплением и чистовой отделкой. Процент экономии без этих условий мало говорит о расходах заказчика.

При серии одинаковых или близких по конструкции домов подрядчик может распределить расходы на перевозку и настройку принтера между несколькими объектами. Для единственного дома на удалённом участке эти же расходы могут заметно изменить смету. Проверьте, на какой сценарий рассчитано предложение, прежде чем переносить рекламную цену на свой участок.

Ограничения, долговечность и экологичность

Печатать криволинейные стены возможно, но произвольная форма на экране ещё не означает, что её получится изготовить выбранной установкой. Геометрию, устойчивость свежих слоёв, доступ оборудования и соединение деталей нужно согласовать до начала работ. При цеховой печати добавляются перевозка и подъём элементов.

Долговечность нельзя установить по одному демонстрационному дому или ролику с работающим принтером. Программа NIST по долговечности печатных конструкций посвящена в том числе влиянию свойств межслойных границ на поведение конструкции. Для своего проекта запросите у подрядчика результаты испытаний, условия применения материала и порядок наблюдения за состоянием стен. Обещание определённого срока службы должно иметь основание для выбранной конструкции.

Теплозащита зависит от состава стены, утеплителя и стыков с другими частями здания. Слоистая поверхность сама по себе не делает дом тёплым. Уточните у проектировщика устройство утепления и узлов примыкания, особенно вокруг окон и в местах соединения стен с перекрытиями.

Заявление об экологичности тоже требует границ сравнения. Попросите показать, какие расходы материалов и энергии учтены: изготовление смеси, доставка, печать, оставшиеся строительные работы и эксплуатация. Снижение отходов на одной операции не доказывает меньшего воздействия за весь срок жизни дома.

Перед заказом обсудите с проектировщиком применимые требования и документы для вашего здания. Паспорт принтера описывает оборудование; расчёты и испытания должны относиться к материалам и конструкциям, которые действительно будут использованы. Иностранная научная публикация не заменяет такого обоснования.

Вопросы и ответы

Можно ли напечатать дом целиком одним принтером?

В рассмотренных проектах принтер изготавливал стены или отдельные элементы. Установку окон, инженерных сетей и другие оставшиеся работы выполняла строительная команда. Попросите подрядчика перечислить печатаемые части и способ изготовления остальных частей дома.

В чём преимущество печати для дома сложной формы?

Оператор может подготовить криволинейные траектории нанесения смеси. Однако выступы, проёмы и соединения требуют проверки на изготовимость и прочность. Возможность напечатать изгиб не означает, что любые архитектурные изменения обойдутся без дополнительных затрат.

Подойдёт ли обычная бетонная смесь с ближайшего завода?

Это нужно согласовать с поставщиком оборудования и технологом. Проверяют пригодность состава для системы подачи и послойной укладки. Заменять предусмотренную смесь только на основании её марки прочности нельзя.

Можно ли продолжить печать после остановки?

Допустимый перерыв зависит от материала и технологии. До запуска выясните, как команда контролирует интервалы между слоями и принимает решение о возобновлении работ. Длительная пауза может изменить условия сцепления нового слоя с предыдущим.

Есть ли заселённые дома, а не только выставочные образцы?

Да. Первый дом Project Milestone передали жильцам в апреле 2021 года. При оценке другого проекта уточняйте его назначение и фактический статус: демонстрационный объект, законченная конструкция или готовое жильё.

Заменит ли 3D-печать обычную стройку?

В описанных примерах печать сочетается с другими строительными работами. Оснований обещать её полную замену всех способов строительства нет. Для заказчика имеет смысл сравнивать доступные технологии под конкретный проект и бюджет.

Какие направления развития уже исследуют?

Исследователи проверяют связь свойств смеси, режима печати и поведения готовой конструкции, а также долговечность межслойных соединений. Это задачи испытаний и контроля качества. Их результаты нельзя заранее превращать в обещание определённого снижения цены или срока строительства.