Введение
На протяжении многих лет строительная отрасль оставалась одним из самых консервативных направлений развития мировой экономики, однако прогресс в науке и технике привел к возможности цифровизации производственных процессов, а современное строительство стало областью внедрения интеллектуальных автоматизированных систем, позволяющих не только повысить производительность труда и сократить сроки возведения объектов, но также снизить негативное воздействие на окружающую среду.
Одной из ключевых инноваций стало развитие аддитивного строительного производства (АСП) или 3D печати бетоном (3D concrete printing, 3DCP — в зарубежной литературе), которое за последние два десятилетия прошло путь от испытаний в лабораторных условиях до реализации строительных проектов, включая жилые здания, мосты, крупные элементы инфраструктуры [1-3]. Технология основана на послойной экструзии цементных смесей по заданной траектории и обладает такими преимуществами, как сокращение материалоемкости и отходов, снижение трудозатрат, повышение скорости возведения строительного объекта, обеспечение свободы архитектурной формы за счет отказа от традиционной опалубки [1,2,4-6].
Стоит также отметить, что в настоящее время в международной базе Scopus представлено значительное количество обзорных публикаций и публикаций, содержащих результаты научных исследований в области развития АСП, однако широкомасштабное промышленное внедрение технологии остается ограниченным. При этом существующие обзоры, как правило, фокусируются на отдельных аспектах технологии, в то время как проблемы, препятствующие масштабному внедрению, имеют взаимосвязанный характер и требуют комплексного рассмотрения [1,3, 5,7].
При этом в существующих публикациях в качестве главных барьеров на пути активного внедрения 3D печати бетоном отмечаются следующие: отсутствие гармонизированных норм и правил проектирования, ограниченный контроль качества в процессе печати, малоизученность вопроса долговечности конструкций, высокая стоимость в ряде случаев, а также необходимость ручного вмешательства на отдельных этапах. Кроме того, оценка фактической зрелости технологии (TRL-technology readliness level – в зарубежной литературе) 3D печати бетоном в соответствии с научными публикациями и действующими патентами в России и за рубежом лежит в диапазоне TRL 6-7, что соответствует уровню реализации проектов в реальной среде, но не серийному производству или промышленному применению [6].
В то же время ужесточение требований к углеродному следу строительной отрасли, привело к большому количеству публикаций, посвященных применению геополимеров, кальциево-сульфоалюминатных цементов, известняково-кальцинированных глин, а также строительных отходов [2,8,9,10], которые рассматриваются, как перспективные средства снижения техногенного воздействия. При этом устойчивость АСП не может быть обеспечена только за счет состава смеси, а должна определяться совокупностью аспектов, включая конструктивные, технологические и логистические решения, а также выбор между печатью на площадке или в заводских условиях, что приводит к необходимости в комплексном рассмотрении экологических, экономических и технических аспектов технологии [11,12, 13].
Вместе с тем, цифровые технологии такие, как системы компьютерного зрения и машинного обучения могут быть использованы для контроля геометрии и дефектов, цифровые двойники и предиктивные модели для оценки прочности и устойчивости в процессе печати [14-17], что позволит сформировать основу для перехода к интеллектуальному строительному производству, где параметры процесса могут быть скорректированы в реальном времени по данным сенсоров [14,18]. В то же время потребность в стандартизации как самих методов испытаний, так и критериев приемки напечатанных элементов сохраняется [19,20,21].
Таким образом в настоящее время накоплен значительный опыт исследований в части отдельных направлений развития АСП, однако актуальная картина состояния технологии и обоснованная оценка перспектив ее развития остается фрагментированными. Существующие обзоры либо сосредотачиваются на материально-технических аспектах, либо ограничиваются анализом барьеров внедрения, либо рассматривают устойчивость технологии вне связи с конструктивными и производственными факторами [1,2,3].
Данная работа ориентирована на исследовательский вопрос о текущем состоянии и ключевых тенденциях развития аддитивного строительного производства, а также о приоритетных направлениях перехода технологий от демонстрационных проектов к практике надежного и устойчивого строительства.
Целью данной статьи является представление комплексной картины современного состояния АСП, выявление барьеров и перспективных направлений исследований и разработок на основе обзора и систематизации научной литературы последних лет.
Материалы и методы
Данное исследование проведено в формате систематического обзора литературы, основу которого составила выборка публикаций из базы данных Scopus. На первом этапе отбор публикаций осуществлялся по ключевому слову 3D печать бетоном и в этой выборке представлено 4543 публикации. После экспертного анализа, а также опираясь на наибольшее количество цитирований, в выборке осталось 1526 статьи. Далее проводился скрининг по заголовкам и аннотациям и по полным текстам. При этом учитывались ясность описания эксперимента, полнота раскрытия параметров печати и воспроизводимость условий печати. В результате в выборке осталось 56 публикаций. Основные этапы отбора публикаций представлены на Рис. 1 и соответствуют принципам PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) [22,23]. Выбор систематического формата обусловлен необходимостью обеспечения прозрачности отбора источников и сопоставимостью выводов поскольку исследования по развитию АСП, касаются не только составов смеси, но также способов печати, условиям испытаний и пр., что затрудняет сравнение результатов [23,24].
Рис. 1. Процесс проведения обзора по принципам Prisma
Из отобранных публикаций извлекались категории данных в соответствии с Таблицей 1.
Таблица 1
Извлечения и систематизация данных
|
Категории данных |
Извлекаемые параметры |
Способ систематизации |
|
Библиографические сведения |
авторы, год, журнал, страна, тип публикации |
учет и группировка по источнику, году и типу публикации |
|
технологические параметры |
Метод печати, тип оборудования, параметры процесса |
сопоставление по методам и режимам печати |
|
характеристики материалов |
тип вяжущего, заполнителя, добавки, реологические показатели, прочность, долговечность, анизотропия |
группировка по составу смеси показателям свойств |
|
конструктивные решения |
методы армирования, расчетные схемы |
систематизация по типу конструктивного решения |
|
цифровые технологии |
система машинного зрения, машинного обучения, адаптивного управления, цифровые двойники |
кластеризация по типу цифровой технологии |
|
барьеры и стандартизация |
нормативные ограничения, требования к испытаниям, критерий приемки |
группировка по виду барьера и уровню регулирования |
|
устойчивость |
Границы системы, категория воздействия и пр. |
Сопоставление по методике и результатам оценки |
Результаты
Аддитивное строительное производство представляет собой быстро развивающееся направление. Однако, как было указано ранее, публикация в этой области существенно различается по объекту и предмету исследований. В этой связи для систематизации материала отобранные статьи были сгруппированы по тематическим направлениям, каждый из которых отвечает на определенный исследовательский вопрос. Совокупность этих направлений формирует комплексную картину актуального состояния развития технологии от технологических основ до условий практического применения и существующих ограничений. Первые два подраздела раскрывают, что представляет собой аддитивное строительное производство как технология, и рассматривают технологические методы печати и оборудование, материалы и проектирование составов смесей, армирование и конструктивные решения. Следующий подраздел отвечает на вопрос как АСП применяется на практике. Четвертый подраздел систематизирует данные о реализованных проектах, что позволяет оценить фактические, а не проектные возможности технологии. Пятый подраздел рассматривает экономический и экологический аспекты, поскольку именно соотношение стоимости сроков и углеродного следа определяет востребованность технологии заказчиками, а в конце, подразделы посвящены нормативному регулированию и стандартизации в области развития аддитивного строительного производства, барьерам и перспективам развития технологии, а также охватывают вопросы цифровых и интеллектуальных систем контроля, формирующих инструментальную основу надежности процесса.
Методы 3D печати и оборудование
Анализ публикаций, вошедших в выборку, показывает, что аддитивное строительное производство не является единой технологией, а объединяет несколько принципиально разных процессов, различающихся способом подачи и формованием материала [25,26]. В то же время наиболее распространенной, как в исследовательской практике, так и в реализованных строительных проектах, остается экструзионная послойная печать, при которой цементная смесь непрерывно подается через сопло, закрепленное на портальном или роботизированном манипуляторе, и укладывается послойно по заданной траектории [27-30].
К альтернативным методам печати относят печать торкретированием, сплавление материала в заранее сформированном порошковом слое (Powder Bed Fusion (PBF) — в зарубежной литературе), инжекционная печать и гибридные системы, сочетающие аддитивные и субтрактивные операции [27,31]. При этом во многих публикациях указано, что стабильность потока смеси и качество поверхности при 3D печати бетоном зависят от конструкции экструдеров и сопел [32]. В Таблице 2 представлены сравнительные характеристики различных методов АСП.
Таблица 2
Методы аддитивного строительного производства и их характеристики
|
Метод |
Принцип формирования |
Типовое оборудование |
Основные преимущества |
Ключевые ограничения |
|
Экструзионная печать |
Непрерывная послойная укладка слоя через сопло |
Портальные системы, роботизированные манипуляторы |
Высокая производительность, изученная материальная база |
Слабое межслойное сцепление, анизотропия |
|
Печать торкретированием |
Высокоскоростное нанесение с ускорением схватывания |
Манипулятор с системой ввода добавок |
Высокое качество поверхности, сложные криволинейные формы |
Сложность контроля толщины слоя, потери материала на отскок |
|
Печать PBF |
сплавление материала в заранее сформированном порошковом слое |
Системы порошковой печати |
Высокая точность |
Трудоемкое удаление материала, высокая стоимость оборудования |
|
Инжекционная печать (традиционное литье) |
Впрыск материала в поддерживающую жидкость |
Специализированные инжекционные системы |
Поддержка нависающих элементов |
Сложность управления процессом, недостаток масштабной валидации |
Смеси для 3D печати и проектирование составов
Проведенный анализ позволил выявить, что за последние годы смеси для аддитивного строительного производства существенно изменилась и расширилась от узкого класса мелкозернистых растворных смесей к смесям с крупным заполнителям, геополимерам, смесям на основе известняково-кальцинированных глин и гибридным композитам [27,33]. При этом ключевым остается требование сочетания текучести смеси для прокачиваемости и экструзии и быстрого набора структурной прочности для сохранения формы после укладки [34,35], что привело к тому, что основным вопросом в исследованиях при изучении и проектировании смесей остаются их реологические характеристики [36,37]. В литературе также рассматриваются статистическое и динамическое предельное напряжение сдвига, диапазоны которых для цементных вяжущих оцениваются в 15-6500 Па, для геополимеров — 800-3000 Па [33], пластическая вязкость, тиксотропия и их связь с основными параметрами печати такими, как прокачиваемость, экструдируемость и устойчивость к деформации [35].
В работе [38] на основе данных об 1149 уникальных составах для 3D печати бетоном, извлеченных из более чем 330 опубликованных источников, выделено 5 статистически устойчивых кластеров, различающихся по расходу цемента, степени замещения вяжущего, доле пасты и содержанию заполнителя, что указывает на то, что в настоящее время уже накоплено достаточно данных о строительных смесях для перехода от единичных рецептур к типовым стратегиям проектирования [38,39].
Таблица 3
Ключевые подходы к разработке составов смесей для 3D печати
|
Подход |
Основные стратегии |
Влияние на печатаемость |
Влияние на твердые свойства |
Источники |
|
Замещение цемента |
Зола-унос, шлак, микрокремнезем, LC3, CSA |
Регулирование предела текучести и открытого времени |
Влияние на раннюю прочность и долговечность |
[2,33,10] |
|
Проектирование заполнителей |
Гранулометрия, доля крупного заполнителя, рециклированные заполнители |
Оптимум 8–10 мм при 25–40 % |
Повышение жесткости, рост анизотропии |
[39,38] |
|
Реологическая регуляция |
Наночастицы глин, эфиры целлюлозы, суперпластификаторы |
Расширение окна печатаемости |
Косвенное влияние на однородность структуры |
[34,35] |
|
Дисперсное армирование |
Стальные, PVA, базальтовые, углеродные волокна |
Ограничение по расходу из-за прокачиваемости |
Существенный рост трещиностойкости |
[40,41,42] |
|
Использование отходов |
Бетонный порошок, стеклобой, кирпичная пыль |
Возможное ухудшение текучести |
Снижение углеродного следа при компенсации прочности |
[8,9,43] |
Армирование и конструктивные решения
Проведенный анализ актуальных публикаций позволил выявить ключевую проблему, задерживающую переход АСП от стен и декоративных элементов к несущим конструкциям, которая заключается в сложности армирования [44,45]. В то же время в представленных публикациях рассматривается несколько подходов к решению этой задачи, включая применение дискретных коротких волокон, непрерывных стальных нитей, стержневую арматуру, устанавливаемую во время или после печати, текстильные или полимерные элементы, а также гибридные схемы [40,41,45]. В табл.4 представлено сравнение подходов к армированию в АСП.
Таблица 4
Сравнение подходов к армированию в АСП
|
Метод армирования |
Этап реализации |
Область применения |
|
Дисперсное волокно |
Приготовление смеси |
Плиты, стены |
|
Непрерывные канаты |
В процессе печати |
Балки, арки |
|
Установка стержней с инъектированием |
После печати |
Колонны, узлы |
|
Несъемная опалубка с бетонированием |
После печати |
Колонны, плиты |
|
Сетки и текстиль |
В процессе или после печати |
Стены, плиты |
Стоит также отметить, что волокнистое армирование повышает трещиностойкость и пластичность, а эффект его зависит от типа, длины, ориентации, содержания волокон и реологических ограничений [40,41]. Дискретное и непрерывное армирование в то же время дает более высокий прирост несущей способности, но требует синхронизации с процессом печати [44,45].
Текущая практика внедрения 3D печати и реализованные проекты
В [30] отмечено, что за период с 2013 по 2023 гг. в мировой практике накоплен значительный опыт при реализации 204 объектов с использованием 3D печати бетоном. При этом авторам удалось установить корреляцию между типом принтера, используемым методом печати и размерами возводимого зданий и выделить 3 базовых технологических подхода печати: за один проход, горизонтальное или вертикальное секционирование конструкции, а также печать от отдельных элементов к конструкции в целом.
При этом стоит отметить, что по состоянию на 2026 г. самым масштабным проектом в мире считается жилой район Wolf Ranch в Техасе (США), где американская компания ICON, которая суммарно напечатала более 250 объектов по всему миры1, совместно с партнерами осуществила печать 100 жилых домов.
Также лидерами в АСП являются Китай, ОАЭ, где, например, в Дубае действует государственная программа, в соответствии с которой к 2030 г. четверть всех новых зданий должна быть напечатана2, Германия, Франция, Нидерланды. В России также АСП активно развивается, насчитывается порядка 10 отечественных производителей строительных принтеров.
При этом сравнительный анализ компаний демонстрирует значительное разнообразие технических решений [46], а анализ реализованных проектов подтверждает выход технологии с демонстрационных прототипов до реальных жилых зданий [27,47]. Вместе с тем одним из главных преимуществ 3D печати считается обеспечение населения доступным жильем, что подтверждается работой [48], в которой проведена оценка применимости 3D печати для социального жилья в Перу.
Устойчивость АСП
Информация об экологической оценке АСП остается фрагментированной, и, например, обзор, представленный в [49], показал, что LCA-исследования (оценки жизненного цикла) концентрируются на углеродном следе и энергопотребление в то время, как остальные вопросы устойчивости изучены слабо.
Тем не менее, 3DCP ассоциируется у респондентов со значительным снижением потенциала глобального потепления в сравнении с традиционным строительством, а дальнейшее развитие технологии связано по их мнению с применением нетрадиционных вяжущих, повышением энергоэффективности и оптимизацией конструктивной формы зданий [50].
Нормативное регулирование и стандартизация
Одним из ключевых барьеров здесь является отсутствие гармонизированных норм для масштабирования АСП [5,7]. Тематический анализ 7 действующих стандартов (табл.5), представленный в [19], выявил 5 ключевых пробелов, к которым отнесены отсутствие явных правил расчета конструкций, несогласованность в учете межслойных свойств, слабая взаимосвязь между результатами испытаний и расчетами несущей способности, отсутствие комплексного протокола контроля качества и ограниченность руководств по неструктурным показателям (усадка, трещиностойкость, долговечность), что согласуется с практикой сопровождения каждого проекта индивидуальной программой испытаний [51], и с предложением создать децентрализованную инфраструктуру стандартизации [20].
Таблица 5
Стандарты в области 3D печати, проанализированные в [19] [39]
|
№ |
Документ |
Страна/Регион |
Статус |
|
1 |
UL 3401:2022 - Outline of Investigation for 3D Printed Building Construction (Обзорное исследование для строительства зданий методом 3D-печати) |
США |
Опубликован |
|
2 |
ISO/ASTM 52939:2023- Additive Manufacturing for Construction - Qualification Principles (Аддитивное производство в строительстве - Принципы квалификации - Конструктивные и инфраструктурные элементы) |
США (международный) |
Опубликован |
|
3 |
T/CECS 786:2020 - Technical Specification for 3D Printing Concrete Structures (Технические требования к бетонным конструкциям, изготовленным методом 3D-печати) |
Китай |
Опубликован |
|
4 |
T/CBMF 183:2022 - Test methods for basic mechanical properties of 3D printed concrete (Методы испытаний основных механических свойств бетона, напечатанного на 3D-принтере) |
Китай |
Опубликован |
|
5 |
T/CBMF 184:2022 - Test methods for printability of 3D printing fresh concrete (Методы испытаний пригодности к печати свежеуложенного бетона для 3D-печати) |
Китай |
Опубликован |
|
6 |
JC/T 2850:2024 - Test method for interfacial bonding strength of 3D printed cement-based materials (Метод испытания прочности сцепления на границе раздела слоев цементных материалов, напечатанных на 3D-принтере) |
Китай |
Проект |
|
7 |
ICC 1150:2025 (draft) - Standard for 3D Automated Construction Technology for 3D Concrete Walls (Стандарт на технологию автоматизированного строительства бетонных стен методом 3D-печати) |
США |
Проект |
Вместе с тем, в России в настоящее время уже есть ряд действующих ГОСТ:
- ГОСТ Р 59095-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Термины и определения», в котором закреплены термины и понятия, которые используют в сфере аддитивного строительного производства;
- ГОСТ Р 59096-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Методы испытаний», который позволяет проводить контроль качества материалов для АСП с целью оценки их соответствия установленным нормативным требованиям;
- ГОСТ Р 59097-2020 «Материалы для аддитивного строительного производства. Технические требования», который распространяется на материалы, используемые при строительстве, реконструкции и ремонте зданий и сооружений с помощью 3D-печати, и содержит общие технические требования и правила приемки таких материалов.
Цифровые и интеллектуальные системы контроля
Ряд публикаций, представленных в выборке, можно объединить в отдельный кластер, который будет посвящен цифровизации процесса печати, включая параметрическое моделирование, внедрение технологий информационного моделирования, системы компьютерного зрения для контроля геометрии и дефектов, методы машинного обучения для прогнозирования прочности пригодности к печати, а также цифровые двойники и пр. [27,14,15,16,17].
В то же время несмотря на то, что интеграция цифровизация позволяет сократить разрыв между проектированием и производством [27,47], ряд публикаций отмечает, что большинство решений все же носит исследовательский характер и находится на стадии разработки прототипа, промышленное внедрение которых ограничено отсутствием требований к данным [14,16]. При этом отсутствие общепринятых правил расчета конструкций приводит к тому, что модели машинного обучения лишены физических ограничение, а несогласованность учета межслойных свойств приводит к отсутствию единой разметки дефектов, что также свидетельствуют о важности развития направления стандартизации и нормирования в области АСП.
Барьеры и перспективы развития
В результате проведенного исследования можно утверждать, что в настоящее время отдельные технические решения АСП доказали свою работоспособность, однако системная готовность к серийному промышленному применению не достигнута.
При этом 3DCP обладает наибольшей зрелостью, поскольку база материалов расширилась с цементных составов до составов с геополимерами и композитами с отходами, а методы армирования обеспечивают значительный прирост к несущей способности [1,3]. Относительно устойчивым результатом здесь также является сокращение сроков строительства и материалоемкости, тогда как экономия стоимости критически зависит от загрузки оборудования и масштаба производства [11,12,52], что по сути свидетельствует о том, что развитие АСП требует перестройки организации строительного производства. При этом нормативные проблемы, указанные в [19] являются зависимыми, а их решение требует параллельных действий таких, как разработка формальных стандартов одновременно с созданием открытых баз данных в стандартизированном формате и пр. [19,51,20].
Таким образом, представленное исследование, в отличии от [1], выявляет причинно-следственные связи между барьерами, а в отличии от [3], указывает на сопряжение конструктивных пробелов.
На основе выявленных пробелов можно сформировать несколько приоритетных направлений исследований, которые представлены в Таблице 6.
Таблица 6
Приоритетные направления исследования для развития АСП
|
№ |
Приоритетное направление |
Содержание |
Ключевые ссылки |
|
1 |
Гармонизация методов испытаний и отчетности |
Единые протоколы для реологических, механических и эксплуатационных характеристик с обязательным указанием направления нагрузки, условий выдержки и параметров печати; инструментальная поддержка - методы неразрушающего контроля |
[4, 19, 23,24] |
|
2 |
Разработка нормативных правил расчета конструкций |
Методики перехода от результатов испытаний к расчетной несущей способности с учетом анизотропии и межслойных границ |
[3,19,51] |
|
3 |
Интеграция LCA, LCC и S-LCA |
Согласованные рамки оценки устойчивости с сопоставимыми функциональными единицами |
[49,50,53] |
|
4 |
Масштабирование и экономика производственных систем |
Модели загрузки оборудования и инвестиционных решений в условиях неопределенности |
[11,12,52] |
|
5 |
Развитие цифровых двойников и физически информированных моделей |
Объединение данных процесса, материала и конструкции в единую систему поддержки решений |
[14,15,17,54] |
|
6 |
Исследование социальных аспектов |
Влияние АСП на рынок труда, доступность жилья и восприятие технологии |
[55,56] |
|
7 |
Армирование как интегрированный подпроцесс |
Количественные критерии выбора метода в зависимости от типа конструкции и условий печати |
[40, 44,45] |
|
8 |
Развитие конститутивных моделей и оптимального проектирования |
Расчетные модели, учитывающие анизотропию и процессные особенности |
[1,3] |
Выводы
Проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что аддитивное строительное производство снижает негативное воздействие на окружающую среду в сравнении с традиционным методом строительства и может стать ключевой технологией устойчивого развития строительной отрасли. Вместе с тем на пути активного внедрения технологии еще остаются нерешенные задачи, являющиеся сдерживающими, что объясняет то, что технология находится на стадии перехода от демонстрационных проектов к практике, что соответствует уровню TRL 6–7.
Несмотря на то база составов для АСП существенно диверсифицировалась, оптимизация составов ориентирована преимущественно на печатаемость и недостаточно связана с требованиями долговечности и несущей способности.
При этом экономические и регуляторные ограничения выступают причиной технологических и социальных барьеров на пути активного развития АСП, например, экономические оценки демонстрируют устойчивое преимущество по срокам и материалоемкости, но противоречивы по стоимости, а экологические преимущества АСП не реализуются автоматически и зависят от состава смеси, конструктивной формы, энергоэффективности оборудования и сценария внедрения.
Также не мало важным являются нормативные пробелы и дефицит верифицированных данных, которые образуют взаимно усиливающийся цикл, разрыв которого требует параллельных действий по разработке стандартов, создания открытых баз данных и развития физически информированных прогнозных моделей.
Приоритетными задачами будущих исследований следует считать печать горизонтальных конструкций перекрытий и покрытий зданий, а также армирование несущих конструкций, напечатанных 3D-принтером, наряду с разработкой новых составов для 3D-печати бетоном.
В краткосрочной перспективе следует ожидать сохранения сложившейся модели применения АСП, поскольку технология пока остается дороже традиционных решений в строительстве, но является незаменимой там, где требуется создать уникальный объект со сложной архитектурной формой, индивидуальный проект или демонстрационный элемент, ценность которого определяется не тиражируемостью, а самим фактом применения технологии.
В среднесрочной перспективе ключевыми факторами станут формирование нормативной базы, появление стандартизированных методов испытаний и развитие цифровых систем контроля, что позволит перейти к проектированию ответственных конструкций.
1 Абакумова М. Из ряда вон: зачем городу напечатанные на 3D-принтерах нетипичные конструкции // Forbes. 29.06.24. URL: https://www.forbes.ru/biznes/514934-iz-rada-von-zacem-gorodu-napecatannye-na-3d-printerah-netipicnye-konstrukcii
2 К 2025 году 5% домов будут строиться с использованием 3D-печати // Циан. 08.06.2018. URL: https://spb.cian.ru/novosti-k-2025-godu-5-domov-budut-stroitsja-s-ispolzovaniem-3d-pechati-281856/
