К 2050 году на Земле будет жить 10 миллиардов человек, а города превратятся в гигантские мегаполисы. Как строить быстрее, дешевле и экологичнее? На помощь придут роботы, умные материалы и 3D-принтеры, способные возводить дома за считанные дни.
Итак, топ-3 строительных технологий, которым пророчат большое будущее.
1. Аддитивное производство
Или по-другому – 3D-печать. Сама по себе технология появилась в 80-е годы, но в строительстве начала активно применяться примерно 10-15 лет назад.
При помощи современных строительных принтеров сегодня можно создавать малые архитектурные формы, полноразмерные строительные объекты и печатать части зданий для дальнейшей сборки уже на площадке.
Как выглядит этот процесс?
- Создается послойная компьютерная 3D-модель сооружения или изделия, на которую будет ориентироваться принтер во время работы.
- Готовится смесь – своеобразные “чернила” для строительного 3D-принтера. Чаще всего на основе бетона (иногда используют гипс и глину).
- Печатающая головка принтера (экструдер) выкладывает материал слой за слоем, следуя заданной ранее послойной 3D-модели.
Типы строительных 3D-принтеров
Их принято разделять на 3 большие группы: портальные, подвесные дельта-принтеры и мобильные роботизированные.
Портальные
Представляют собой П-образную раму, на которой располагается печатающая головка. Она может передвигаться в пространстве по осям X, Y, Z. Чаще всего этот тип принтеров используют при строительстве зданий небольшой высотности.
Подвесные дельта-принтеры
Состоят из внешней рамы с тросами, на которых держится печатающая головка. Такие принтеры справляются с печатью масштабных объектов.
Мобильные роботизированные
От других их отличает наличие руки-манипулы. Часто оснащены шасси или передвигаются по специальным рельсам. Могут использоваться как на заводах, так и непосредственно на строительных площадках.
Плюсы 3D-печати
- Позволяет создавать сложные геометрические формы
- Минимизация отходов стройматериалов
- Ускорение строительства в несколько раз
- Значительная экономия (нужно меньше персонала, снижение объемов ручного труда, отпадает потребность, например, в опалубке)
Недостатки технологии
- 3D-принтеры могут печатать только вертикальные конструкции
- Ограниченная высотность возводимых сооружений
- Необходима постобработка поверхностей (выравнивание, шлифовка)
- Основным материалом выступает бетон, к которому предъявляются особые требования (высокая пластичность, быстрый набор прочности, невысокая усадочная деформация, но в то же время он не должен быстро твердеть, чтобы не испортить экструдер)
- Для некоторых видов принтеров необходимо предварительно подготовить ровное и устойчивое основание
- Ограниченная несущая способность напечатанных конструкций
- Высокая стоимость принтеров, обслуживание оборудования требует квалифицированных специалистов
- Отсутствие единых стандартов и нормативов для 3D-печати в строительстве, что мешает ее массовому внедрению
Несмотря на множество недостатков, эта технология продолжает развиваться, и многие проблемы постепенно решаются за счет новых материалов, роботизации и совершенствования методов печати. И сегодня есть уже много примеров успешного использования 3D-печати в строительстве.
В том числе и в России.
2. Умные материалы
Это инновационные строительные компоненты, которые могут адаптироваться к внешним условиям, самовосстанавливаться или менять свои свойства под воздействием различных факторов. И вот несколько примеров.
Самовосстанавливающийся бетон
Бетон – самый распространенный строительный материал. Однако у него есть ключевой недостаток: он хрупкий и со временем в нем появляются микротрещины, которые снижают прочность конструкции. Самовосстанавливающийся бетон решает эту проблему практически без участия человека за счет встроенных механизмов "заживления". Рассказываем, что это за механизмы.
- Бактериальный бетон
В бетон добавляют водный концентрат, содержащий бактерии Bacillus cohnii или Sporosarcina pasteurii. При появлении трещин бактерии активируются, получая доступ к влаге и кислороду, и начинают выделять карбонат кальция, который заполняет повреждения в бетоне.
В 2021 году ученые Ученые Политехнического института ДВФУ проводили эксперименты с таким бетоном и установили, что бактерии могут ликвидировать трещины шириной от 0,2 до 0,6 мм за 28 дней, возвращая бетонным плитам первоначальную прочность на сжатие.
- Капсулы с полимерами
Это бетонная смесь, содержащая капсулы с полимером. При образовании трещин капсулы разрушаются, полимер вытекает, заполняет повреждения и затвердевает сам или под воздействием УФ-излучения. Плюс метода в том, что “заживление” происходит быстро (в течение нескольких часов), недостаток технологии – капсула срабатывает только один раз.
Методику продолжают изучать и совершенствовать. Так, например, в недавнем исследовании ученые выяснили, капсулы какого размера и степени прочности дают максимальные результаты.
- Микрососуды
В бетоне создается сеть микроскопических каналов, заполненных специальным агентом. При повреждении бетона состав вытекает из “сосудов”, заполняет трещины и затвердевает. Такой бетон способен “залечивать” трещины гораздо большего размера, чем предыдущие два вида. Кроме того, эта система работает до тех пор, пока вся сеть каналов не будет разрушена, то есть самовосстановление может происходить несколько раз.
Ученые активно исследуют и этот тип бетона: в прошлом году вышло исследование, в котором были задействовали нейросети для расчета наилучшей конфигурации сосудистой системы в бетоне (чтобы не только хорошо “лечилось”, но и помогало улучшить характеристики материала).
Окна, генерирующие энергию
Разработка, которая не только повышает комфорт, но и улучшает энергоэффективность зданий. Умные окна способны затемняться при ярком солнечном свете и одновременно преобразовывать солнечную энергию в электричество.
Для создания таких окон используют специальные материалы, такие как электрохромные или фотохромные покрытия, реагирующие на интенсивность света. Под воздействием солнечного света покрытие изменяет свои оптические свойства, затемняя окно и снижая проникновение тепла в помещение. Это позволяет снизить нагрузку на системы кондиционирования, экономя энергию.
Кроме того, в структуру окна интегрируются тонкопленочные солнечные элементы. Эти элементы, оставаясь прозрачными или полупрозрачными, способны поглощать часть солнечного света и преобразовывать его в электрическую энергию. Производимая энергия может использоваться для питания различных устройств в здании, снижая зависимость от традиционных источников энергии.
Технология умных окон находится на стадии активного развития и совершенствования. Ожидается, что в будущем они станут более доступными по цене и более эффективными в плане генерации электроэнергии. Это позволит широко внедрить их в строительство жилых и коммерческих зданий, способствуя созданию более экологичных и комфортных условий проживания и работы.
3. Интернет вещей (IoT) и сенсоры
Интеграция IoT позволяет собирать и анализировать данные в режиме реального времени, оптимизируя процессы на всех этапах строительства. Рассмотрим несколько конкретных примеров.
• Мониторинг состояния оборудования и техники
Сенсоры, установленные на строительной технике (кранах, экскаваторах, бульдозерах), собирают данные о производительности, износе деталей, расходе топлива и местоположении. Эта информация позволяет оптимизировать графики обслуживания, предотвращать поломки и повышать эффективность использования оборудования. Например, система предупреждает о необходимости замены масла в двигателе экскаватора за несколько дней до критического износа, предотвращая дорогостоящий ремонт.
• Контроль качества бетона
В бетонную смесь могут быть внедрены специальные сенсоры, измеряющие температуру, влажность и прочность в режиме реального времени. Данные передаются в облачную платформу, позволяя контролировать процесс затвердевания бетона, прогнозировать сроки набора прочности и выявлять потенциальные дефекты на ранних стадиях. Это обеспечивает соответствие бетонных конструкций требованиям проекта и предотвращает дорогостоящие переделки.
• Управление строительной площадкой и обеспечение безопасности
Носимые сенсоры (например, умные каски) могут отслеживать местоположение рабочих, обнаруживать опасные зоны и автоматически предупреждать о необходимости соблюдения правил безопасности. Системы видеонаблюдения с использованием алгоритмов машинного обучения могут идентифицировать нарушения техники безопасности, такие как отсутствие защитных очков или касок, и отправлять уведомления ответственным лицам. Это значительно снижает риск несчастных случаев и повышает культуру безопасности на строительной площадке.
Не так давно в Москве завершился пилотный проект по внедрению датчиков шума на строительных площадках. В процессе работ фиксировались звуковые отклонения от нормы, нарушения оперативно устранялись еще до поступления жалоб от горожан. Благодаря такой оптимизации уровень шума от стройки снизился почти на 40%.
• Управление энергопотреблением и отходами
IoT-датчики могут контролировать расход электроэнергии и воды на строительной площадке, выявляя источники неэффективного использования ресурсов. Данные о количестве образующихся отходов позволяют оптимизировать процессы утилизации и переработки, снижая негативное воздействие на окружающую среду. Например, сенсоры, установленные в контейнерах для строительного мусора, сообщают о степени заполненности, оптимизируя графики вывоза и снижая затраты на логистику.
• Мониторинг состояния готовых зданий и инфраструктуры
После завершения строительства, IoT-сенсоры могут использоваться для мониторинга состояния зданий и инфраструктуры (мостов, тоннелей). Они отслеживают вибрации, деформации, уровень влажности и другие параметры, позволяя выявлять потенциальные проблемы на ранних стадиях и предотвращать аварии. Это значительно продлевает срок службы зданий и инфраструктуры, а также снижает затраты на их обслуживание.
👉 А какие строительные технологии вы считаете перспективными? Поделитесь в комментариях!