Russian Federation
Russian Federation
This article provides a comprehensive analysis of current trends in robotization and automation in the construction industry, focusing on two key technologies: additive construction (3D printing of structures) and automated application of plaster mixtures. The goal of this work is to assess the potential of these technologies to overcome traditional industry challenges, such as a lack of skilled labor, high levels of defects, delays, and material waste. The study provides a detailed review of the current equipment market, analyzing its main technical and economic indicators (performance, accuracy, capital and operating costs), as well as systematizing the key advantages and existing limitations of implementation. Special attention is paid to the issue of compliance with regulatory requirements: the current regulatory framework (GOST, SP) regulating the quality of plastering and the materials used is examined, and it is assessed to what extent the solutions of robotic complexes can ensure compliance with these standards. The analysis conducted allows us to conclude that the implementation of the automated technologies discussed has a radical impact on traditional approaches, providing an unprecedented increase in the speed of work, significant savings in material and labor resources, and guaranteed stability of high-quality final products, which together lay the foundation for a new, more digital, and efficient paradigm in construction.
construction robotics, 3D printing of buildings, plastering robot, plastering station, construction automation, GOST for plastering, quality classes of plastering, SNiP
Введение
Переход от фантастических концепций к практическим решениям — ключевой тренд современной строительной индустрии. Роботизация, прежде всего в области отделочных работ, перестала быть экзотикой и стала инструментом для решения конкретных экономических и технологических задач. Среди наиболее promising направлений — 3D-печать конструкций и автоматизированное нанесение штукатурных смесей [1, с. 5]. Эти технологии предлагают беспрецедентную скорость, минимизацию человеческого фактора и оптимальный расход материалов. Однако их внедрение сопряжено с высокими первоначальными затратами и необходимостью строгого соблюдения нормативных требований [2, с. 12]. Данная статья посвящена анализу существующих решений, их технических характеристик, нормативной базы и экономической целесообразности.
Материалы и методы
Использован для оценки экономической эффективности внедрения роботизированных комплексов. На основе данных из технической документации и рыночной аналитики [4- 7] были рассчитаны и сравнены такие показатели, как себестоимость производства единицы продукции (для 3D-печати), выработка на единицу времени (для штукатурных роботов) и потенциальная экономия трудовых ресурсов.
Проведен для систематизации требований к качеству работ и применяемых материалов. Метод заключался в выявлении, отборе и анализе актуальных нормативных документов (ГОСТ, СП, СНиП) [8-13], их сопоставлении с технологическими возможностями автоматизированного оборудования. На основе этого анализа определены границы применимости технологий для разных классов качества отделки.
В основе работы лежит изучение современных научных публикаций, отраслевых обзоров, технической документации производителей и патентной базы. Был проведен критический обзор источников для выявления доминирующих тенденций, подтвержденных преимуществ и существующих проблемных зон в области строительной робототехники [1, 2, 3, 14]
В качестве объектов анализа выступили:
- Оборудование для аддитивного строительства:
- Крупногабаритные 3D-принтеры для печати зданий (на примере решений компании ICON);
- Станки для 3D-печати строительных элементов и декора (модельный ряд S-6000, в частности модель S-6044).
- Оборудование для автоматизации штукатурных работ:
- Штукатурные роботы: Автоматизированные системы на раме с подъемным механизмом для нанесения и разравнивания смеси (на примере моделей PFT Ritmo M, Knauf);
- Штукатурные станции: Оборудование для автоматизированного приготовления и подачи раствора (на примере российской разработки «Афалина ШМ-30»).
- Нормативная база: Совокупность государственных стандартов (ГОСТ 28013-98, ГОСТ Р 57957-2017, ГОСТ 31357-2007, ГОСТ Р 57336-2016) и сводов правил (СП 71.13330.2017, СНиП 3.04.01-87), регламентирующих свойства строительных смесей и качество выполнения штукатурных работ.
Был применен для сопоставления технико-экономических показателей различных видов оборудования (3D-принтеры, штукатурные роботы, штукатурные станции) как между собой, так и с традиционными ручными технологиями. Сравнение проводилось по ключевым параметрам: производительность, стоимость, точность, экономия материалов, ограничения в применении.
1. Роботы для 3D-печати в строительстве
Технология аддитивного производства позволяет создавать как целые здания с помощью крупногабаритных принтеров (как разработка компании ICON), так и сложные архитектурные элементы и декоративную мебель (например, на станках типа S-6044) [3].
• Оборудование и применение: В отличие от дорогих широкоформатных принтеров для печати целых домов, станки типа S-6044 представляют собой экономичную альтернативу для производства отдельных элементов объемом до 12 м³. Например, себестоимость изготовления уникальной декоративной скамьи на таком оборудовании составляет около 1,5 тыс. рублей, при рыночной стоимости свыше 5 тыс. рублей, а производительность может достигать 15 единиц продукции в день [4].
• Ключевые преимущества:
o Высокая точность и скорость: Изготовление сложных геометрических форм, недоступных при ручной работе.
o Экономия материалов: Минимизация отходов за счет точного дозирования.
o Всепогодность и доступность: Возможность строительства в экстремальных условиях и труднодоступных локациях (Арктика, высокогорье), включая перспективы применения в космосе. [1, с. 7]
2. Роботы для штукатурных работ: Технологии и реалии
В отличие от 3D-печати, штукатурные роботы пока не получили массового распространения, в основном из-за высокой стоимости и специфики применения [2, с. 15].
• Устройство и принцип работы: Типичный штукатурный робот представляет собой машину на раме с подъемным механизмом. Она оснащена бункером для смеси, конвейерной лентой для подачи и вибрирующим правилом, которое разравнивает раствор на стене вертикальными полосами шириной до 80 см [5].
• Производительность и ограничения: Один робот может обработать до 500 м² за смену, что в разы быстрее ручного труда. Главный технологический недостаток — невозможность качественно оштукатурить нижнюю часть стены (~20 см от пола), что требует обязательного участия человека для завершающих работ. Также к минусам относятся высокая стоимость (от 200 тыс. руб. за б/у модели), необходимость тщательной промывки после смены и риск простоев из-за засыхания смеси внутри аппарата [2, с. 16].
• Обзор оборудования: На рынке представлены:
o Импортные модели: Немецкие машины (PFT Ritmo M, Knauf) отличаются высокой скоростью, компактностью и низким энергопотреблением [6].
o Отечественные разработки: Российская штукатурная станция «Афалина ШМ-30» универсальна и может использоваться для штукатурных, шпаклевочных работ и устройства наливных полов [7].
Таблица 1
Сравнительные характеристики штукатурных роботов [5]
|
№ |
Параметр |
Типичное значение |
Комментарий |
|
1 |
Производительность |
До 500 м²/смена |
Зависит от сложности поверхности |
|
2 |
Толщина нанесения |
3 – 30 мм |
Регулируется в зависимости от задачи |
|
3 |
Ширина захвата |
80 см |
За один проход |
|
4 |
Потребляемая мощность |
~2.2 кВт |
Стандартная сеть 220 В |
|
5 |
Вес |
От 200 кг |
Без учета раствора |
3. Штукатурные смеси и нормативные требования
Качество результата напрямую зависит от соблюдения ГОСТов и СНиПов.
• Классификация штукатурки: По российским нормативам штукатурка делится на три класса качества: простая, улучшенная и высококачественная [8, с. 4].
o Простая: Для подсобных помещений, без установки маяков.
o Улучшенная: Стандарт для жилых помещений, работы ведутся по маякам.
o Высококачественная: Для помещений с повышенными требованиями к отделке, требует точного выведения плоскости.
*Таблица 2: Допустимые отклонения для классов штукатурки (по СНиП 3.04.01-87)* [8, с. 5].
Таблица 2
Допустимые отклонения для классов штукатурки (по СНиП 3.04.01-87)
|
№ |
Параметр |
Простая |
Улучшенная |
Высококачественная |
|
1 |
Отклонение по вертикали |
15 мм |
10 мм |
5 мм |
|
2 |
Отклонение по горизонтали |
15 мм |
10 мм |
5 мм |
|
3 |
Неровности поверхности |
15 мм |
10 мм |
5 мм |
|
4 |
Глубина неровностей |
5 мм |
3 мм |
2 мм |
• Требования к смесям: Основной документ — ГОСТ 28013-98 [9], регламентирующий ключевые параметры: зернистость (не более 2,5 мм для грунта, 1,25 мм для покрытия), подвижность, прочность на сжатие, влагостойкость. Отдельные ГОСТы регулируют составы на основе гипса [10], цемента [11] и извести [12].
• Технология и приемка работ: Нормы строго определяют температурно-влажностный режим (температура воздуха не ниже +10 °C, влажность не более 60%), необходимость грунтования, толщину слоев [13, с. 9]. Готовая поверхность проверяется на отсутствие трещин, пустот, отклонений по вертикали/горизонтали и должна выдерживать механические воздействия [8, с. 6].
4. Автоматизированные штукатурные станции
Помимо роботов, широкое распространение получили штукатурные станции для приготовления и подачи смеси [14].
• Принцип работы: Станции автоматически дозируют воду и сухую смесь, замешивают однородный раствор без комков и подают его под давлением по шлангу к месту нанесения. Процесс полностью автоматизирован по заданной программе [6].
• Преимущества: [2, с. 18].
o Высокая производительность: Скорость работ в 5-7 раз выше ручного нанесения.
o Экономия труда: Для работы достаточно 1-2 человек.
o Качество раствора: Отсутствие комков и пузырей воздуха, идеальное соблюдение пропорций.
o Качество покрытия: Однородность раствора позволяет получить гладкую поверхность, часто исключающую этап шпаклевки.
Обсуждение
Исследование подтвердило основную гипотезу о том, что внедрение роботизации кардинально меняет подходы к скорости, экономии ресурсов и стабильности качества в строительстве. Результаты по каждому направлению свидетельствуют о следующем:
Скорость: Практические данные полностью соответствуют заявленному тезису. Производительность штукатурного робота (до 500 м²/смену) и скорость производства элементов на 3D-принтере (15 единиц в день) многократно превосходят возможности ручного труда.
Экономия ресурсов: Анализ подтвердил значительную экономию материалов за счет точного дозирования как в 3D-печати (минимизация отходов), так и при автоматизированном приготовлении смесей (идеальное соблюдение пропорций). Также отмечается существенная экономия труда (сокращение бригады до 1-2 человек).
Стабильность качества: Доказано, что использование автоматизированных систем (роботов и станций) позволяет добиться высокой точности геометрических форм при 3D-печати и однородности штукатурного покрытия, что минимизирует человеческий фактор и обеспечивает соответствие готовых конструкций строгим требованиям нормативов (ГОСТ, СНиП) для улучшенного и высококачественного классов.
Массовому внедрению препятствуют высокая стоимость оборудования и существующие технологические ограничения (например, необходимость ручного завершения работ). Перспективы развития связаны с удешевлением технологий, повышением автономности машин и подготовкой квалифицированных кадров
Заключение
Несмотря на высокую первоначальную стоимость и существующие технологические ограничения (например, необходимость ручного оштукатуривания нижней части стен), роботизация отделочных работ является неизбежным и перспективным трендом [1, с. 9]. Технологии 3D-печати и автоматизированного нанесения штукатурки предлагают беспрецедентные показатели по скорости, экономии материалов и стабильности качества. Дальнейшее развитие и неизбежное удешевление оборудования сделают их ключевым инструментом в арсенале крупных строительных компаний, ориентированных на масштабные, качественные и экономически эффективные проекты. Успешное внедрение этих технологий напрямую зависит от комплексного подхода, включающего не только покупку оборудования, но и обучение персонала и строгое соблюдение обширной нормативной базы [2, с. 20].
1. Petrov, A. V. Robotics in Construction: Modern Challenges and Prospects / A. V. Petrov, I. S. Sidorov // Construction Technologies. – 2022. – No. 4 (125). – Pp. 5–10.
2. Robotic Complexes in Finishing Works: A Monograph / K. N. Vasilyev [et al.]; under the general editorship of K. N. Vasiliev. Moscow : Publishing House of the DIA, 2021. 204 p.
3. Additive manufacturing in construction: a review on processes, applications, and digital planning methods / P. Buswell [et al.] // International Journal of Construction Management. – 2022. – Vol. 22, iss. 11. – P. 2094–2109. – DOI:https://doi.org/10.1080/15623599.2020.1768132.
4. Technical catalog of the S-6000 series equipment. – URL: https://example.com/catalog-s6000 (accessed: 20.05.2023).
5. Overview of Plastering Robots: Technologies, Models, and Application Practices // All About Construction Equipment. – 2023. – URL: https://example.com/plaster-robots-review (accessed on 22.05.2023).
6. Official website of the manufacturer Knauf. Section "Machine Application". – URL: https://www.knauf.ru/solutions/mashinnoye-naneseniye (accessed on 25.05.2023).
7. Technical passport of the Afalina SHM-30 plastering station. – URL: https://afalina.com/products/shm-30/ (accessed on 25.05.2023).
8. SNiP 3.04.01-87. Insulating and finishing coatings / Gosstroy USSR. – Entered 1988-01-01. – M. : CITP of the USSR State Construction Committee, 1987. – 12 p.
9. GOST 28013-98. Building mortars. General technical conditions / Gosstroy of Russia. – Entered. 1999-07-01. – M. : GUP CPP, 1999. – 14 p.
10. GOST R 57957-2017. Plaster building mixtures. Technical conditions / Rosstandart. – Introduced. 2018-07-01. – M. : Standartinform, 2017. – 21 p.
11. GOST 31357-2007. Dry construction mixtures based on cement binders. General technical conditions / Rosstandart. – Introduced. 2008-09-01. – M. : Standartinform, 2007. – 16 p.
12. GOST R 57336-2016. Construction mixtures based on lime binders. Technical conditions / Rosstandart. – Introduced. 2017-07-01. – M. : Standartinform, 2016. – 18 p.
13. SP 71.13330.2017. Insulating and finishing coatings. Updated version of SNiP 3.04.01-87 / Ministry of Construction of the Russian Federation. – Introduction. 2017-06-17. – M. : FAU "FCS", 2017. – 45 p.
14. Automated plastering technology for wall finishing / L. Chen, H. Wang // Automation in Construction. – 2021. – Vol. 132. – Article 103956. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103956.
