導讀：在中國的建筑領(lǐng)域，有一支科研團隊，正在不斷刷新人們對建筑3D打印的認知。他們就是來自清華大學建筑學院的徐衛(wèi)國教授團隊。

2021年9月11日，徐衛(wèi)國教授團隊使用機器人3D打印混凝土建造技術(shù)，為河北下花園武家莊農(nóng)戶打印了幾座住宅。農(nóng)宅功能合理、形象美觀、結(jié)構(gòu)堅固、生態(tài)節(jié)能。看完，南極熊直呼，也想打印幾套。

▲清華大學建筑學院徐衛(wèi)國教授團隊3D打印的農(nóng)戶住宅

01、河北武家莊農(nóng)宅

武家莊農(nóng)宅106平方米，其形態(tài)采用了當?shù)貍鹘y(tǒng)的窯洞形式，它是一個3大2小5開間住宅，3大間分別為起居室及臥室、其上屋頂為筒拱結(jié)構(gòu)，2小間分別為廚房及廁所。

▲清華大學建筑學院徐衛(wèi)國教授團隊3D打印的農(nóng)戶住宅

該項技術(shù)由徐衛(wèi)國教授跨學科團隊自主研發(fā)，它基于數(shù)字建筑設計方法及機器人自控系統(tǒng)、將3D打印技術(shù)與特種混凝土材料技術(shù)相結(jié)合，是一種創(chuàng)新型房屋智能建造技術(shù)，這一技術(shù)的優(yōu)勢在于省人力、高效率、造價低、高質(zhì)量，并且在可實現(xiàn)傳統(tǒng)的房屋造型設計建造的同時，還可實現(xiàn)各種優(yōu)美的不規(guī)則曲面形體的建造。

▲農(nóng)宅西立面

▲農(nóng)宅西南視角照片

▲農(nóng)宅鳥瞰

02、機器人建筑3D打印技術(shù)

該農(nóng)宅的打印施工，使用了3套機器臂3D打印混凝土移動平臺，分別放置在3大開間中央，直接進行了基礎(chǔ)及墻體的原位打印，同時在建筑室外的機器臂軌道兩側(cè)，現(xiàn)場預制打印了所有筒拱屋頂，并用吊機將筒拱屋頂裝配到打印的墻體上面。建筑的外墻采用了編織紋理作為裝飾，它與結(jié)構(gòu)墻體一體化打印而成，墻體中央灌注保溫材料，形成裝飾、結(jié)構(gòu)、保溫一體化的外墻體系。

▲移動打印平臺施工現(xiàn)場

▲拱頂預制打印現(xiàn)場

▲打印編織紋理墻

農(nóng)宅的設計采用全數(shù)字化工作流的方式進行，建筑方案以參數(shù)化數(shù)字設計的方法生成，并在設計初期就考慮結(jié)構(gòu)的合理性及打印施工的可行性；建筑的形體設計及結(jié)構(gòu)計算、水暖電設計及打印路徑規(guī)劃、室內(nèi)全裝配化裝修設計等均在同一個三維數(shù)字模型上完成，確保了設計全過程信息傳遞的連貫性，以及各個專業(yè)之間信息交換的有效協(xié)同性。

▲結(jié)構(gòu)計算

建筑結(jié)構(gòu)安全是3D打印這一新的建造方法的重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)工程師在這一項目中，采用了Midas軟件對三維形體模型直接進行整體計算和分析，首先根據(jù)節(jié)材的要求將拱形屋頂及墻體設計成帶truss的空心墻，結(jié)合3D打印設備前端材料出口的尺寸，分別對拱和墻等構(gòu)件的truss排布進行深入分析與比較，確定構(gòu)件的最終尺寸；接著將確定的構(gòu)件實際尺寸反饋到整體模型，進行構(gòu)件內(nèi)力分析；最后進行施工吊裝分析，確定合理的施工吊裝方案；結(jié)構(gòu)的設計過程與建筑形體建模緊密配合，參數(shù)化數(shù)字模型為實現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的數(shù)字信息交流提供了流暢的途徑。

此外，為確保結(jié)構(gòu)的可靠性，分別對重要構(gòu)件如墻、拱頂、平屋頂分別進行了構(gòu)件破壞試驗，并對該農(nóng)宅整體結(jié)構(gòu)進行了縮尺的振動臺試驗，從而驗證了該3D打印混凝土建筑項目的安全性。

▲3D打印混凝土墻體的結(jié)構(gòu)破壞試驗

“機器臂3D打印混凝土移動平臺”的組成包括可移動機械臂及3D打印設備、軌道及可移動可升降平臺、拖掛平臺等。3D打印設備中，機械臂及打印前端被安置在升降平臺上、并可在該平臺上移動，而打印材料、上料攪拌泵送一體機則安置在拖掛平臺上。該打印平臺只需2人在移動平臺上操作按鈕，即可完成整棟房屋的打印建造，它充分集成并簡化了混凝土3D打印的工藝，最大可能地減少了打印建造過程中的人力投入。

▲西南角細節(jié)

▲室內(nèi)-客廳

▲室內(nèi)-臥室

▲農(nóng)宅及南院

▲院墻細節(jié)

實施鄉(xiāng)村建設行動，提升鄉(xiāng)村建設水平，推動鄉(xiāng)村全面振興，事關(guān)經(jīng)濟社會發(fā)展大局，事關(guān)鄉(xiāng)村居民切身利益，它是今年中央經(jīng)濟工作會議部署的重點任務；持續(xù)改善農(nóng)村人居環(huán)境，提升農(nóng)房現(xiàn)代化水平，提高農(nóng)房品質(zhì)，需要明確具體的建造方法和途徑，機器人3D打印混凝土建造技術(shù)的推廣使用將成為具體的措施和有效的方法。

▲打印過程

▲平面圖

03、徐衛(wèi)國教授團隊其他項目

1）上海智慧灣3D打印混凝土步行橋

2019年1月，由清華大學（建筑學院）-中南置地數(shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國教授團隊設計研發(fā)，并與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造的3D打印混凝土步行橋在上海智慧灣科創(chuàng)園落成。

該步行橋全長26.3米，寬度3.6米，橋梁結(jié)構(gòu)借取了中國古代趙州橋的結(jié)構(gòu)方式，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4米。在該橋梁進入實際打印施工之前，進行了1:4縮尺實材橋梁破壞試驗，其強度可滿足站滿行人的荷載要求。

整體橋梁工程的打印用了兩臺機器臂3D打印系統(tǒng)，共用450小時打印完成全部混凝土構(gòu)件；與同等規(guī)模的橋梁相比，它的造價只有普通橋梁造價的三分之二；該橋梁主體的打印及施工未用模板，未用鋼筋，大大節(jié)省了工程花費。該步行橋橋體由橋拱結(jié)構(gòu)、橋欄板、橋面板三部分組成，橋體結(jié)構(gòu)由44塊0.9*0.9*1.6米的混凝土3D打印單元組成 ，橋欄板分為68塊單元進行打印，橋面板共64塊也通過打印制成。這些構(gòu)件的打印材料均為聚乙烯纖維混凝土添加多種外加劑組成的復合材料，經(jīng)過多次配比試驗及打印實驗，目前已具有可控的流變性滿足打印需求；該新型混凝土材料的抗壓強度達到65mpa，抗折強度達到15mpa。

2）3D打印圖書屋

2021年3，位于上海市寶山區(qū)智慧灣科創(chuàng)園內(nèi)的3D打印圖書屋正式建成，并對外亮相。南極熊之前也報道過這間采用混凝土3D打印的圖書屋，建成后的面積不到30平米，可容納15人。

從遠處看，3D打印的圖書屋像一個堡壘，圖書屋的外墻表面有比較明顯的紋路和花紋圖案。從頂部看像一個貝殼或者反寫的逗號。

3D打印的圖書屋內(nèi)部是一個拱形空間，墻壁為白色，有一排圓弧形的座位，可以供人坐下。

圖書屋頂部有一個透光的穹頂，頂部安裝了自動的天窗，按下門口開關(guān)按鈕，天窗可以打開通風。除此之外，屋內(nèi)還安裝了地暖，冬天可以實現(xiàn)供暖。

這個3D打印的圖書屋將為讀者提供一個安靜的讀書氛圍空間，項目由智慧灣園區(qū)和清華大學數(shù)字建筑中心一起設計，并在園區(qū)內(nèi)共同建造。清華大學建筑學院徐衛(wèi)國教授表示：“這個書屋的建造采用了機器人3D混凝土打印的建造方式，它是一個永久性建筑，它是有基礎(chǔ)的，基礎(chǔ)部分和上面的主體部分都是3D打印的。它是安全的，結(jié)構(gòu)合理的，它的完工證明3D打印是可以建房的?！?/span>

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