兩室一廳106平，清華大學(xué)徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)3D打印混凝土農(nóng)家宅，河北武家莊

來(lái)源：清華大學(xué)建筑學(xué)院

導(dǎo)讀：在中國(guó)的建筑領(lǐng)域，有一支科研團(tuán)隊(duì)，正在不斷刷新人們對(duì)建筑3D打印的認(rèn)知。他們就是來(lái)自清華大學(xué)建筑學(xué)院的徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)。

2021年9月11日，南極熊獲悉，徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)使用機(jī)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(jiān)固、生態(tài)節(jié)能。看完，南極熊直呼，也想打印幾套。

▲清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)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(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的窯洞形式，它是一個(gè)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(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)3D打印的農(nóng)戶住宅

該項(xiàng)技術(shù)由徐衛(wèi)國(guó)教授跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，它基于數(shù)字建筑設(shè)計(jì)方法及機(jī)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(shì)在于省人力、高效率、造價(jià)低、高質(zhì)量，并且在可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的房屋造型設(shè)計(jì)建造的同時(shí)，還可實(shí)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(jī)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(jī)器臂3D打印混凝土移動(dòng)平臺(tái)，分別放置在3大開間中央，直接進(jìn)行了基礎(chǔ)及墻體的原位打印，同時(shí)在建筑室外的機(jī)器臂軌道兩側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制打印了所有筒拱屋頂，并用吊機(jī)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(dòng)打印平臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)

▲拱頂預(yù)制打印現(xiàn)場(chǎng)

▲打印編織紋理墻面

農(nóng)宅的設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化工作流的方式進(jìn)行，建筑方案以參數(shù)化數(shù)字設(shè)計(jì)的方法生成，并在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算、水暖電設(shè)計(jì)及打印路徑規(guī)劃、室內(nèi)全裝配化裝修設(shè)計(jì)等均在同一個(gè)三維數(shù)字模型上完成，確保了設(shè)計(jì)全過程信息傳遞的連貫性，以及各個(gè)專業(yè)之間信息交換的有效協(xié)同性。

▲結(jié)構(gòu)計(jì)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(xiàng)目中，采用了Midas軟件對(duì)三維形體模型直接進(jìn)行整體計(jì)算和分析，首先根據(jù)節(jié)材的要求將拱形屋頂及墻體設(shè)計(jì)成帶truss的空心墻，結(jié)合3D打印設(shè)備前端材料出口的尺寸，分別對(duì)拱和墻等構(gòu)件的truss排布進(jìn)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(shí)際尺寸反饋到整體模型，進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力分析；最后進(jìn)行施工吊裝分析，確定合理的施工吊裝方案；結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程與建筑形體建模緊密配合，參數(shù)化數(shù)字模型為實(shí)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(duì)重要構(gòu)件如墻、拱頂、平屋頂分別進(jìn)行了構(gòu)件破壞試驗(yàn)，并對(duì)該農(nóng)宅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了縮尺的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了該3D打印混凝土建筑項(xiàng)目的安全性。

▲3D打印混凝土墻體的結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)

“機(jī)器臂3D打印混凝土移動(dòng)平臺(tái)”的組成包括可移動(dòng)機(jī)械臂及3D打印設(shè)備、軌道及可移動(dòng)可升降平臺(tái)、拖掛平臺(tái)等。3D打印設(shè)備中，機(jī)械臂及打印前端被安置在升降平臺(tái)上、并可在該平臺(tái)上移動(dòng)，而打印材料、上料攪拌泵送一體機(jī)則安置在拖掛平臺(tái)上。該打印平臺(tái)只需2人在移動(dòng)平臺(tái)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(jiǎn)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(xì)節(jié)

▲室內(nèi)-客廳

▲室內(nèi)-臥室

▲農(nóng)宅及南院

▲院墻細(xì)節(jié)

實(shí)施鄉(xiāng)村建設(shè)行動(dòng)，提升鄉(xiāng)村建設(shè)水平，推動(dòng)鄉(xiāng)村全面振興，事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jì)工作會(huì)議部署的重點(diǎn)任務(wù)；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(jī)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(guó)教授團(tuán)隊(duì)其他項(xiàng)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(xué)（建筑學(xué)院）-中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(zhǎng)26.3米，寬度3.6米，橋梁結(jié)構(gòu)借取了中國(guó)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(jìn)入實(shí)際打印施工之前，進(jìn)行了1:4縮尺實(shí)材橋梁破壞試驗(yàn)，其強(qiáng)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(tái)機(jī)器臂3D打印系統(tǒng)，共用450小時(shí)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(jià)只有普通橋梁造價(jià)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(fèi)。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(jìn)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(fù)合材料，經(jīng)過多次配比試驗(yàn)及打印實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度達(dá)到65mpa，抗折強(qiáng)度達(dá)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(duì)外亮相。南極熊之前也報(bào)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(yuǎn)處看，3D打印的圖書屋像一個(gè)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(gè)貝殼或者反寫的逗號(hào)。

3D打印的圖書屋內(nèi)部是一個(gè)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(gè)透光的穹頂，頂部安裝了自動(dòng)的天窗，按下門口開關(guān)按鈕，天窗可以打開通風(fēng)。除此之外，屋內(nèi)還安裝了地暖，冬天可以實(shí)現(xiàn)供暖。

這個(gè)3D打印的圖書屋將為讀者提供一個(gè)安靜的讀書氛圍空間，項(xiàng)目由智慧灣園區(qū)和清華大學(xué)數(shù)字建筑中心一起設(shè)計(jì)，并在園區(qū)內(nèi)共同建造。清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授表示：“這個(gè)書屋的建造采用了機(jī)器人3D混凝土打印的建造方式，它是一個(gè)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。”

△圖片來(lái)源：中新視頻

3）深圳寶安3D打印景觀廣場(chǎng)

市民期待已久的3D打印景觀工程，經(jīng)過幾個(gè)月的精心施工，以及多次設(shè)計(jì)方案的修改，將于2021年9月底完工。如今，步入深圳國(guó)際會(huì)展中心西側(cè)的濱江大道中間與北側(cè)綠地延續(xù)地段時(shí)，映入眼簾的是帶有藝術(shù)造型的鋪地、雕塑、座椅、樹池、花壇，以及猶如流水似線條的擋土墻等。

△3D打印景觀工程局部景象

今年4月，為了進(jìn)一步探索未來(lái)建筑工程的路子，按照項(xiàng)目業(yè)主寶安區(qū)建筑工務(wù)署的建設(shè)理念和委托，由中冶賽迪設(shè)計(jì)、中國(guó)二十冶施工承建的3D打印景觀廣場(chǎng)自發(fā)布消息以來(lái)，就受到了許多媒體及市民的關(guān)注。該工程突破以往建筑模式，以科技賦能，通過3D打印混凝土機(jī)器人打印廣場(chǎng)內(nèi)的所有混凝土構(gòu)建，從而在深圳國(guó)際會(huì)展中心濱江大道一期打造一個(gè)總面積為5千平方米、綠化率88%的3D打印景觀廣場(chǎng)。

據(jù)悉，機(jī)器人3D打印混凝土新技術(shù)，是目前世界上首次在市政工程建設(shè)上的實(shí)際運(yùn)用。為了使這次工程能達(dá)到最佳效果，中冶賽迪和中國(guó)二十冶聯(lián)合體充分發(fā)揮多年的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)清華3D打印團(tuán)隊(duì)提出打印工藝布置及其安裝步序要求，依據(jù)現(xiàn)狀工地遴選的位置，結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)度總體要求和施工計(jì)劃及步序倒推出圖計(jì)劃。

目前，一千多件3D打印混凝土的各種構(gòu)件，已經(jīng)基本安裝整合鋪擺到位，剩余帶有科普性的地下綜合管廊等大型構(gòu)件正在打印中，綠化植被方案幾經(jīng)修改并確定，已進(jìn)入到選苗購(gòu)置流程。待綠化全部完成后，3D打印景觀工程定能驚艷眾人。

△3D打印景觀廣場(chǎng)效果圖，圖片來(lái)源：深圳政府在線