導(dǎo)讀：在中國的建筑領(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)知他們就是來自清華大學(xué)建筑學(xué)院的徐衛(wèi)國教授團(tuán)隊(duì)

2021年9月11日，南極熊獲悉，徐衛(wèi)國教授團(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打印的圖書屋有一個(gè)入口，圖書屋的周圍還鋪設(shè)了3D打印的混凝土線條地磚



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。

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)中國二十冶施工承建的3D打印景觀廣場(chǎng)自發(fā)布消息以來，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，圖片來源：深圳政府在線

來源：南極熊3D打印網(wǎng)