導讀：在中國的建筑領域，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國教授團隊

2021年9月11日，南極熊獲悉，徐衛國教授團隊使用機器人3D打印混凝土建造技術，為河北下花園武家莊農戶打印了幾座住宅農宅功能合理形象美觀結構堅固生態節能看完，南極熊直呼，也想打印幾套

清華大學建筑學院徐衛國教授團隊3D打印的農戶住宅

01河北武家莊農宅

武家莊農宅106平方米，其形態采用了當地傳統的窯洞形式，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構，2小間分別為廚房及廁所

清華大學建筑學院徐衛國教授團隊3D打印的農戶住宅

該項技術由徐衛國教授跨學科團隊自主研發，它基于數字建筑設計方法及機器人自控系統將3D打印技術與特種混凝土材料技術相結合，是一種創新型房屋智能建造技術，這一技術的優勢在于省人力高效率造價低高質量，并且在可實現傳統的房屋造型設計建造的同時，還可實現各種優美的不規則曲面形體的建造

農宅西立面

農宅西南視角照片

農宅鳥瞰

02機器人建筑3D打印技術

該農宅的打印施工，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，直接進行了基礎及墻體的原位打印，同時在建筑室外的機器臂軌道兩側，現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，它與結構墻體一體化打印而成，墻體中央灌注保溫材料，形成裝飾結構保溫一體化的外墻體系

移動打印平臺施工現場

拱頂預制打印現場

打印編織紋理墻面

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

結構計算

建筑結構安全是3D打印這一新的建造方法的重要內容，結構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，首先根據節材的要求將拱形屋頂及墻體設計成帶truss的空心墻，結合3D打印設備前端材料出口的尺寸，分別對拱和墻等構件的truss排布進行深入分析與比較，確定構件的最終尺寸；接著將確定的構件實際尺寸反饋到整體模型，進行構件內力分析；最后進行施工吊裝分析，確定合理的施工吊裝方案；結構的設計過程與建筑形體建模緊密配合，參數化數字模型為實現建筑與結構專業之間的數字信息交流提供了流暢的途徑

此外，為確保結構的可靠性，分別對重要構件如墻拱頂平屋頂分別進行了構件破壞試驗，并對該農宅整體結構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構破壞試驗

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

室內-客廳

室內-臥室

農宅及南院

院墻細節

實施鄉村建設行動，提升鄉村建設水平，推動鄉村全面振興，事關經濟社會發展大局，事關鄉村居民切身利益，它是今年中央經濟工作會議部署的重點任務；持續改善農村人居環境，提升農房現代化水平，提高農房品質，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）-中南置地數字建筑研究中心徐衛國教授團隊設計研發，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園落成



該步行橋全長26.3米，寬度3.6米，橋梁結構借取了中國古代趙州橋的結構方式，采用單拱結構承受荷載，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，共用450小時打印完成全部混凝土構件；與同等規模的橋梁相比，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，大大節省了工程花費該步行橋橋體由橋拱結構橋欄板橋面板三部分組成，橋體結構由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，位于上海市寶山區智慧灣科創園內的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打印的圖書屋有一個入口，圖書屋的周圍還鋪設了3D打印的混凝土線條地磚



3D打印的圖書屋內部是一個拱形空間，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，按下門口開關按鈕，天窗可以打開通風除此之外，屋內還安裝了地暖，冬天可以實現供暖



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，項目由智慧灣園區和清華大學數字建筑中心一起設計，并在園區內共同建造清華大學建筑學院徐衛國教授表示：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，它是有基礎的，基礎部分和上面的主體部分都是3D打印的它是安全的，結構合理的，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
市民期待已久的3D打印景觀工程，經過幾個月的精心施工，以及多次設計方案的修改，將于2021年9月底完工如今，步入深圳國際會展中心西側的濱江大道中間與北側綠地延續地段時，映入眼簾的是帶有藝術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，為了進一步探索未來建筑工程的路子，按照項目業主寶安區建筑工務署的建設理念和委托，由中冶賽迪設計中國二十冶施工承建的3D打印景觀廣場自發布消息以來，就受到了許多媒體及市民的關注該工程突破以往建筑模式，以科技賦能，通過3D打印混凝土機器人打印廣場內的所有混凝土構建，從而在深圳國際會展中心濱江大道一期打造一個總面積為5千平方米綠化率88%的3D打印景觀廣場



據悉，機器人3D打印混凝土新技術，是目前世界上首次在市政工程建設上的實際運用為了使這次工程能達到最佳效果，中冶賽迪和中國二十冶聯合體充分發揮多年的設計和施工經驗優勢，根據清華3D打印團隊提出打印工藝布置及其安裝步序要求，依據現狀工地遴選的位置，結合項目進度總體要求和施工計劃及步序倒推出圖計劃



目前，一千多件3D打印混凝土的各種構件，已經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件正在打印中，綠化植被方案幾經修改并確定，已進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打印景觀廣場效果圖，圖片來源：深圳政府在線

來源：南極熊3D打印網