两室一厅106平,清华大学徐卫国教授团队3D打印混凝土农家宅,河北武家庄

3D打印资讯
2021
09/12
16:16
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来源:清华大学建筑学院

导读:在中国的建筑领域,有一支科研团队,正在不断刷新人们对建筑3D打印的认知。他们就是来自清华大学建筑学院的徐卫国教授团队。

2021年9月11日,南极熊获悉,徐卫国教授团队使用机器人3D打印混凝土建造技术,为河北下花园武家庄农户打印了几座住宅。农宅功能合理、形象美观、结构坚固、生态节能。看完,南极熊直呼,也想打印几套。

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▲清华大学建筑学院徐卫国教授团队3D打印的农户住宅

01
河北武家庄农宅

武家庄农宅106平方米,其形态采用了当地传统的窑洞形式,它是一个3大2小5开间住宅,3大间分别为起居室及卧室、其上屋顶为筒拱结构,2小间分别为厨房及厕所。

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▲清华大学建筑学院徐卫国教授团队3D打印的农户住宅

该项技术由徐卫国教授跨学科团队自主研发,它基于数字建筑设计方法及机器人自控系统、将3D打印技术与特种混凝土材料技术相结合,是一种创新型房屋智能建造技术,这一技术的优势在于省人力、高效率、造价低、高质量,并且在可实现传统的房屋造型设计建造的同时,还可实现各种优美的不规则曲面形体的建造。

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▲农宅西立面
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▲农宅西南视角照片
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▲农宅鸟瞰

02
机器人建筑3D打印技术

该农宅的打印施工,使用了3套机器臂3D打印混凝土移动平台,分别放置在3大开间中央,直接进行了基础及墙体的原位打印,同时在建筑室外的机器臂轨道两侧,现场预制打印了所有筒拱屋顶,并用吊机将筒拱屋顶装配到打印的墙体上面。建筑的外墙采用了编织纹理作为装饰,它与结构墙体一体化打印而成,墙体中央灌注保温材料,形成装饰、结构、保温一体化的外墙体系。

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▲移动打印平台施工现场
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▲拱顶预制打印现场
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▲打印编织纹理墙面

农宅的设计采用全数字化工作流的方式进行,建筑方案以参数化数字设计的方法生成,并在设计初期就考虑结构的合理性及打印施工的可行性;建筑的形体设计及结构计算、水暖电设计及打印路径规划、室内全装配化装修设计等均在同一个三维数字模型上完成,确保了设计全过程信息传递的连贯性,以及各个专业之间信息交换的有效协同性。

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▲结构计算

建筑结构安全是3D打印这一新的建造方法的重要内容,结构工程师在这一项目中,采用了Midas软件对三维形体模型直接进行整体计算和分析,首先根据节材的要求将拱形屋顶及墙体设计成带truss的空心墙,结合3D打印设备前端材料出口的尺寸,分别对拱和墙等构件的truss排布进行深入分析与比较,确定构件的最终尺寸;接着将确定的构件实际尺寸反馈到整体模型,进行构件内力分析;最后进行施工吊装分析,确定合理的施工吊装方案;结构的设计过程与建筑形体建模紧密配合,参数化数字模型为实现建筑与结构专业之间的数字信息交流提供了流畅的途径。

此外,为确保结构的可靠性,分别对重要构件如墙、拱顶、平屋顶分别进行了构件破坏试验,并对该农宅整体结构进行了缩尺的振动台试验,从而验证了该3D打印混凝土建筑项目的安全性。

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▲3D打印混凝土墙体的结构破坏试验

“机器臂3D打印混凝土移动平台”的组成包括可移动机械臂及3D打印设备、轨道及可移动可升降平台、拖挂平台等。3D打印设备中,机械臂及打印前端被安置在升降平台上、并可在该平台上移动,而打印材料、上料搅拌泵送一体机则安置在拖挂平台上。该打印平台只需2人在移动平台上操作按钮,即可完成整栋房屋的打印建造,它充分集成并简化了混凝土3D打印的工艺,最大可能地减少了打印建造过程中的人力投入。

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▲西南角细节
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▲室内-客厅
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▲室内-卧室
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▲农宅及南院

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▲院墙细节

实施乡村建设行动,提升乡村建设水平,推动乡村全面振兴,事关经济社会发展大局,事关乡村居民切身利益,它是今年中央经济工作会议部署的重点任务;持续改善农村人居环境,提升农房现代化水平,提高农房品质,需要明确具体的建造方法和途径,机器人3D打印混凝土建造技术的推广使用将成为具体的措施和有效的方法。

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▲打印过程

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▲平面图

03
徐卫国教授团队其他项目

1)上海智慧湾3D打印混凝土步行桥

2019年1月,由清华大学(建筑学院)-中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队设计研发,并与上海智慧湾投资管理有限公司共同建造的3D打印混凝土步行桥在上海智慧湾科创园落成。
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该步行桥全长26.3米,宽度3.6米,桥梁结构借取了中国古代赵州桥的结构方式,采用单拱结构承受荷载,拱脚间距14.4米。在该桥梁进入实际打印施工之前,进行了1:4缩尺实材桥梁破坏试验,其强度可满足站满行人的荷载要求。
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整体桥梁工程的打印用了两台机器臂3D打印系统,共用450小时打印完成全部混凝土构件;与同等规模的桥梁相比,它的造价只有普通桥梁造价的三分之二;该桥梁主体的打印及施工未用模板,未用钢筋,大大节省了工程花费。该步行桥桥体由桥拱结构、桥栏板、桥面板三部分组成,桥体结构由44块0.9*0.9*1.6米的混凝土3D打印单元组成 ,桥栏板分为68块单元进行打印,桥面板共64块也通过打印制成。这些构件的打印材料均为聚乙烯纤维混凝土添加多种外加剂组成的复合材料,经过多次配比试验及打印实验,目前已具有可控的流变性满足打印需求;该新型混凝土材料的抗压强度达到65mpa,抗折强度达到15mpa。

2)3D打印图书屋

2021年3,位于上海市宝山区智慧湾科创园内的3D打印图书屋正式建成,并对外亮相。南极熊之前也报道过这间采用混凝土3D打印的图书屋,建成后的面积不到30平米,可容纳15人。
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从远处看,3D打印的图书屋像一个堡垒,图书屋的外墙表面有比较明显的纹路和花纹图案。从顶部看像一个贝壳或者反写的逗号。
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3D打印的图书屋内部是一个拱形空间,墙壁为白色,有一排圆弧形的座位,可以供人坐下。

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图书屋顶部有一个透光的穹顶,顶部安装了自动的天窗,按下门口开关按钮,天窗可以打开通风。除此之外,屋内还安装了地暖,冬天可以实现供暖。

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这个3D打印的图书屋将为读者提供一个安静的读书氛围空间,项目由智慧湾园区和清华大学数字建筑中心一起设计,并在园区内共同建造。清华大学建筑学院徐卫国教授表示:“这个书屋的建造采用了机器人3D混凝土打印的建造方式,它是一个永久性建筑,它是有基础的,基础部分和上面的主体部分都是3D打印的。它是安全的,结构合理的,它的完工证明3D打印是可以建房的。”

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△图片来源:中新视频


3)深圳宝安3D打印景观广场

市民期待已久的3D打印景观工程,经过几个月的精心施工,以及多次设计方案的修改,将于2021年9月底完工。如今,步入深圳国际会展中心西侧的滨江大道中间与北侧绿地延续地段时,映入眼帘的是带有艺术造型的铺地、雕塑、座椅、树池、花坛,以及犹如流水似线条的挡土墙等。

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△3D打印景观工程局部景象


今年4月,为了进一步探索未来建筑工程的路子,按照项目业主宝安区建筑工务署的建设理念和委托,由中冶赛迪设计、中国二十冶施工承建的3D打印景观广场自发布消息以来,就受到了许多媒体及市民的关注。该工程突破以往建筑模式,以科技赋能,通过3D打印混凝土机器人打印广场内的所有混凝土构建,从而在深圳国际会展中心滨江大道一期打造一个总面积为5千平方米、绿化率88%的3D打印景观广场。


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据悉,机器人3D打印混凝土新技术,是目前世界上首次在市政工程建设上的实际运用。为了使这次工程能达到最佳效果,中冶赛迪和中国二十冶联合体充分发挥多年的设计和施工经验优势,根据清华3D打印团队提出打印工艺布置及其安装步序要求,依据现状工地遴选的位置,结合项目进度总体要求和施工计划及步序倒推出图计划。

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目前,一千多件3D打印混凝土的各种构件,已经基本安装整合铺摆到位,剩余带有科普性的地下综合管廊等大型构件正在打印中,绿化植被方案几经修改并确定,已进入到选苗购置流程。待绿化全部完成后,3D打印景观工程定能惊艳众人。

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△3D打印景观广场效果图,图片来源:深圳政府在线






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