中國網9月14日訊 機器人3D列印混凝土建造技術是清華大學建築學院科研成果之一,已通過評估,並進入産業化推廣階段,該項技術已在多個實際項目中實驗性應用。目前,河北下花園武家莊農戶住宅已通過3D列印建成,該農宅功能合理、形象美觀、結構堅固、生態節能。

該項技術由徐衛國教授跨學科團隊自主研發,它基於數字建築設計方法及機器人自控系統、將3D列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慧建造技術,這一技術的優勢在於省人力、高效率、造價低、高品質,並且在實現傳統房屋造型設計建造的同時,還能實現各種優美的不規則曲面形體的建造。

武家莊農宅106平方米,採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大間分別為起居室和臥室,上屋頂為筒拱結構;2小間分別為廚房和廁所。

該農宅的列印施工,使用了3套機器臂3D列印混凝土移動平臺,分別放置在3大開間中央,直接進行基礎及墻體的原位列印,同時在建築室外的機器臂軌道兩側,現場預製列印了所有筒拱屋頂,並用吊機將筒拱屋頂裝配到列印的墻體上面。建築的外墻採用了編織紋理作為裝飾,它與結構墻體一體化列印而成,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。

農宅採用全數字化工作流的方式進行設計,其建築方案以參數化數字設計的方法生成,並在設計初期就考慮結構的合理性及列印施工的可行性;建築的形體設計及結構計算、水暖電設計及列印路徑規劃、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,這確保了設計全過程中資訊傳遞的連貫性,以及各專業間資訊交換的有效協同性。

建築結構安全是3D列印這一新的建造方法的重要內容,在這一項目中,結構工程師採用了Midas軟體對三維形體模型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列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,從而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上,對其進行構件內力分析;最後進行施工吊裝分析,確定合理的施工吊裝方案。結構的設計過程與建築形體建模能夠緊密配合,是因為參數化數字模型為實現建築與結構專業之間的數字資訊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,並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列印混凝土建築項目的安全性。

“機器臂3D列印混凝土移動平臺”的組成包括可移動機械臂及3D列印設備、軌道及可移動可升降平臺、拖挂平臺等。在3D列印設備中,機械臂及列印前端被安置在升降平臺上、並可在該平臺上移動,而列印材料、上料攪拌泵送一體機則安置在拖挂平臺上。該列印平臺只需2人在移動平臺上操作按鈕,即可完成整棟房屋的列印建造,充分整合並簡化了混凝土3D列印的工藝,最大可能減少了列印建造過程中所需的人力投入。

實施鄉村建設行動,提升鄉村建設水準,推動鄉村振興,事關社會經濟發展大局,事關鄉村居民切身利益;持續改善農村人居環境,提升農房現代化水準,提高農房品質,需要明確具體的建造方法和途徑,機器人3D列印混凝土建造技術的推廣使用,或將成為具體的措施和有效的方法。

該農宅項目的團隊成員包括徐衛國、高遠、孫晨煒、崔方、張志齡、韓冬、何雨婷、林志鵬、左傑、梅玥、吳文劍、黃舒弈、毛宇軒等。清華大學建築設計研究院有限公司王昊、清華大學土水學院土木係馮鵬(顧問)和張道博負責結構設計。無錫荷清數字建築科技有限公司負責該項目的建造。