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清華大學徐衛國教授團隊機器人3D打印混凝土農宅，河北武家莊
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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。
機器人3D打印混凝土建造技術是清華大學建筑學院科研成果之一，已通過評估進入產業化推廣階段，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打印建成，該農宅功能合理、形象美觀、結構堅固、生態節能。
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲農宅西南視角照片
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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。
▲農宅鳥瞰
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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
▲打印編織紋理墻面
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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。
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
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
“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
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲室內-客廳
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲室內-臥室
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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。
? 清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
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