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    機器人3D打印混凝土建筑——一農戶喜入新居

    2021-09-15 18:01:23來源:中國混凝土網已被 5 人閱讀

    內容摘要:核心提示: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,并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。

    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,并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。

    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,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。

    農宅采用全數字化工作流的方式進行設計,其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,這確保了設計全過程中信息傳遞的連貫性,以及各專業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,在這一項目中,結構工程師采用了Midas軟件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,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能夠緊密配合,是因為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。

    “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。在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,充分集成并簡化了混凝土3D打印的工藝,最大可能減少了打印建造過程中所需的人力投入。

    實施鄉村建設行動,提升鄉村建設水平,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,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、左杰、梅玥、吳文劍、黃舒弈、毛宇軒等。清華大學建筑設計研究院有限公司王昊、清華大學土水學院土木系馮鵬(顧問)和張道博負責結構設計。無錫荷清數字建筑科技有限公司負責該項目的建造。

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