机器人3D打印混凝土建筑——武家庄一农户喜入新居

2021-09-18 10:40啸云3D打印
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机器人3D打印混凝土建造技术是清华大学建筑学院科研成果之一,已通过评估,并进入产业化推广阶段,该项技术已在多个实际项目中实验性应用。目前,河北下花园武家庄农户住宅已通过3D打印建成,该农宅功能合理、形象美观、结构坚固、生态节能。

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,并且在实现传统房屋造型设计建造的同时,还能实现各种优美的不规则曲面形体的建造。

武家庄农宅106平方米,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大间分别为起居室和卧室,上屋顶为筒拱结构;2小间分别为厨房和厕所。

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。

农宅采用全数字化工作流的方式进行设计,其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,这确保了设计全过程中信息传递的连贯性,以及各专业间信息交换的有效协同性。

建筑结构安全是3D打印这一新的建造方法的重要内容,在这一项目中,结构工程师采用了Midas软件对三维形体模型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,从而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上,对其进行构件内力分析;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能够紧密配合,是因为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。

“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。在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,充分集成并简化了混凝土3D打印的工艺,最大可能减少了打印建造过程中所需的人力投入。

实施乡村建设行动,提升乡村建设水平,推动乡村振兴,事关社会经济发展大局,事关乡村居民切身利益;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,或将成为具体的措施和有效的方法。


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