机器人3D打印武家庄混凝土农宅清华建筑设计院

项目地点 丨 河北省张家口市

建筑类型 丨 住宅建筑

建筑面积 丨 106 ㎡

设计时间 丨 2020

竣工时间 丨 2021

设计单位 丨 清华大学建 筑学院、 清华大学建筑设计研究院有限公司、 清华大学土水学院

项目负责人 丨 徐卫国

建筑设计

清华大学建筑系徐卫国团队主要成员丨 徐卫国 高远 孙晨炜 何雨婷等

结构设计

清华大学建筑设计研究院丨 王昊 任宝双 刘斌

清华大学 土水学院 丨 冯鹏 张道博

 

 

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项目背景

Project  Background

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。

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， 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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项目概况

Project S urvey

目前，河北下花园武家庄农户住宅已通过3D打印建成。项目占地106平方米，其形态采用了当地传统的窑洞形式，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。

▲ 农宅鸟瞰

▲ 农宅西南视角照片

▲ 农宅西立面

▲ 平面图

▲室内-客厅

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结构设计

Structure Design

本项目位于河北省张家口市下花园区武家庄乡，为地上一层住宅，长x宽x高为14m x 7.85m x 2.4m（拱屋面最高处为4.3米）。结构体系为剪力墙结构。

在该项目中，对农宅的结构进行构件分析、整体数值分析、构件破坏性试验。首先根据3D打印机械臂 “笔宽”初步确定的墙厚，对整体模型进行简化计算，确定墙厚是否满足承载力要求；然后分别对拱、墙等构件进行深入分析与比较，确定构件的最终截面形式，同时进行构件的破坏性试验；接着按确定的构件截面尺寸搭建整体模型，进行内力分析；通过施工吊装分析，确定合理的施工吊装方案。最后进行整体结构缩尺的振动台试验。

工程材料采用聚丙烯纤维混凝土，机械臂打印头的“笔宽”为40mm，拱屋面、平屋面和墙体均采用弦杆、腹杆为40mm厚的桁架式墙板。在拱屋面分析中，对6个不同截面形式的拱在恒载、活载、风载、温度作用、水平地震作用下的受力进行分析和研究，最后选择均布稀疏间距布置腹杆的拱-2。

▲六种拱类型图

▲拱 - 恒荷载分布图

▲ 拱 - 水平地震作用下的有效应力分布图

墙体是主要的竖向构件，不但承担屋面传来的竖向荷载，还是承担水平力的主要构件。在墙体构件分析中，通过对6个不同厚度或腹杆角度的墙体在风载、温度作用、水平地震作用下受力进行分析和研究后，选择墙厚300mm、腹杆角度为45°。

▲墙 - 支座约束和风载分布图

▲墙 – 温度升高10℃的有效应力分布图

根据整体分析单工况和组合工况结果看，在持久设计状况、地震设计状况，最大工况组合为地震组合，最大应力为1.05N/mm2，不超过材料的允许拉应力。

▲水平地震作用下的有效应力分布图

根据本项目3d打印的特点，先将拱板和平板在现场地面平躺打印，然后再打印墙体至屋面底标高，最后将拱板、平板和墙体通过特殊的节点连接在一起，保证结构的整体性。

为确保结构的可靠性，分别对重要构件如墙、拱顶、平屋顶进行了构件破坏试验，并通过清华大学土木系冯鹏教授团队对该建筑结构进行缩尺振动台试验，试验直接验证了结构在抗震设防烈度8度（0.2g）情况下多遇地震、设防地震和罕遇地震下建筑结构的工作情况，满足规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。

▲墙体的构件破坏试验

机器人3D打印建造过程

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。

▲3D打印施工现场

▲ 拱顶预制打印现场

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。

▲打印编织纹理墙面

“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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展望

Expectation

该农宅功能合理、形象美观、结构坚固、生态节能，符合国家“实施乡村建设行动，提升乡村建设水平，推动乡村全面振兴”的国家战略，具有广阔的应用前景。