機(jī)器人3D打印混凝土建造技術(shù)是清華大學(xué)建筑學(xué)院科研成果之一，已通過(guò)評(píng)估，并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段，該項(xiàng)技術(shù)已在多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。目前，河北下花園武家莊農(nóng)戶住宅已通過(guò)3D打印建成，該農(nóng)宅功能合理、形象美觀、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、生態(tài)節(jié)能。
該項(xiàng)技術(shù)由徐衛(wèi)國(guó)教授跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，它基于數(shù)字建筑設(shè)計(jì)方法及機(jī)器人自控系統(tǒng)、將3D打印技術(shù)與特種混凝土材料技術(shù)相結(jié)合，是一種創(chuàng)新型房屋智能建造技術(shù)，這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于省人力、高效率、造價(jià)低、高質(zhì)量，并且在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)房屋造型設(shè)計(jì)建造的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)美的不規(guī)則曲面形體的建造。
武家莊農(nóng)宅106平方米，采用了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的窯洞形式，它是一個(gè)“3大、2小、5開(kāi)間”住宅，3大間分別為起居室和臥室，上屋頂為筒拱結(jié)構(gòu)；2小間分別為廚房和廁所。
該農(nóng)宅的打印施工，使用了3套機(jī)器臂3D打印混凝土移動(dòng)平臺(tái)，分別放置在3大開(kāi)間中央，直接進(jìn)行基礎(chǔ)及墻體的原位打印，同時(shí)在建筑室外的機(jī)器臂軌道兩側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制打印了所有筒拱屋頂，并用吊機(jī)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(jié)構(gòu)墻體一體化打印而成，墻體中央灌注保溫材料，形成裝飾、結(jié)構(gòu)、保溫一體化的外墻體系。
農(nóng)宅采用全數(shù)字化工作流的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其建筑方案以參數(shù)化數(shù)字設(shè)計(jì)的方法生成，并在設(shè)計(jì)初期就考慮結(jié)構(gòu)的合理性及打印施工的可行性；建筑的形體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算、水暖電設(shè)計(jì)及打印路徑規(guī)劃、室內(nèi)全裝配化裝修設(shè)計(jì)等，均在同一個(gè)三維數(shù)字模型上完成，這確保了設(shè)計(jì)全過(guò)程中信息傳遞的連貫性，以及各專業(yè)間信息交換的有效協(xié)同性。
建筑結(jié)構(gòu)安全是3D打印這一新的建造方法的重要內(nèi)容，在這一項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)工程師采用了Midas軟件對(duì)三維形體模型進(jìn)行整體計(jì)算和分析，首先根據(jù)節(jié)材的要求，將拱形屋頂及墻體設(shè)計(jì)成帶truss的空心墻，結(jié)合3D打印設(shè)備前端材料出口的尺寸，分別對(duì)拱和墻等構(gòu)件的truss排布進(jìn)行深入分析與比較，從而確定構(gòu)件的最終尺寸；接著將確定的構(gòu)件實(shí)際尺寸反饋到整體模型上，對(duì)其進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力分析；最后進(jìn)行施工吊裝分析，確定合理的施工吊裝方案。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程與建筑形體建模能夠緊密配合，是因?yàn)閰?shù)化數(shù)字模型為實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的數(shù)字信息交流提供了流暢的途徑。此外，為確保結(jié)構(gòu)的可靠性，分別對(duì)重要構(gòu)件如墻、拱頂、平屋頂分別進(jìn)行了構(gòu)件破壞試驗(yàn)，并對(duì)該農(nóng)宅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了縮尺的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了該3D打印混凝土建筑項(xiàng)目的安全性。
“機(jī)器臂3D打印混凝土移動(dòng)平臺(tái)”的組成包括可移動(dòng)機(jī)械臂及3D打印設(shè)備、軌道及可移動(dòng)可升降平臺(tái)、拖掛平臺(tái)等。在3D打印設(shè)備中，機(jī)械臂及打印前端被安置在升降平臺(tái)上、并可在該平臺(tái)上移動(dòng)，而打印材料、上料攪拌泵送一體機(jī)則安置在拖掛平臺(tái)上。該打印平臺(tái)只需2人在移動(dòng)平臺(tái)上操作按鈕，即可完成整棟房屋的打印建造，充分集成并簡(jiǎn)化了混凝土3D打印的工藝，最大可能減少了打印建造過(guò)程中所需的人力投入。
實(shí)施鄉(xiāng)村建設(shè)行動(dòng)，提升鄉(xiāng)村建設(shè)水平，推動(dòng)鄉(xiāng)村振興，事關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大局，事關(guān)鄉(xiāng)村居民切身利益；持續(xù)改善農(nóng)村人居環(huán)境，提升農(nóng)房現(xiàn)代化水平，提高農(nóng)房品質(zhì)，需要明確具體的建造方法和途徑，機(jī)器人3D打印混凝土建造技術(shù)的推廣使用，或?qū)⒊蔀榫唧w的措施和有效的方法。
該農(nóng)宅項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員包括徐衛(wèi)國(guó)、高遠(yuǎn)、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(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司王昊、清華大學(xué)土水學(xué)院土木系馮鵬（顧問(wèn)）和張道博負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。無(wú)錫荷清數(shù)字建筑科技有限公司負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的建造。
