因微信公众号调整了推送规则，如果您想继续接收本公众号的内容，请将“转自：建筑结构-公众号”公众号设为星标，并多点文尾的“”和“赞”。

星标设置：进入公众号主页，点击右上角「. . .」，点击「设为星标」，公众号名旁就会出现黄色五角星（Android和 iOS 用户操作相同）

THAD

机器人3D打印

武家庄混凝土农宅

Robot 3D Printing ,Concrete Farm HouseOfWuJiaZhuang

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、清华大学土木水利学院

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

清华大学土木水利学院丨冯鹏张道博

项目背景

ProjectBackground

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。

项目概况

Project Survey

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

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转自：建筑结构-公众号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转自：建筑结构-公众号的工作情况，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。

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。

来源：THAD清华建筑设计院