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近5年来,清华大学徐卫国教授和团队,

用“机器人3D打印混凝土”技术

陆续“打印”了一座桥、一座书屋、数个公园,

还为一对70后乡村夫妇打出一栋住宅——

“打印”全程仅160小时,20多万成本,

全国唯一。

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武家庄3D打印农宅室内外

徐卫国是改革开放后的第一届清华学生,

毕业即留校任教,后在日本拿了博士学位,

自2003年起,扎根在智能建造领域,

从学习西方到形成自己的理论、技术体系,

20年来,始终是国内前沿建筑学的先行者。

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徐卫国教授接受一条采访

1月底,

一条来到清华大学未来人居实验室,

实地探访打印现场,采访徐卫国,

他笃定地预测,再过5到8年,

3D打印建筑将会逐渐普及,

未来一定会成为最普及的建造手段,

快速且便宜地改善普通人的日常居住。

撰文:叶 荔

责编:陈子文

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武家庄3D打印农宅

今年春节前夕,河北乡村武家庄,娟子的家,评上了省里的“十佳百优美丽家园”,她第一时间,把消息告诉了房子的建筑师徐卫国。

娟子住的这栋农宅,106㎡,是全国第一栋完全由“3D混凝土打印”建造的房子。

住宅坐落在武家庄村村道边,拱形房顶、灰色墙体,在一众砖土色的简易农房中,格外显眼。

这块祖传的宅基地上,原来的老房子用砖头砌成,木屋顶。有一年春节,徐卫国走进村子调研,“风都是从窗户缝和墙的缝里,直接呼呼往屋里吹, 室内温度极低。”

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上:3D打印农宅西立面

下:院墙细节

为此,在为娟子一家盖房的时候,建筑的墙体,做了精心的设计。外墙用了编织纹理作为装饰,与结构墙一体化打印而成。墙的内侧,装修表层和墙之间,是空心的,灌注了泡沫保温材料,满足节能的要求。

整个建筑非常坚固,夏天保暖,冬天保冷,还扛住了抗震测试。

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3D打印农宅卧室

室内共有5个房间,两间卧室,一个客厅,外加卫生间、厨房,一家人非常满意。室内因为做的是拱顶,特别敞亮。

新居完工不到一年,但想来参观娟子家的人,已经在她那排上了号,“还有人问我要不要改成民宿哩”。

娟子夫妇都是1970年生的武家庄人,曾多年在外打工,现在娟子回到村委会工作。为什么愿意尝试一个全国都没有过先例的3D打印房子?会不会觉得房子太出挑了?

娟子提到一个细节,有一次,徐卫国夫妇俩一起来村子,给她看过他们在上海用3D打印的桥,她心一下就踏实了,“我有地,他有想法,我们是一拍即合!我们家大家伙都想试试新鲜事物。”

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3D打印农宅鸟瞰,比周围农房坚固很多

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机器人混凝土3D打印过程

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3D打印编织纹理墙面

建造的时候,因为村里的路窄,大卡车进不去,团队就发明了小车,智能机械臂装在小车上,就这样运进农家院。

两个人操作,一台机械臂就可以开始自己打印,三台机械臂同时开工。

机械臂前端的打印嘴会吐出纤维混凝土材料,一层一层地叠层,从建筑的基础开始打,打到墙,建造过程全部现场完成,一度引来全村人围观。

房子的建造工期很短,“打印”全程是160个小时,大概两个星期就能完工,未来如果批量建造,一个月,就能建两栋房。

造价也很便宜,包括简易的室内装修在内,差不多2000到2500块钱一平米,100㎡的房子只要20来万,比钢结构装配式的建筑还要便宜。

徐卫国感慨,“这种技术,是非常值得在国内大量农宅建设中推广的。”

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混凝土3D打印桥

徐卫国团队的第一个落成项目,就很“炸”:他带领团队打了一座桥。

这座步行桥位于上海宝山区,桥长26.3米、宽3.6米,像一抹灰色飘带架在河面,坡度陡峭。桥栏板呈流线形,浑然一体。

两台3D打印机械臂,450小时,完成全部混凝土构件。再将构件运到现场,组装。造价只有普通桥梁的三分之二。

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打印材料主要是聚乙烯纤维混凝土,外加添加剂,是团队自主研发的新型复合材料

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3D打印的桥面,现场组装

这座桥借鉴的是中国古代“第一桥”赵州桥的单拱结构,做过破坏试验,确保绝对可以站满行人。

这座步行桥的智能之处还在于,桥内预埋了实时监测系统,能够即时收集桥梁受力和变形状态的数据,有助于后续跟踪。

2020年,《自然》杂志的新闻专栏发文,探讨3D打印技术的最新进展,把打印得“更大、更快、更坚固”作为三个方向,其中就提到这座“世界最大的3D混凝土打印桥”。

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3D打印书屋

在3D打印桥的附近,2021年,团队还尝试建起了一座不到30平方米的公共书屋,可以容纳15人。两台机械臂连续工作,5天完工。

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深圳3D打印公园

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3D打印景观小品

各种造型的景观小品,3D打印也非常有优势。

2022年,深圳3D打印公园落成,地形高低起伏,座椅都是流线型的,就像从地面直接“生长”出来一样。一组组曲线,就像形成了山谷、溪流一样,模拟的都是自然形态。

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3D打印景观小品过程

如今,徐卫国带领的团队,有20多个人,不少是90后。建筑师之外,还有结构设计师,机械设计师,专门研究机器人的博士,程序工程师,材料工程师……

团队分散三地,在深圳搞研发,在无锡搞生产,北京则是部分设计成员的办公地。

工作流程,团队先在电脑里把房子建一遍,然后规划机械臂的路径,再把路径转成代码,输入到机械臂的控制端。这样,只需要一两人到打印现场。

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早期数字建筑设计作品

徐卫国是改革开放的第一批大学生,1978年考入清华大学学习建筑。一方面,进清华,留清华,在清华读书、教书、写书;另一方面,他的博士学位是在日本拿的,在欧美交流访学,还在南加州建筑学院及南加州大学建筑学院教书。

2003年,他作为中国建筑艺术双年展的策展人之一,出国考察。行至巴黎蓬皮杜艺术中心,一场名为“非标准建筑”的大展,触动了他。

全球12位先锋建筑师,以数字技术设计的未来建筑,在这场展览上亮相,作品全都是不规则型、非标准几何型,有的呈有机形态,更像雕塑、艺术,“跟传统建筑很不一样”。

他本来就对最新的建筑思潮非常感兴趣,当时就有强烈预感,“这将是一个新的建筑探索的方向”。

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2006年,徐卫国策展的中国建筑艺术双年展中部分青年建筑师作品

回到国内,徐卫国立即着手邀请这个领域的前沿建筑师、学者,来中国办展、开讲座。

2004年起,连着举办5届中国建筑双年展,每次都有全球50来家年轻事务所参与,也邀请了20多个世界上最先锋的建筑学校,把学生作品拿到北京来展出。

当时受邀前来合作的英国学者,曾对他说,目前在中国大地上,可能只有他一个人知道,什么是数字设计,什么是算法设计。

“了解了这个领域,扎进去以后,就没有出来,”徐卫国这样形容20多年来的经历。

前10来年,主要就是搞研究,在智能建造领域,逐渐形成自己的理论和结构体系。

2017年,两位早年的学生回国,加入他的团队,开始将技术产业化,近5年的工作,就是着重于把“机器人3D混凝土打印”这项技术,应用于实际建设。

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徐卫国在工作中

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徐卫国指导的学生设计作品

最近3年,徐卫国在清华大学深圳国际研究生院,组建“未来人居研究院”,带的学生多是95后、00后一代。

他给学生们出的设计题目也另类,比如:在火星上盖房子。

“回想人类最初,用自然材料建造家园,首要目标是经济适用,跟我们现在做火星居留地的设计,是相似的,用智能化的3D打印方式,在火星上把建筑外壳连同室内一次成型,应该是我们看得见的未来。”

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为非洲低收入家庭研发3D打印住宅

电脑生成、机器人盖的房子,会不会显得冰冷、少了一些人文的温度?

在徐卫国眼中,机器比人更亲切,更懂人。

“机器智能,是把不同类型的人类智能,都统统集中在一块,就像阿尔法狗之所以能够战胜对手,是因为它集中了众多人的智慧。”

“机器看起来是冷冰冰的,但它也把不同人的亲切感凝聚,形成了一种新的亲切感,比单一维度的人,想得更细腻,考虑得更周全。”

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观众在今年“深双”现场,体验混凝土3D打印作品

3D打印建筑的发展前景如何?

回答这个问题的时候,徐卫国的语气笃定、眼里有光,“未来,它一定会成为一个最普及的建造手段,”他顿了顿补充,“这是毫无疑问的。这也是思考多年,我们坚定的信念。”

“目前,‘机器人3D混凝土打印’这项技术所处的发展阶段,如果把它比作400米跑,现在大概跑到150米,技术还在不断地开发。要完全开发到像砖木结构、砖混结构,或者钢筋混凝土结构那么成熟,还需要一些时间。”

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不同场景、不同时间段都能连续工作

为什么如此看好?

他认为,一方面,我们现在已经在逐渐告别工业社会,走向智能社会,3D打印建筑与智能社会的生产模式、建造模式匹配,有很强的生命力,且能为每个人的生活量身定制,就像可穿戴设备一样。

另一方面,建筑工人越发稀缺,如果能让机器人替代一部分建造的活儿,只留编程、控制操作的少量人工,就能让人从繁重的体力劳动中解放出来。

在徐卫国看来,建筑师不一定非要做出几栋出名的地标、网红建筑,或是获大奖,“满足广大的最普通的人的生活需求——这是我们做这项技术研发的最核心的目的 。”

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过去3年,3D打印建筑正在全球掀起浪潮,有的城市已经开始公开发售3D打印住宅,建筑的层数也不再局限于单层,两层、多层的3D打印住宅,已经成为现实。

畅想得更天马行空一点,全球各地的先锋建筑师开始拿各种新旧材料做实验,结合3D打印技术,创造出外观新奇、体验独到的小建筑,也回应着后疫情时代,人们渴望住得更舒适、更贴近自然、更节能环保。

1、球形3D打印住宅

坐标:日本

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图源:Serendix

去年,日本兵库县的初创公司Serendix,只用不到23小时12分钟,打印了一座球形3D打印住宅,这是日本第一座24小时内完工的3D打印住宅。

10平方米的房子,售价330万日元(约17万人民币),6栋球体住宅已售罄。

今年,该公司还计划推出另一个3D打印“豪华版”住宅,面积为49平米,除供电力、水和煤气外,还会配备卫生间,方便拎包入住,预估售价500万日元(约合人民币25万元)。

“我们的目标是像买车一样买房,让每个人都能从抵押贷款中解脱出来。”

2、东17街住宅区

坐标:美国

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图源:ICON

东17街住宅区是美国首个供出售的3D打印住宅区,由四栋住宅组成,每户有两到四间房。住宅使用了ICON公司专有的3D打印建筑技术,配合先进的新材料建造,住宅的使用寿命预计比传统建筑材料更长。

这一片区的打印施工,仅耗时7天。自从竣工以来,这些混凝土打印住宅经受住了7.4级地震和强风暴的考验。

3、3D打印出租屋

坐标:荷兰

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图源:Houben & Van Mierlo

这片巨石形状的住宅,由Houben & Van Mierlo工作室设计的,合作机构包括荷兰埃因霍温科技大学的3D打印住宅研究团队。

这个项目是世界上第一个3D打印出租屋开发项目,也是欧洲第一个供长期居住的3D打印住宅。

4、双层住宅

坐标:德国

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图源:Peri

这座两层的独立住宅,是德国第一个落地的3D打印房子,每层的居住空间大约80平方米。

这个项目的特别之处在于,使用了一种名为BOD2的新型3D打印机,由丹麦制造商COBOD首创,在打印建筑结构的过程中,添加管道和其他内部构件,打印效率也很高,短短5分钟,就能打印出1平方米的双层墙。

5、曲线小屋

坐标:美国

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图源:WATG

这座名为“曲线吸引力”的房屋,由3D打印的塑料、碳纤维板和玻璃墙面建成,动态弯曲的外墙不仅具有美感,设计上具有最佳的结构稳定性,是世界首个自由形态的3D打印住宅。

房子的面积约为90㎡,建筑设计是WATG团队,一个成立超70年的老牌国际化团队,建筑结构使用了Branch Tecnchology开发的自由形态打印工艺,在建筑技术领域有突破性的创新。同时,整个结构净零能耗。

6、夏日之家

坐标:荷兰

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图源:DUS Architects

这座独立的微型小屋,占地仅8㎡,体积不过25m⊃3;,核心结构由黑色的可持续生物塑料3D打印而成,墙面呈几何形。门廊处的打印图案,一路延伸到了屋外。

屋内配备了可折叠的沙发,模块化装饰,在需要时可以拉出变成沙发床,是一个非常适合在城市中隐居的“迷你居所”,屋外还有一个3D打印浴缸。

用于打印的材料,可被完整回收,反复重新打印,意味着整座小房子可以被完全粉碎,100%循环再利用。

7、Casa Covida

坐标:美国

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摄影:Elliot Ross、Emerging Objects

图源:Emerging Objects

Casa Covida,由三个圆柱形建筑体组成,坐落在科罗拉多州的沙漠中。住宅的土坯墙由机械臂3D打印而成,材料是当地砌墙时常用的传统配方,由沙子、淤泥、粘土、水以及稻草混合,后经阳光曝晒而成。

内部空间包括双人卧室、浴室,以及中央生活区,设有壁炉,一旁的炊具也是3D打印而成,用的是当地的粘土。

这座小住宅是在新冠疫情发生后,应社交隔离的需求,而诞生的小型实验建筑,适合两人入住。

部分图片由徐卫国工作室提供

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