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在河北农村,清华教授造了一栋“3D混凝土打印”的房子

2023年春节前,娟子(化名)的家被河北省评为“十佳百优美丽家园”,她住在河北张家口下花园区武家庄村,收到消息,她立马告诉这套房屋的建造者徐卫国。

清华大学建筑学院教授徐卫国长期扎根智能建造领域,近年来,他和团队用“机器人3D打印混凝土”技术建造了桥、书屋、公园,娟子夫妇的一栋住宅也包括在内。

娟子家的这栋农宅,是全国第一栋完全由“3D混凝土打印”建造的房子,农宅是灰色墙体,拱形房顶,在村里一众农房中格外出挑。

让建筑密闭保暖且坚固

娟子夫妇都是上世纪70年代出生的武家庄人,曾多年在外打工,近几年要回村赡养年迈的老人,于是从天津回村。 热点关注网

回到家乡后,娟子就在村委会工作,恰好碰到徐卫国在村里调研走访,希望当地村民能够住上用3D打印的舒适房屋。他给娟子看了以前在上海3D打印的一座桥,娟子夫妇很新奇。

娟子夫妇原先的老宅是三间低矮小屋。总体来说空间太小,房顶不够高,娟子说,住得憋屈得慌。更要命的是,和大多农村房子一样,厕所不在屋内,娟子晚上去厕所很遭罪。

“冬天天冷拉肚子,想上厕所还得穿衣服,有时候来不及。”娟子的老公说,他刚做完心脏搭桥手术,常年吃药,身体也要保养,经不起折腾。所以娟子心里很想翻修新房,最好是三间房,屋内有厨房、干湿分离的卫生间。

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徐卫国跟娟子说:“你什么都不用我出,拿出地基就行。”两人一拍即合,娟子心想,“房子终归还是我的,总要有第一个尝试的人。”

修房前调研阶段,徐卫国发现,该村地处内蒙古高原向华北平原过渡地带,窑洞冬暖夏凉,是村民想延续的传统居住模式。

他走进娟子夫妇原本的家,是用砖而砌,木屋顶,保暖性差,从窗户和墙的连接构造节点,还有屋顶和墙的连接处就可以看见,风从窗户缝和墙的缝里呼呼往屋里吹,室内温度极低,房屋极为不密封。不密封就意味着冬天采暖时,就算有暖气或烧了炉子,屋里也很难达到保暖效果。 经济资讯网

“农宅要给夫妇俩带来安全性能,也要保暖节能。”徐卫国说,当地11月初开始采暖,采暖标准室内平均温度要保证在17-18℃,16℃处于采暖与不采暖之间,“17-18℃在北方家里一般也会感觉很冷,20-23℃才能够在北方舒适。”

娟子家周边房子也都一样,很简陋、用砖头、夯土砌的。“夯土是被动式绿色和生态手法的建筑,但最大的问题是不保暖。”徐卫国说,哪怕他去到武家庄冬季最保暖的一家房屋,室内温度也只有16℃,他感觉“还是冷飕飕”。

徐卫国希望,给予建筑与传统居住方式一种连接和延续,让建筑密闭保暖且坚固,再结合当地住宅本身,以窑洞的传统建筑风格设计。 外媒看中国

3D打印农宅

3D混凝土打印村宅第一步,要把房子拆完、平整土地,再挖槽处理地娟子家在村里中心街路边上,进村以后卡车不用开太远,娟子说:“要是在往村里面的话,也合作不成。”

徐卫国团队也发明了小车,智能机械臂装在小车上,机械用小三轮车拖进去。建造时,一度引来全村人围观,“一开始房屋主体起来,人们还说没法住,这像什么话。”村民觉得,不如自己好好盖砖房。还说她傻,但娟子觉得:“啥也不怕,想干就要干。”

随着施工的进展,建筑逐渐成型,虽然从外面看矮,但是进去了以后挺宽敞,房屋也高,不压抑。

2021年8月,一台机器两人,三台机器六人,村宅打印全程160个小时。在打印阶段,徐卫国和团队都住在镇上,每天一大早去,晚上很晚回来。3D打印阶段要进厂装机器,机器装完后,机械臂前端的打印嘴会吐出纤维混凝土材料,直接打出地基和墙体。

徐卫国说,进村修建筑的难度在于和邻居关系。

在武家庄,有的老房子的院子和邻居的院子共用一个墙体,虽然娟子家和邻居没共用一个墙体,但娟子家挖地基时,邻居怕自家房子受影响裂开,还怕自家采光,邻居担心“徐教授走了找谁去”,娟子出面解决:“我来保证,我肯定走不了。” 财经新闻网

邻居这才放心,跟娟子夫妇确认,一年之内,不能出现裂缝和下沉。等装修入住后,村民们也开始赞叹:“从来没见过盖房还可以这么盖”“冬暖夏凉跟窑洞似的”“房子方正”。

住宅建成之后,徐卫国做了抗震试验,在国家地震局地震平台把建筑做成缩值模型,在震动台上震动,测试结果能够抗八级地震。

除此之外,他还做了墙体破坏实验、保温隔热测试、材料抗压抗折实验,这些实验是住宅安全的前提。

徐卫国说,这间村宅造价在20万左右,他此前调研发现,当地村民的房屋,大多用砖头和夯土建成,成本大约10万。 福建文教网

模型搬到施工现场建造理念

去年3月,娟子一家正式搬进了新家,住了一年多,她觉得冬暖夏凉,“冬天不是特别冷,夏天不是特别热,”有人慕名而来参观房子,她就敞开大门欢迎,还会给大家介绍,自家的房屋里有耐保温材料,“当时设计时,为了在外面能看到3D混凝土打印的纹路,就把保温材料放在屋内侧的墙面。”

事实上,在打印村宅之前,徐卫国就多次尝试打印一些实用的互动性建筑。

徐卫国认为,在3D混凝土打印技术研发阶段,国内外研发的方法路径不一样,可参照的样本少,“国外更多是在实验室里做,我们是在实际工地做,针对工地上的问题,来进行研发。”实验室打出来是一个墙体,一个曲面,大多是建筑的局部。而他一开始就追求建筑是一个完整体系。

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所以,研发结果要能解决实际工地上的问题。徐卫国这一理念,是在1989年清华大学派他去日本做交流时,埋下的种子。

他在日本建筑师村野藤吾的工作室工作过,“村野藤吾自己认为受到了西班牙建筑师高迪的影响,建筑风格是不规则、曲面、有机形态。”徐卫国说。他回忆,当时工作室做的建筑风格和形式是这种不规则的有机形态。

徐卫国打印的第一个大型建筑是在上海宝山智慧湾建的一座桥。智慧湾负责人跟他提出这个要求时,徐卫国听后吓了一跳,“这么一个大的东西,简直不可想象,刚开始没敢答应他。”后来,徐卫国想了一下午,到了傍晚,他有了设计思路后,接下了这个项目。 九江时政网

之所以敢接,是因为徐卫国心里已经有了把握。灵感来自赵州桥,这个桥面由八拱拼成,每一道拱切成若干小块,利用石头砌成拱,“锁”成一块就是桥。而他接下来要3D打印桥的思路有异曲同工之处。

他想,把桥转化成若干个小块,“只是把材料从石头换成混凝土”,拱的受力特点是轴向受压,混凝土材料最好的特性就是受压。

从设计到最后实施,徐卫国经过长时间的推敲。打印就在宝山智慧湾一个机器厂房,两台机械臂打完就搬到现场进行吊装。这座桥2019年1月完成建造,也成为当时世界上最大规模的3D打印桥。宝山智慧湾相关负责人近日表示,3D打印桥依然屹立智慧湾,使用正常,“混凝土材质,不需要特别维护”。

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2月中旬,徐卫国也在积极与中国中材海外科技集团对接,看看是否可以在土耳其地震后,用3D打印快速建房,给地震后的灾民提供居所。

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