年4月8日，《人工智能与设计前沿》研究生课程特别邀请到清华大学深圳国际院未来人居研究院常务副院长徐卫国教授，为同学们带来题为《机器人3D打印混凝土建造研究与实践》的精彩讲座。讲座由邓巧明副教授主持。
徐老师首先深入分析了我国建筑工业发展现状与面临的主要问题，指出智能建造的意义与潜力，并以机器人3D打印混凝土建造这种重要的智能建造方式为例，为同学们分享了其对于该项技术的最新研发进展与一系列实践作品。
1、建筑行业发展背景
根据国家统计局年4月30日“年农民工监测调查报告”，农民工总量减少，流动半径进一步缩小。据预测，明年起的十年间，每年农民工数量将减少万人，十年共减少一亿人，即减少1/3。但是，根据国家统计局发布的数据，年房地产与建筑业生产总值占GDP总量的14.5%，仍然是中国国民经济的支柱性产业，仍有大量的房屋需要建设。同时，从设计到施工各个环节之间因衔接不当而造成了巨大的浪费；施工工地带来的严重环境污染如扬尘、噪声等；由于误差或施工质量问题造成能源极大的浪费；劳动力成本快速上升，加工及施工成本越来越高；劳动工人健康水平不容乐观......种种问题迫使建筑工业面临升级改造，因此，住房和城乡建设部等十三部门年7月联合印发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》指出，要以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节的应用，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。
2、机器人3D打印与混凝土建造
机器人3D打印混凝土建造技术技术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，是一种创新型房屋及环境建造应用技术。同时，它将房屋或景观建设过程进行了数字化集成，设计建造流程包括：算法生成创意设计、数字形态模拟、打印路径规划、打印程序编码、虚拟打印建造模拟、现场原位打印或现场预制打印及装配六个步骤。同时，该技术涉及不同行业的参与，将带动一个新的数字建造产业链的形成，产业链上各个环节将产生新的生产行业。
目前，此项技术主要应用在如雕塑、铺地、座椅等园林建筑及环境小品，以及像旅游度假建筑、养老住宅、民宿、乡村住宅改造升级等低层建筑中。
机器人3D打印混凝土建造技术技术涉及的行业
3、机器人3D打印混凝土建造工程实践
（1）深圳宝安3D打印公园
深圳宝安3D打印公园从设计到施工完全秉承数字化设计建设模式。在设计阶段利用grasshopperQUELEA插件的粒子群优化算法模拟生成场地的人流热力图，通过确定的人流吸引点再利用奇异吸引子算法生成人流活动流线，从而指导设计。
新的建设模式
算法生成过程
根据模拟结果生成场地模型，为了方便后期的机器人施工将整个场地进行分成不同的构件，随后进行机器人三维路径模拟，最后导出路径代码在电脑上进行模拟建造。在确保模拟结果准确无误的前提下进入现场建造阶段。
场地模型生成以及模拟建造
公园3D打印现场
深圳宝安3D打印公园
（2）河北张家口下花园武家庄农宅打印
河北张家口下花园武家庄农宅目前是世界上唯一的整栋建筑完全采用3D打印技术建造的房屋。在农宅的打印过程中，徐卫国教授团队专门研发了一种既可在轨道上滑行又可借助平台升降，同时又将混凝土材料的搅拌、泵送综合集成的新型设备，这种设备可以提高机械臂在空间中的可覆盖区域，大大提升了打印效率。为保证房屋结构稳定性和安全性，徐卫国教授团队还到国家地震局进行了振动台试验，经检验该房屋可以经受住振动台1.5g加速度，唐山波以及1.5g的central波xy双向加载。
设计模型
自主研发的新型3D打印设备
3D打印现场
3D打印细节
河北张家口下花园武家庄农宅打印
（3）上海宝山智慧湾3D打印步行桥
上海宝山智慧湾3D打印步行桥跨度14.4米，宽度3.6m，打印过程中将桥分成了三部分，即单拱部分，桥栏板部分以及桥面板部分，其中单拱又分成了宽度为3.6m的四道拱，每一道拱又被切分成了11道块分别打印，最后通过吊装组合到一起。
上海宝山智慧湾3D打印步行桥
3D打印细节
吊装
（4）上海书屋打印
上海书屋
上海书屋设计模型及草图
3D打印现场
4、总结
综合以上的工程实践案例，机器人3D打印混凝土建造技术具有以下优势：
l省人力-机械臂代替了人力
l高效率-缩短了建设周期
l造价低-传统造价的2/3
l高质量-提高了建造精度
l环保型-打印材料可循环使用
l新形象-数字建造基于数字设计可创造有机形态
清华机器人3D打印混凝土建造技术目前领先于世界同类技术
5、观众互动环节
讲座结束后，徐卫国教授与在场同学以及参与直播的线上观众进行了深入的交流与互动。以下为从中选取的几个问题：问题一：在河北张家口下花园武家庄农宅的打印中，为什么选取拱顶这样一种形式？徐教授：第一个原因是从历史上来看，住在这里的人们，移民的初期阶段是住在窑洞中，因此拱形的建筑屋顶可以说是当地人在移民初期的生活形式，当地人对这种窑洞居住空间有一种感情，因此采用了拱顶这种形式；第二个原因是从结构的角度来讲，因为混凝土属于脆性材料，抗压能力非常强，抗拉能力很弱，而半圆拱形结构是没有拉力没有弯矩的，只有轴向压力，因而单拱这种结构的受力特性无疑是非常契合混凝土材料性能的。
问题二：当前3D打印技术多应用在景观小品或低层的建筑中，请问目前限制3D打印技术应用在高层建筑类型中的因素有哪些？
徐教授：虽然普遍认为3D打印高层建筑难以实现，但我认为它是可以的。目前主要的瓶颈仍然是材料，也就是要寻找一种抗压和抗拉性能都非常好的新型混凝土材料，这种混凝土现在也是有的，就是UHPC超高性能混凝土，但是目前这种材料不能用于打印，因此在未来应该投入针对如何将这种混凝土应用于打印的相关研发。
问题三：在农宅的3D打印中，门上方的过梁是如何考虑的？打印出来的墙体有很多凹槽，最后装修时怎么处理的？
徐教授：在混凝土3D打印中不需要有过梁，因为屋顶本身就是一个整体，被直接放在了墙上面，也可以说这个打印的拱形屋顶本身就是一个过梁，设计的时候就会将其当作成一个整体来考虑。在最后安装窗户时一般都会采用窗套，在窗套和墙之间注入泡沫来实现保温性能，同理在室内墙体的装修时也可以采用一整块面板覆盖在表面，面板和墙之间留出2cm左右的缝隙以填充泡沫保温材料以实现房屋整体的节能性能。
问题四：在农宅的3D打印过程中，像机械臂这一类大型的机械是如何在农村狭小空间中移动的？以及如何解决其电力供应问题？
徐教授：针对第一个问题，目前我们主要是用吊机将机械臂放到指定的位置，但是像在乡村中考虑到道路的宽度，很多地方不允许吊机进入，因此我们现在也在投入研发一种不需要吊机，自己就可以移动到指定位置的机械设备。第二个问题，村子里的电力是有限制的，比如在张家口武家庄里，村里电力的上限只有35千伏，我们的一台机械臂就需要10千伏，三台就要30千伏，再加上搅拌泵送等各种设备，村里的电显然是不够用的，我们的解决方法是采用移动发电设备。
通过本次讲座，同学们深入了解了机器人3D打印混凝土建造的主要流程与技术优势，也深刻地体会到了智能建造对于推进建筑工业升级改造的重要意义。
徐卫国教授
讲座现场
以上内容根据会议现场速记整理，稿件嘉宾本人已审阅
讲座记录：欧恒、陈恺凡
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