全采用的是3D打印混凝土材料,并依靠机械臂完成施工,这种尝试在国内尚属首例
2023年中央一号文件指出,要“扎实推进宜居宜业和美乡村建设”。其中,居住环境的改善既要追求实用安全,又要美观整洁。这亦是农房“打印”中着重考虑的内容。
通过前期大量的数据收集和与房主的深度沟通交流,徐卫国带领团队完成了房屋的设计,将建造、结构、保暖、室内装修等多个方面全面纳入考虑,形成最优的设计方案,完成了房屋的数字建模。在实地施工开始之前,团队成员已经在电脑上根据现场条件进行了打印模拟。农房结构的缩尺模型在振动台实验中验证能满足地震八度设防要求。考虑到当地气温寒冷,又专门选用了保温材料,结合3D打印墙体构造,设计出“结构-装饰-保温一体化墙体”,冬天待在屋子里暖和又节能。
较之于传统的建造方式,3D打印建筑有更大的灵活性、效率性。通过一行行代码和指令的输入,机械臂可以“天马行空”地作业,参数化墙体、三维异形屋顶、曲线镂空围墙等常规建筑中难以实现的造型,可以通过3D打印轻而易举且完美地呈现。严格按照预期设计进行,可在160个小时内完成农房主体结构的打印任务。
徐卫国坚持“在工地上搞研发”的理念。他说:“你在工地上你才知道会出什么问题,实验室的理论成果不能直接移植到现实中。”
2018年之前,常见的3D混凝土打印机结构是将打印头挂在龙门架上,只能做X、Y、Z三个方向的运动,以逐层水平的方式打印。“我们能否打弯曲的建筑形体呢?怎样才能将3D打印的灵活性充分发挥?”顺着这个问题,团队结合机械工程和智能建造的前沿技术,研发了机械臂打印模式。
在河北农房打印的过程中,团队也遇到了许多在设计研发时从未想过的问题。当团队将三台机械臂从无锡运抵河北时,因为乡村道路细窄,设备难以在小院里安装。经过实地勘测,采用拆分重装形式进场,工程才得以如期开展。
从施工现场回到研发中心后,“设备小型化”等技术成为下一阶段的主攻方向,在一次又一次的实践中,3D打印建筑工艺不断精进。
3D打印建筑是一套全新的体系,新的材料、新的软件、新的硬件、新的建构方式,要呈现一个最终能够落地的成品,从研发、设计到施工,凝聚了整个团队不断攻坚协作的智慧和努力。
在徐卫国开设的数字设计课上,既强调对学生进行数字建筑设计方法的培养,也训练他们动手实践的能力。例如:学生做关于智能建造的工艺研究,首先要自主设计智能建造工艺的软件,软硬件结合,完成设计方案,并构建成模型。这相当于要在课堂上完成整个产业链的研发,对学生们的编程能力、设计能力、审美能力是一次综合考验。
一边是科研,一边是授课,徐卫国穿梭在北京、深圳两个校区和各地的“打印”现场。目前,徐卫国带领的团队共20余人,成员背景多元,囊括建筑、机械、编程、工业设计、材料研发多个专业,有效地打破了传统建筑行业壁垒,逐渐地建立起一套产学研衔接的完整体系。高远和孙晨炜是团队的核心成员,分属设计团队和研发团队。谈到加入徐卫国团队的契机时,高远说两人有着相似的经历。本科时期就跟着徐老师学习,之后出国读研,毕业之后应徐老师之邀便立刻回国加入到团队之中。“是兴趣,是信任,更是责任。”——对研究领域的兴趣,与老师彼此之间的信任,用智能建造创造美好未来的责任。
初次了解3D打印建筑的人们通常会震惊于这一技术的革命性,但质疑也接踵而至:打印的房子安全吗?造价是不是很贵?能住多久?住着舒服吗?在徐卫国看来,新事物有一个发展的过程。“3D打印建筑需要建造一套全新的体系,等这套体系完全建构起来,人们也会觉得这再平常不过。”
从2003年在蓬皮杜艺术中心的“非标准建筑展”上偶然遇见数字设计,到2004年与Neil Leach教授首次在北京举办数字建筑展……15年来,徐卫国通过不断的科研教学、实地工程、策展等一系列活动完善数字设计的理论和方法。
意识到智能建造能够成为连接数字设计和建筑建造之间的桥梁后,徐卫国带着团队转向了以3D打印技术为主的智能建造研发中。2018年4月,在亚太数字建筑设计研究会议(CAADRIA)期间,团队举办了一个工作营,以机械臂作为主体打印复杂空间曲面造型的构件,成功打印出了弯曲的迷宫,让有机形态的建筑建造不再困难。过去5年,团队成绩斐然:上海3D打印步行桥、肯尼亚经济适用房样板间、上海3D打印书屋……然而,3D打印建筑的故事才刚刚开始:城市大型高层建筑能打印吗?成本可以更低一些吗?关于未来,有无限可以畅想的空间。
在2021年Nature杂志的一篇文章里提到,3D打印的目标正变得更大、更快、更坚固,徐卫国团队正是这一目标的践行者。从数字建筑设计的展览,到矗立在河北农村全部由3D打印完成的农房,20年的时间,让“概念”照进现实,他们做到了无数个“第一”。
他们希望走得更远。在未来,3D打印将像传统建筑般普及,科技的红利惠及到广大民众,在新农村建设、国家现代化建设中贡献力量。