近5年來，清華大學(xué)徐衛(wèi)國教授和團隊，

用“機器人3D打印混凝土”技術(shù)

陸續(xù)“打印”了一座橋、一座書屋、數(shù)個公園，

還為一對70后鄉(xiāng)村夫婦打出一棟住宅——

“打印”全程僅160小時，20多萬成本，

全國唯一。

▲

武家莊3D打印農(nóng)宅室內(nèi)外

徐衛(wèi)國是改革開放后的第一屆清華學(xué)生，

畢業(yè)即留校任教，后在日本拿了博士學(xué)位，

自2003年起，扎根在智能建造領(lǐng)域，

從學(xué)習(xí)西方到形成自己的理論、技術(shù)體系，

20年來，始終是國內(nèi)前沿建筑學(xué)的先行者。

▲

徐衛(wèi)國教授接受一條采訪

1月底，

一條來到清華大學(xué)未來人居實驗室，

實地探訪打印現(xiàn)場，采訪徐衛(wèi)國，

他篤定地預(yù)測，再過5到8年，

3D打印建筑將會逐漸普及，

未來一定會成為最普及的建造手段，

快速且便宜地改善普通人的日常居住。

01

3臺機械臂，

在河北鄉(xiāng)下“打印”了一棟住宅

▲

武家莊3D打印農(nóng)宅

今年春節(jié)前夕，河北鄉(xiāng)村武家莊，娟子的家，評上了省里的“十佳百優(yōu)美麗家園”，她第一時間，把消息告訴了房子的建筑師徐衛(wèi)國。

娟子住的這棟農(nóng)宅，106㎡，是全國第一棟完全由“3D混凝土打印”建造的房子。

住宅坐落在武家莊村村道邊，拱形房頂、灰色墻體，在一眾磚土色的簡易農(nóng)房中，格外顯眼。

這塊祖?zhèn)鞯恼厣希瓉淼睦戏孔佑么u頭砌成，木屋頂。

有一年春節(jié)，徐衛(wèi)國走進村子調(diào)研，“風都是從窗戶縫和墻的縫里，直接呼呼往屋里吹， 室內(nèi)溫度極低?！?/p>

▲

上：3D打印農(nóng)宅西立面

下：院墻細節(jié)

為此，在為娟子一家蓋房的時候，建筑的墻體，做了精心的設(shè)計。外墻用了編織紋理作為裝飾，與結(jié)構(gòu)墻一體化打印而成。

墻的內(nèi)側(cè)，裝修表層和墻之間，是空心的，灌注了泡沫保溫材料，滿足節(jié)能的要求。

整個建筑非常堅固，夏天保冷，冬天保暖，還扛住了抗震測試。

▲

3D打印農(nóng)宅臥室

室內(nèi)共有5個房間，兩間臥室，一個客廳，外加衛(wèi)生間、廚房，一家人非常滿意。室內(nèi)因為做的是拱頂，特別敞亮。

新居完工不到一年，但想來參觀娟子家的人，已經(jīng)在她那排上了號，“還有人問我要不要改成民宿哩”。

娟子夫婦都是1970年生的武家莊人，曾多年在外打工，現(xiàn)在娟子回到村委會工作。

為什么愿意嘗試一個全國都沒有過先例的3D打印房子？會不會覺得房子太出挑了？

娟子提到一個細節(jié)，有一次，徐衛(wèi)國夫婦倆一起來村子，給她看過他們在上海用3D打印的橋，她心一下就踏實了，“我有地，他有想法，我們是一拍即合！我們家大家伙都想試試新鮮事物?！?/p>

3D打印農(nóng)宅鳥瞰，比周圍農(nóng)房堅固很多

機器人混凝土3D打印過程

3D打印編織紋理墻面

建造的時候，因為村里的路窄，大卡車進不去，團隊就發(fā)明了小車，智能機械臂裝在小車上，就這樣運進農(nóng)家院。

兩個人操作，一臺機械臂就可以開始自己打印，三臺機械臂同時開工。

機械臂前端的打印嘴會吐出纖維混凝土材料，一層一層地疊層，從建筑的基礎(chǔ)開始打，打到墻，建造過程全部現(xiàn)場完成，一度引來全村人圍觀。

房子的建造工期很短，“打印”全程是160個小時，大概兩個星期就能完工，未來如果批量建造，一個月，就能建兩棟房。

造價也很便宜，包括簡易的室內(nèi)裝修在內(nèi)，差不多2000到2500塊錢一平米，100㎡的房子只要20來萬，比鋼結(jié)構(gòu)裝配式的建筑還要便宜。

徐衛(wèi)國感慨，“這種技術(shù)，是非常值得在國內(nèi)大量農(nóng)宅建設(shè)中推廣的。”

02

“打印”一座橋，一座公園

廉價、智能、快速

混凝土3D打印橋

徐衛(wèi)國團隊的第一個落成項目，就很“炸”：他帶領(lǐng)團隊打了一座橋。

這座步行橋位于上海寶山區(qū)，橋長26.3米、寬3.6米，像一抹灰色飄帶架在河面，坡度陡峭。橋欄板呈流線形，渾然一體。

兩臺3D打印機械臂，450小時，完成全部混凝土構(gòu)件。再將構(gòu)件運到現(xiàn)場，組裝。造價只有普通橋梁的三分之二。

打印材料主要是聚乙烯纖維混凝土，外加添加劑，是團隊自主研發(fā)的新型復(fù)合材料

3D打印的橋面，現(xiàn)場組裝

這座橋借鑒的是中國古代“第一橋”趙州橋的單拱結(jié)構(gòu)，做過破壞試驗，確保絕對可以站滿行人。

這座步行橋的智能之處還在于，橋內(nèi)預(yù)埋了實時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠即時收集橋梁受力和變形狀態(tài)的數(shù)據(jù)，有助于后續(xù)跟蹤。

2020年，《自然》雜志的新聞專欄發(fā)文，探討3D打印技術(shù)的最新進展，把打印得“更大、更快、更堅固”作為三個方向，其中就提到這座“世界最大的3D混凝土打印橋”。

3D打印書屋

在3D打印橋的附近，2021年，團隊還嘗試建起了一座不到30平方米的公共書屋，可以容納15人。兩臺機械臂連續(xù)工作，5天完工。

深圳3D打印公園

3D打印景觀小品

各種造型的景觀小品，3D打印也非常有優(yōu)勢。

2022年，深圳3D打印公園落成，地形高低起伏，座椅都是流線型的，就像從地面直接“生長”出來一樣。一組組曲線，就像形成了山谷、溪流一樣，模擬的都是自然形態(tài)。

3D打印景觀小品過程

如今，徐衛(wèi)國帶領(lǐng)的團隊，有20多個人，不少是90后。建筑師之外，還有結(jié)構(gòu)設(shè)計師，機械設(shè)計師，專門研究機器人的博士，程序工程師，材料工程師……

團隊分散三地，在深圳搞研發(fā)，在無錫搞生產(chǎn)，北京則是部分設(shè)計成員的辦公地。

工作流程，團隊先在電腦里把房子建一遍，然后規(guī)劃機械臂的路徑，再把路徑轉(zhuǎn)成代碼，輸入到機械臂的控制端。這樣，只需要一兩人到打印現(xiàn)場。

03

20年，扎根建筑學(xué)前沿

早期數(shù)字建筑設(shè)計作品

徐衛(wèi)國是改革開放的第一批大學(xué)生，1978年考入清華大學(xué)學(xué)習(xí)建筑。一方面，進清華，留清華，在清華讀書、教書、寫書；另一方面，他的博士學(xué)位是在日本拿的，在歐美交流訪學(xué)，還在南加州建筑學(xué)院及南加州大學(xué)建筑學(xué)院教書。

2003年，他作為中國建筑藝術(shù)雙年展的策展人之一，出國考察。行至巴黎蓬皮杜藝術(shù)中心，一場名為“非標準建筑”的大展，觸動了他。

全球12位先鋒建筑師，以數(shù)字技術(shù)設(shè)計的未來建筑，在這場展覽上亮相，作品全都是不規(guī)則型、非標準幾何型，有的呈有機形態(tài)，更像雕塑、藝術(shù)，“跟傳統(tǒng)建筑很不一樣”。

他本來就對最新的建筑思潮非常感興趣，當時就有強烈預(yù)感，“這將是一個新的建筑探索的方向”。

2006年，徐衛(wèi)國策展的中國建筑藝術(shù)雙年展中部分青年建筑師作品

回到國內(nèi)，徐衛(wèi)國立即著手邀請這個領(lǐng)域的前沿建筑師、學(xué)者，來中國辦展、開講座。

2004年起，連著舉辦5屆中國建筑雙年展，每次都有全球50來家年輕事務(wù)所參與，也邀請了20多個世界上最先鋒的建筑學(xué)校，把學(xué)生作品拿到北京來展出。

當時受邀前來合作的英國學(xué)者，曾對他說，目前在中國大地上，可能只有他一個人知道，什么是數(shù)字設(shè)計，什么是算法設(shè)計。

“了解了這個領(lǐng)域，扎進去以后，就沒有出來，”徐衛(wèi)國這樣形容20多年來的經(jīng)歷。

前10來年，主要就是搞研究，在智能建造領(lǐng)域，逐漸形成自己的理論和結(jié)構(gòu)體系。

2017年，兩位早年的學(xué)生回國，加入他的團隊，開始將技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，近5年的工作，就是著重于把“機器人3D混凝土打印”這項技術(shù)，應(yīng)用于實際建設(shè)。

徐衛(wèi)國在工作中

徐衛(wèi)國指導(dǎo)的學(xué)生設(shè)計作品

最近3年，徐衛(wèi)國在清華大學(xué)深圳國際研究生院，組建“未來人居研究院”，帶的學(xué)生多是95后、00后一代。

他給學(xué)生們出的設(shè)計題目也另類，比如：在火星上蓋房子。

“回想人類最初，用自然材料建造家園，首要目標是經(jīng)濟適用，跟我們現(xiàn)在做火星居留地的設(shè)計，是相似的，用智能化的3D打印方式，在火星上把建筑外殼連同室內(nèi)一次成型，應(yīng)該是我們看得見的未來?！?/p>

為非洲低收入家庭研發(fā)3D打印住宅

電腦生成、機器人蓋的房子，會不會顯得冰冷、少了一些人文的溫度？

在徐衛(wèi)國眼中，機器比人更親切，更懂人。

“機器智能，是把不同類型的人類智能，都統(tǒng)統(tǒng)集中在一塊，就像阿爾法狗之所以能夠戰(zhàn)勝對手，是因為它集中了眾多人的智慧。”

“機器看起來是冷冰冰的，但它也把不同人的親切感凝聚，形成了一種新的親切感，比單一維度的人，想得更細膩，考慮得更周全?！?/p>

觀眾在今年“深雙”現(xiàn)場，體驗混凝土3D打印作品

3D打印建筑的發(fā)展前景如何？

回答這個問題的時候，徐衛(wèi)國的語氣篤定、眼里有光，“未來，它一定會成為一個最普及的建造手段，”他頓了頓補充，“這是毫無疑問的。這也是思考多年，我們堅定的信念?！?/p>

“目前，‘機器人3D混凝土打印’這項技術(shù)所處的發(fā)展階段，如果把它比作400米跑，現(xiàn)在大概跑到150米，技術(shù)還在不斷地開發(fā)。要完全開發(fā)到像磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)，或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)那么成熟，還需要一些時間?！?/p>

不同場景、不同時間段都能連續(xù)工作

為什么如此看好？

他認為，一方面，我們現(xiàn)在已經(jīng)在逐漸告別工業(yè)社會，走向智能社會，3D打印建筑與智能社會的生產(chǎn)模式、建造模式匹配，有很強的生命力，且能為每個人的生活量身定制，就像可穿戴設(shè)備一樣。

另一方面，建筑工人越發(fā)稀缺，如果能讓機器人替代一部分建造的活兒，只留編程、控制操作的少量人工，就能讓人從繁重的體力勞動中解放出來。

在徐衛(wèi)國看來，建筑師不一定非要做出幾棟出名的地標、網(wǎng)紅建筑，或是獲大獎，“滿足廣大的最普通的人的生活需求——這是我們做這項技術(shù)研發(fā)的最核心的目的 ?！?/p>

04

全球3D打印建筑新潮流

過去3年，3D打印建筑正在全球掀起浪潮，有的城市已經(jīng)開始公開發(fā)售3D打印住宅，建筑的層數(shù)也不再局限于單層，兩層、多層的3D打印住宅，已經(jīng)成為現(xiàn)實。

暢想得更天馬行空一點，全球各地的先鋒建筑師開始拿各種新舊材料做實驗，結(jié)合3D打印技術(shù)，創(chuàng)造出外觀新奇、體驗獨到的小建筑，也回應(yīng)著后疫情時代，人們渴望住得更舒適、更貼近自然、更節(jié)能環(huán)保。

1、球形3D打印住宅

坐標：日本

圖源：Serendix

去年，日本兵庫縣的初創(chuàng)公司Serendix，只用不到23小時12分鐘，打印了一座球形3D打印住宅，這是日本第一座24小時內(nèi)完工的3D打印住宅。

10平方米的房子，售價330萬日元（約17萬人民幣），6棟球體住宅已售罄。

今年，該公司還計劃推出另一個3D打印“豪華版”住宅，面積為49平米，除供電力、水和煤氣外，還會配備衛(wèi)生間，方便拎包入住，預(yù)估售價500萬日元（約合人民幣25萬元）。

“我們的目標是像買車一樣買房，讓每個人都能從抵押貸款中解脫出來。”

2、東17街住宅區(qū)

坐標：美國

圖源：ICON

東17街住宅區(qū)是美國首個供出售的3D打印住宅區(qū)，由四棟住宅組成，每戶有兩到四間房。住宅使用了ICON公司專有的3D打印建筑技術(shù)，配合先進的新材料建造，住宅的使用壽命預(yù)計比傳統(tǒng)建筑材料更長。

這一片區(qū)的打印施工，僅耗時7天。自從竣工以來，這些混凝土打印住宅經(jīng)受住了7.4級地震和強風暴的考驗。

3、3D打印出租屋

坐標：荷蘭

圖源：Houben & Van Mierlo

這片巨石形狀的住宅，由Houben & Van Mierlo工作室設(shè)計的，合作機構(gòu)包括荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的3D打印住宅研究團隊。

這個項目是世界上第一個3D打印出租屋開發(fā)項目，也是歐洲第一個供長期居住的3D打印住宅。

4、雙層住宅

坐標：德國

圖源：Peri

這座兩層的獨立住宅，是德國第一個落地的3D打印房子，每層的居住空間大約80平方米。

這個項目的特別之處在于，使用了一種名為BOD2的新型3D打印機，由丹麥制造商COBOD首創(chuàng)，在打印建筑結(jié)構(gòu)的過程中，添加管道和其他內(nèi)部構(gòu)件，打印效率也很高，短短5分鐘，就能打印出1平方米的雙層墻。

5、曲線小屋

坐標：美國

圖源：WATG

這座名為“曲線吸引力”的房屋，由3D打印的塑料、碳纖維板和玻璃墻面建成，動態(tài)彎曲的外墻不僅具有美感，設(shè)計上具有最佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是世界首個自由形態(tài)的3D打印住宅。

房子的面積約為90㎡，建筑設(shè)計是WATG團隊，一個成立超70年的老牌國際化團隊，建筑結(jié)構(gòu)使用了Branch Tecnchology開發(fā)的自由形態(tài)打印工藝，在建筑技術(shù)領(lǐng)域有突破性的創(chuàng)新。同時，整個結(jié)構(gòu)凈零能耗。

6、夏日之家

坐標：荷蘭

圖源：DUS Architects

這座獨立的微型小屋，占地僅8㎡，體積不過25m3，核心結(jié)構(gòu)由黑色的可持續(xù)生物塑料3D打印而成，墻面呈幾何形。門廊處的打印圖案，一路延伸到了屋外。

屋內(nèi)配備了可折疊的沙發(fā)，模塊化裝飾，在需要時可以拉出變成沙發(fā)床，是一個非常適合在城市中隱居的“迷你居所”，屋外還有一個3D打印浴缸。

用于打印的材料，可被完整回收，反復(fù)重新打印，意味著整座小房子可以被完全粉碎，100%循環(huán)再利用。

7、Casa Covida

坐標：美國

攝影：Elliot Ross、Emerging Objects

圖源：Emerging Objects

Casa Covida，由三個圓柱形建筑體組成，坐落在科羅拉多州的沙漠中。住宅的土坯墻由機械臂3D打印而成，材料是當?shù)仄鰤r常用的傳統(tǒng)配方，由沙子、淤泥、粘土、水以及稻草混合，后經(jīng)陽光曝曬而成。

內(nèi)部空間包括雙人臥室、浴室，以及中央生活區(qū)，設(shè)有壁爐，一旁的炊具也是3D打印而成，用的是當?shù)氐恼惩痢?/p>

這座小住宅是在新冠疫情發(fā)生后，應(yīng)社交隔離的需求，而誕生的小型實驗建筑，適合兩人入住。