清華大學建筑學院教授徐衛(wèi)國：用3D打印技術(shù)建房子

2024年01月12日

人物名片

徐衛(wèi)國：1961年生，江蘇南通人，清華大學建筑學院教授、清華大學深圳國際研究生院未來人居研究院常務(wù)副院長。1986年留清華大學任教后，他一直從事建筑設(shè)計及建筑理論研究。2003年以來，他通過教學、工程、策展、出版等方式，持續(xù)推動數(shù)字設(shè)計及數(shù)字建造研究。曾獲中國建筑學會建筑設(shè)計獎·建筑教育獎、世界建筑新聞獎“最佳技術(shù)運用獎”金獎、世界建筑節(jié)杰出設(shè)計獎等。

橙色的機械臂，如人的手臂般靈活移動，前端的3D打印系統(tǒng)正在“打印”建筑……在清華大學深圳國際研究生院未來人居研究院一樓的實驗室里，清華大學建筑學院教授徐衛(wèi)國正在指導學生進行3D打印操作。“我們研發(fā)的打印新工藝，將應(yīng)用到更多智能建造中。”徐衛(wèi)國說。

2000多公里外，在河北張家口市下花園區(qū)武家莊村，有一座很特別的農(nóng)宅。這座建筑，正是徐衛(wèi)國與團隊采用3D打印混凝土技術(shù)建造完成的。

如何用3D打印技術(shù)建房子？智能建造如何從實驗室走進人們的生活，前景如何？徐衛(wèi)國向記者娓娓道來……

從墻體到屋頂，完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造，并依靠機械臂完成施工

武家莊村村民趙秀娟家的墻上，有一張與徐衛(wèi)國的合影。照片背景里的老房子，已被這座3D打印建筑取代：編織紋理裝飾的外墻、圓拱形的屋頂、鏤空的圍墻……新居與村中其他農(nóng)宅很不一樣。

更不同的是建筑過程。從基礎(chǔ)、墻體到屋頂，農(nóng)宅的建造完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造，并依靠機械臂完成施工。用趙秀娟的話來說，3套打印設(shè)備“就像擠牙膏一樣”，“打印”出混凝土材料，一層層向上累加，房屋的基礎(chǔ)、墻體等部分便漸漸呈現(xiàn)在人們眼前。屋頂則在單獨打印完成后，用吊機安裝到墻體上。

“簡單來說，智能建造指的是用機器人或者智能系統(tǒng)替代人進行房屋建造。”徐衛(wèi)國說，機器人3D打印混凝土技術(shù)的優(yōu)勢在于效率高、質(zhì)量高等，還可以建造出各種優(yōu)美的不規(guī)則曲面形體。

如何讓3D打印建筑更好地滿足人們的需求？這幾年，徐衛(wèi)國沒少往武家莊村跑，他指導的好幾篇研究生的論文，也是圍繞武家莊村的3D打印建造展開的。

“我們的很多成果是在工地上取得的。有一年冬天，我到農(nóng)村調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有的村民家中窗戶透風，保暖性有待提升。”徐衛(wèi)國說，在設(shè)計武家莊村的農(nóng)宅時，團隊結(jié)合3D打印的特點，對墻體構(gòu)造進行了創(chuàng)新性設(shè)計，形成“結(jié)構(gòu)—裝飾—保溫一體化墻體”，讓房屋變得冬暖夏涼。

“只有在實際操作中反復(fù)驗證，寫出的程序、開發(fā)出來的技術(shù)才能更好地應(yīng)用于實踐，3D打印建筑工藝才能得以不斷完善。”徐衛(wèi)國說。

武家莊村的農(nóng)宅，并非徐衛(wèi)國團隊完成的第一個3D打印建筑。在一個又一個“工地”上，3D打印建筑成果落地生根——

上海寶山區(qū)智慧灣，一座形似飄帶的3D打印混凝土步行橋引人注目。兩臺打印系統(tǒng)共用450個小時打印完成全部混凝土構(gòu)件。

廣東深圳寶安3D打印公園，蜿蜒的道路和自然起伏的地形融合，如清泉流淌于溪谷間。3D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時的優(yōu)勢，在該公園中得以充分體現(xiàn)。

拱橋、公園、書屋、民宅……徐衛(wèi)國的作品，從實驗室走到了人們身邊。他說，希望自己的科研成果能夠助力行業(yè)升級，改善人們的生活，“科學研究就應(yīng)該為社會服務(wù)”。

深耕20多年，數(shù)字建筑設(shè)計逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實

這些年，徐衛(wèi)國團隊的3D打印建筑作品不斷涌現(xiàn)。成果背后，是他20多年來在數(shù)字建筑設(shè)計領(lǐng)域的深耕。

2003年，徐衛(wèi)國在國外一場名為“非標準建筑”的展覽上第一次接觸到數(shù)字建筑設(shè)計。如何運用數(shù)字技術(shù)在電腦里生成建筑形態(tài)？這些設(shè)計能否被實際建造出來？徐衛(wèi)國開始了在數(shù)字建筑設(shè)計領(lǐng)域的探索。

“數(shù)字技術(shù)與建筑設(shè)計的結(jié)合形成了數(shù)字建筑設(shè)計，主要是通過算法、程序來生成設(shè)計方案。”徐衛(wèi)國說。

以深圳寶安3D打印公園為例，團隊通過算法模擬人群活動，在人流密集區(qū)域布置主要景觀，再利用奇異吸引子算法生成公園總平面的雛形。隨后，對公園總體規(guī)劃進行設(shè)計建模，完成3D模型。在建立模型的基礎(chǔ)上，進行打印路徑規(guī)劃，并將代碼傳輸給機械臂。“通過算法，數(shù)字建筑設(shè)計能夠更大程度地滿足人們的需求。”徐衛(wèi)國說。

近年來，徐衛(wèi)國意識到數(shù)字設(shè)計是智能建造的前提和基礎(chǔ)，開始重點研發(fā)以3D打印為主的智能建造技術(shù)。從一場展覽的啟發(fā)，到一個個建筑的落成，20多年時間里，徐衛(wèi)國關(guān)于數(shù)字建筑設(shè)計、智能建造等的設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

“實際上，一路走來很不容易。”徐衛(wèi)國說，自己也遇到過一些質(zhì)疑的聲音，比如，新的設(shè)計方法是否可行，能建多大的房子，性價比高不高，等等。“但堅持做下去，總會有新收獲。”2020年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見印發(fā)，提出加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。徐衛(wèi)國深耕多年的技術(shù)有了更多用武之地。

是否慶幸于自己的探索與堅持？“如果沒有及早意識到數(shù)字建筑設(shè)計、智能建造的廣闊前景，沒有早去做研究，那就是我們的失職。”徐衛(wèi)國說，“科學研究就是要有前瞻性，要看到未來的需求，不斷探索、求新。”

激發(fā)學生想象力，探索未來建筑的各種可能性

如何在火星上建房子？

采訪時，徐衛(wèi)國剛剛為學生們上完一節(jié)建筑設(shè)計專題課。這門課上，學生們要圍繞“火星居留地”進行設(shè)計。

“在火星上，人輕輕一跳，就比在地球上跳得高很多——火星上的建筑，與地球上的建筑也完全不同。”徐衛(wèi)國說，他想激發(fā)學生們的想象力，探索未來建筑的各種可能性。

他講授的建筑設(shè)計專題是一門討論課，學生在課下完成準備工作，上課時展示自己的成果，老師進行點評、提出建議。

“剛才這節(jié)課上，我們討論了各個小組的建筑設(shè)計任務(wù)書。我們要自己設(shè)定‘火星居留地’上的人物和背景，在此基礎(chǔ)上進行建筑設(shè)計。”剛上完課的學生李洪君興奮地說。

聽上去有些科幻，但這其實與建筑設(shè)計息息相關(guān)。“人物之間的聯(lián)系，其實是建筑空間關(guān)系的一個參照，會轉(zhuǎn)換成空間之間的關(guān)系。”徐衛(wèi)國說，課程中的每一項任務(wù)，都對應(yīng)著實際的建筑設(shè)計過程。

徐衛(wèi)國關(guān)注建筑的未來，也關(guān)注學生的成長。1983年本科畢業(yè)后，徐衛(wèi)國讀研期間就開始擔任課程助教，距今已有40年。在他看來，啟發(fā)、引導、交流，是教師工作的重點之一。“現(xiàn)在獲取知識的渠道越來越多，找到答案并非難事。如何啟發(fā)學生找到新知識、新方向，是最重要的。”他說。

“徐老師很尊重學生的意見”“徐老師的創(chuàng)新意識令人佩服”……徐衛(wèi)國指導的研究生們，在創(chuàng)新的氛圍中不斷成長，他們圍繞未來城市及支撐技術(shù)、數(shù)字建筑與智能建造、技術(shù)人文等領(lǐng)域開展研究。

他們把目光投向未來。

記者手記

始于興趣源自責任

采訪結(jié)束后，徐衛(wèi)國匆匆趕往機場，去外地進行授課。年過60歲的他依然奔波在各地的教學和“工地”現(xiàn)場，探索智能建造前沿，創(chuàng)新的熱情不減。

創(chuàng)新，始于興趣。回憶剛剛開始研究數(shù)字建筑設(shè)計的情形，徐衛(wèi)國說，新興事物，總是讓人心潮澎湃。當時雖然研究條件有限，但干勁十足，制定年度工作計劃，一下子能寫好幾頁。

創(chuàng)新，也源自責任。在徐衛(wèi)國看來，隨著智能建造的發(fā)展，建筑工人的體力負擔將不斷減輕，建筑將更加符合人們的需求，人居環(huán)境將更加舒適。心懷這樣的目標，也激勵著他矢志創(chuàng)新，不斷推動技術(shù)進步。

（責任編輯：何雯麗）