河北省五家荘市清華大学の徐偉国教授チームが設計した、2つの寝室と1つのリビングルーム、106平方メートルの3Dプリントコンクリート農家。

出典：清華大学建築学院

はじめに: 中国の建築分野には、建築 3D プリントに関する人々の理解を絶えず刷新している科学研究チームが存在します。彼らは清華大学建築学院の徐維国教授のチームです。

2021年9月11日、南極熊は、徐偉国教授のチームがロボット3Dプリントコンクリート建設技術を使用して、河北省下花園五家荘の農家向けに数軒の住宅を印刷したことを知りました。農家は合理的な機能、美しい外観、堅牢な構造を備え、環境に優しく省エネです。それを読んで、Antarctic Bear も数セット印刷したいと言いました。

▲清華大学建築学院の徐偉国教授チームが3Dプリントした農家
01
河北省五家荘の農家

五家荘の農家は106平方メートルで、その形は地元の伝統的な洞窟形式を採用しています。5つの間口の家で、3つの大きな部屋と2つの小さな部屋があります。3つの大きな部屋はリビングルームと寝室で、樽型アーチ型の屋根が付いています。2つの小さな部屋はキッチンとトイレです。

▲清華大学建築学院の徐偉国教授チームによる3Dプリント農家住宅。この技術は徐偉国教授の学際的なチームが独自に開発したもので、デジタル建築設計手法とロボット自動制御システムをベースに、3Dプリント技術と特殊なコンクリート材料技術を組み合わせた革新的なインテリジェント住宅建設技術です。この技術の利点は、省力化、高効率、低コスト、高品質です。伝統的な家屋形状の設計と建設を実現すると同時に、さまざまな美しい不規則な曲線形状の建設も実現できます。

▲農家の西側ファサード▲南西から見た農家の写真▲農家の航空写真
02
ロボット建築3Dプリント技術

農家のプリント建設では、3セットのロボットアーム3Dプリントコンクリートモバイルプラットフォームが使用され、3つの大きなベイの中央に配置されました。基礎と壁は現場で直接プリントされました。同時に、すべてのバレルヴォールト屋根は、建物の外にあるロボットアームトラックの両側でプレファブリケーションされ、現場でプリントされ、バレルヴォールト屋根はクレーンでプリントされた壁に組み立てられました。建物の外壁には、構造壁と一体にプリントされた織り模様を装飾として採用し、壁の中央に断熱材を流し込み、装飾・構造・断熱が一体となった外壁システムを形成しています。

▲モバイル印刷プラットフォームの建設現場▲金庫室プレハブ印刷現場▲印刷織りテクスチャ壁農家の設計は、完全にデジタル化されたワークフローアプローチを採用しています。建築計画はパラメトリックデジタル設計方法によって生成され、構造の合理性と印刷建設の実現可能性は設計の初期段階で考慮されます。建物の形状設計と構造計算、配管と電気の設計と印刷経路計画、完全に組み立てられた室内装飾設計はすべて同じ3次元デジタルモデル上で完了し、設計プロセス全体にわたる情報伝達の継続性と、さまざまな分野間の情報交換の効果的な調整を保証します。

▲構造計算建物の構造安全性は、3Dプリントの新工法の重要な部分です。このプロジェクトでは、構造エンジニアがMidasソフトウェアを使用して、3次元形状モデル全体を直接計算および分析しました。まず、材料節約の要件に従って、アーチ型の屋根と壁をトラス付きの中空壁として設計しました。3Dプリント装置の前端にある材料出口のサイズと組み合わせて、アーチや壁などのコンポーネントのトラスの配置を深く分析して比較し、コンポーネントの最終サイズを決定しました。次に、決定されたコンポーネントの実際のサイズを全体モデルにフィードバックして、コンポーネントの内部力分析を行いました。最後に、建設吊り上げ分析を実行して、合理的な建設吊り上げ計画を決定しました。構造設計プロセスは建物の形状モデリングと密接に連携しており、パラメトリックデジタルモデルは、建築と構造の間のデジタル情報交換をスムーズに実現する方法を提供します。

さらに、構造の信頼性を確保するために、壁、アーチ、平らな屋根などの重要な構成要素に対して部品破壊試験を実施し、農家の全体構造に対して縮小振動台試験を実施して、3Dプリントコンクリート建設プロジェクトの安全性を検証しました。

▲3Dプリントコンクリート壁の構造破壊試験「ロボットアーム3Dプリントコンクリート移動プラットフォーム」は、移動可能なロボットアームと3Dプリント装置、トラックと移動および昇降可能なプラットフォーム、牽引プラットフォームなどで構成されています。 3D 印刷装置では、ロボットアームと印刷フロントエンドが昇降プラットフォーム上に配置され、プラットフォーム上で移動できます。一方、印刷材料と供給、混合、ポンプの一体型マシンはトレーラープラットフォーム上に配置されます。この印刷プラットフォームでは、モバイルプラットフォームのボタンを操作するだけで、家全体の印刷と建設を完了できます。コンクリート 3D 印刷のプロセスを完全に統合して簡素化し、印刷と建設のプロセスへの人的投入を最小限に抑えます。

▲南西コーナーの詳細▲室内リビングルーム▲室内寝室▲農家と南の中庭▲中庭の壁の詳細農村建設行動の実施、農村建設レベルの向上、農村地域の総合的な振興の推進は、経済社会の全体的な発展と農村住民の重要な利益に関係しており、今年の中央経済工作会議で展開された重要な任務であり、農村の生活環境を継続的に改善し、農家の近代化レベルを向上させ、農家の品質を向上させるには、具体的な建設方法とアプローチを明確にする必要があります。ロボット3Dプリントコンクリート建設技術の推進と使用は、具体的な対策と効果的な方法になります。

▲印刷工程▲フロアプラン
03
徐偉国教授チームの他のプロジェクト

1) 上海スマートベイ 3Dプリントコンクリート歩道橋

2019年1月、清華大学（建築学院）中南地デジタル建築研究センターの徐衛国教授のチームが設計・開発し、上海智慧湾投資管理有限公司と共同で建設した3Dプリントコンクリート歩道橋が、上海智慧湾科学技術パークに完成しました。

歩道橋の長さは26.3メートル、幅は3.6メートルで、橋の構造は中国の古代趙州橋の構造方式を借用しており、荷重を支えるために単一のアーチ構造を採用しており、アーチの足の間の距離は14.4メートルです。橋が実際のプリント施工に入る前に、1:4 スケールの実物大の橋の破壊テストが実施され、その強度は歩行者全員の荷重要件を満たすことができました。

橋梁プロジェクト全体の印刷には2台のロボットアーム3Dプリントシステムが使用され、すべてのコンクリート部品の印刷には合計450時間がかかりました。同じサイズの橋と比較すると、そのコストは一般的な橋の3分の2にすぎません。橋本体の印刷と建設には型枠や鉄筋が使用されなかったため、プロジェクトコストが大幅に節約されました。歩道橋は、アーチ構造、手すり、デッキの3つの部分で構成されています。橋の構造は、0.9×0.9×1.6メートルのコンクリート3Dプリントユニット44個で構成されています。手すりは68個のユニットに分割して印刷され、合計64個のデッキも印刷で作られています。これらの部品の印刷材料はすべて、ポリエチレン繊維コンクリートにさまざまな混和剤を加えた複合材料です。多くの配合テストと印刷実験を経て、印刷要件を満たす制御可能なレオロジーを実現しました。この新しいコンクリート材料の圧縮強度は 65 MPa、曲げ強度は 15 MPa に達します。

2) 3Dプリントライブラリ

2021年3月、上海市宝山区のスマートベイ科学技術パークにある3Dプリント図書館が正式に完成し、一般公開されました。 Antarctic Bearは以前、コンクリート3Dプリントで作られたこの図書館について報じた。完成後の面積は30平方メートル未満で、15人を収容できる。

遠くから見ると、3D プリントされた図書館は、外壁の表面にはっきりとした線や模様があり、要塞のように見えます。上から見ると貝殻や逆カンマのように見えます。

3D プリントされた図書館の内部は、白い壁と人々が座るための弧状の座席が並んだアーチ型の空間です。

図書館の上部には半透明のドームがあり、その上に自動開閉の天窓が設置されています。扉のスイッチボタンを押すと天窓が開き、換気ができます。また、家には床暖房が設置されており、冬でも暖房が利用できます。

この3Dプリント図書館は、読者に静かな読書スペースを提供します。このプロジェクトは、ウィズダムベイパークと清華大学デジタルアーキテクチャセンターによって設計され、公園内に共同で建設されました。清華大学建築学部の徐維国教授は次のように語った。「この本の家は、ロボットによる3Dコンクリートプリントを使用して建てられました。これは基礎を備えた恒久的な建物です。基礎とその上の本体はすべて3Dプリントされています。安全で構造的に健全です。完成は、3Dプリントが住宅建設に使用できることを証明しています。」

△写真出典：中国ニュースビデオ

3) 深セン宝安3Dプリント景観プラザ

市民が長らく待ち望んでいた3Dプリント景観プロジェクトは、数か月に及ぶ綿密な工事と設計計画の複数回の修正を経て、2021年9月末に完成する予定だ。現在、深セン世界会展中心の西側、浜江大道の真ん中、北側の緑地の続きに足を踏み入れると、流れるようなラインを思わせる芸術的な形の舗装、彫刻、ベンチ、植栽ピット、花壇、擁壁が目に入ります。

△3Dプリントランドスケーププロジェクトの一部

今年4月、今後の建設プロジェクトの道筋をさらに模索するため、プロジェクトオーナーである宝安区建設工事局の建設構想と委託に基づき、MCC SEDIが設計し、中国冶金建設集団公司が施工した3Dプリント景観広場が発表され、以来多くのメディアや市民の注目を集めています。このプロジェクトは、これまでの建築モデルを打破し、テクノロジーを強化しました。広場内のすべてのコンクリート構造物は、3Dプリントコンクリートロボットによって印刷され、深セン国際会議展示センターの浜江大道第1期に総面積5,000平方メートル、緑化率88％の3Dプリント景観広場が誕生しました。

新しいロボット3Dプリントコンクリート技術は、都市土木建設における世界初の実用化であると報告されています。このプロジェクトで最高の結果を達成するために、MCC SEDIと中国冶金建設グループコーポレーションのコンソーシアムは、長年の設計と建設の経験を最大限に活用し、清華3Dプリントチームに基づいて印刷プロセスのレイアウトと設置シーケンスの要件を提案し、既存の建設現場に基づいて場所を選択し、全体的なプロジェクト進捗要件と建設計画とシーケンスを組み合わせて、図面計画を逆に推論しました。

現在、1,000点以上の各種3Dプリントコンクリート部品が基本的に設置、統合、敷設されており、科学技術を活用した地下統合パイプライン通路などの残りの大型部品もプリント中です。緑化植生計画は数回にわたって修正・確定され、苗木の選択と購入のプロセスに入りました。緑化が完成すれば、3D プリントされた景観プロジェクトはきっと皆を驚かせるでしょう。

△ 3Dプリントされた景観広場のレンダリング、画像出典：深セン政府オンライン

河北省五家荘市清華大学の徐偉国教授チームが設計した、2つの寝室と1つのリビングルーム、106平方メートルの3Dプリントコンクリート農家。

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