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【成果展示】通过力学指引的模板设计与连续材料挤出赋能自由曲面混凝土柱精益建造

发布时间：2026-09-21 19:23:29 最近访问：2026-09-21 19:23:29

导读

本期为大家介绍近期课题组博士研究生李嘉晨等同学在《Journal of Building Engineering》上发表题为《Lean fabrication of freeform concrete columns enabled by mechanics-guided formwork design and continuous material extrusion》的研究工作。研究提出了一套力学指引的聚合物挤出模板设计与制造方法，依据混凝土浇筑侧压力形成的应力场重新分配模板壁厚，再通过连续路径规划和动态打印参数完成变厚度模板制造，在不增加材料消耗量的情况下增加模板的强度和刚度。并比较了木模板、CNC泡沫模板与材料挤出聚合物模板在自由曲面混凝土结构建造中的综合成本效益，为制造工艺的选择提供了参考指导。可搜索以下链接或点击文末阅读原文进行查看：

https://doi.org/10.1016/j.jobe.2026.117307

研究背景：全球混凝土年产量超过300亿吨，相关温室气体排放约占全球总量的8%。尽管混凝土的隐含能耗相对较低，但受限于自由形态模板制造难度和成本而常采用冗余设计。工程中常采用的标准化、可重复使用的平面模板大大限制了结构形态与材料效率。3D打印模板为自由曲面混凝土提供了新的制造路径。与直接打印混凝土相比，打印模板能够继续使用传统配筋和浇筑工艺，成型精度也更容易控制。其中，材料挤出聚合物模板兼顾打印尺度和细部精度，但薄壁模板在浇筑过程中需要承受较大的侧压力。简单增加整体壁厚虽然能够降低变形，却会大幅增加材料消耗和打印成本。

因此，本研究提出一种基于力学导向的聚合物挤出模板设计-制造一体化方法，可以在不增加材料消耗的前提下提高自由曲面模板的强度与刚度，并基于有限元和试验验证了该方法在不同尺度结构下的表现。然后结合实际市场数据，进一步对比了木模板、CNC泡沫模板与聚合物挤出模板在自由曲面混凝土结构建造场景下的综合成本效益。

结构设计方法：模板设计阶段首先利用有限元模型计算均匀壁厚模板在混凝土侧压力下的应力与变形，随后将表面应力转换为灰度数据，并根据应力大小映射为局部壁厚。完成厚度重分配后，再进行有限元复核，若结构性能不满足要求，则通过调整厚度参数重新迭代设计。

变厚度几何还需要与连续挤出过程相匹配实现模板制造。在Grasshopper中开发连续路径生成算法，通过截面拓扑识别、边界偏移、连接关系搜索和闭合路径生成，使每一层尽可能以单条连续路径完成打印。同时，算法在路径点层面动态计算偏移距离、挤出宽度和材料挤出量，使喷嘴能够连续打印局部宽度不同的截面。

桌面尺度验证：在混凝土体积和压力水头不变的条件下生成25种几何构型。结果显示，模板最大变形与高应力区域的占比呈较强正相关。选取两种高变形构型，对比均匀增厚与应力引导的变厚度设计结果发现：在材料用量与1.0 mm均匀壁厚模板基本相同的条件下，变厚度方案使两种构型的最大应力平均降低47%，最大变形平均降低59%。其作用机制是将材料从低应力区转移至高应力区实现刚度重分配，进而减小应力集中并提高整体抗变形能力。

图1-均匀壁厚与变厚度模板的力学性能对比

建筑尺度制造：为验证方法在建筑尺度的适用性，以福禄考花瓣形态为灵感，设计了一个高1500mm的自由曲面混凝土柱。构件采用工厂预制、现场装配的施工方式。在模板设计阶段，考虑到大喷嘴分层沉积会产生明显的材料各向异性，有限元设计保守采用层间方向的较弱材料参数。结果表明，与同名义厚度的均匀壁厚模板相比，变厚度模板的最大应力平均降低40%，最大变形平均降低20%。最终选用名义厚度12 mm的变厚度模板，其计算强度安全裕度为23%；均匀壁厚模板则需要整体增厚至15 mm，才获得14%的安全裕度。

图2-花瓣形混凝土柱的形态生成与模板设计

从数字模型到实体模板，还需考虑制造工艺的约束和装配方式。受打印机成形高度、最大可打印悬挑角度以及切片截面拓扑连续性的限制，将模板沿高度和内外侧分段，并在相邻花瓣之间设置可切割的连接板，打印后连接板转化为螺栓装配法兰。顶部端板采用热熔焊接，其余分段通过预留法兰快速连接。

图3-建筑尺度模板的深化设计及制造

成本效益分析：论文还从曲率适应刚度、表面误差、单位面积成本和单位面积制造时间四个维度，对人工木模板、CNC泡沫模板和材料挤出聚合物模板进行比较。变厚度聚合物模板的刚度-曲率指数约为人工木模板的13倍；经铣削处理的聚合物模板平均表面误差为1.29 mm，而人工木模板为2.65 mm。基于调研区域内的市场定额，聚合物模板的初始单位面积成本约为人工木模板的1.8倍、CNC泡沫模板的1.4倍；但其单位面积制造时间仅为2.4 h，分别约为木模板和CNC泡沫模板的22%与30%。变厚度设计与均匀壁厚方案保持相同材料用量和挤出体积流率，因此提高模板刚度时不会额外增加材料成本或打印时间。

采用理论最大周转次数的假设下，聚合物模板较高的复用潜力能够摊薄初始成本，并在全生命周期综合评价中表现出优势。不过，对于高度定制、小批量的自由曲面构件，理论周转次数并不一定能够在实际工程中实现，工艺选择仍需结合当地人工和材料价格、构件复杂度以及预计复用次数。