王聰 孫澄 賈永恒

哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

混凝土是建筑行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，混凝土的可塑性使其幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何幾何形態(tài)，大大拓展了建筑師對(duì)復(fù)雜形態(tài)的探索空間[1]。然而，混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)以及水泥生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量在全球碳排放總量中的比例不斷增加[2]。因此，提高混凝土結(jié)構(gòu)性能及減少混凝土材料的消耗逐漸成為在設(shè)計(jì)建造中備受關(guān)注的問(wèn)題之一[3，4]。

混凝土結(jié)構(gòu)是指建筑中由具有特定力學(xué)性能的混凝土按照一定的幾何形式組成的空間受力體系。結(jié)構(gòu)材料的使用量與幾何形式構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的形態(tài)，結(jié)構(gòu)受力與材料、幾何形態(tài)之間根據(jù)一定的邏輯和平衡關(guān)系組成混凝土的結(jié)構(gòu)形態(tài)，也就決定了其結(jié)構(gòu)的性能[5，6]。因此，混凝土結(jié)構(gòu)性能受材料特性和幾何特性的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下力的分布情況，傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中存在一定的無(wú)效或低效材料[7]。相關(guān)研究表明，多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以通過(guò)減少或者去除無(wú)效、低效材料來(lái)提高混凝土結(jié)構(gòu)的性能，然而這類(lèi)優(yōu)化方法是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)目前的施工方法提出了挑戰(zhàn)[8-12]，極大制約了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在建筑領(lǐng)域的實(shí)際推廣應(yīng)用。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土的制造，傳統(tǒng)方法代價(jià)巨大，但隨著數(shù)字技術(shù)在建造領(lǐng)域的運(yùn)用，非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土建造得以越來(lái)越多地出現(xiàn)在研究和實(shí)踐中。

1 相關(guān)研究

1.1 減材制造

減材制造指通過(guò)加工工具減少或去除材料的加工方式，在混凝土成型領(lǐng)域一般用于制造混凝土成型模板（圖1）。早期的數(shù)字化減材混凝土成型是利用CNC切割或銑削的方法對(duì)木材或聚苯乙烯泡沫等具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的材料進(jìn)行加工，以生成復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)模板。

1 數(shù)字化減材制造混凝土成型一般流程

2 O-14 Tower 項(xiàng)目中的泡沫支撐結(jié)構(gòu)

3 Kirk Kapital 總部項(xiàng)目中的混凝土承重結(jié)構(gòu)模板

4 斯賓塞碼頭橋項(xiàng)目中的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)聚苯乙烯泡沫模板

5 PASCHAL-Danmark A/S 公司的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)

6 十八軸熱刀切割系統(tǒng)

7 以坐標(biāo)代碼控制的柔性熱線

8 數(shù)字化增材制造混凝土成型一般流程

9 3D 打印的波形混凝土承重結(jié)構(gòu)

10 3D 打印模板制造的混凝土構(gòu)件

11 在骨料模板上打印雙曲面結(jié)構(gòu)

近些年，又興起了熱線切割模板制造技術(shù)。2007年，Reiser+Umemoto建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的O-14 Tower通過(guò)將數(shù)控切割成型的聚苯乙烯泡沫嵌入到鋼筋混凝土中，形成孔洞形狀的高效支撐結(jié)構(gòu)，并為建筑內(nèi)部創(chuàng)造出無(wú)柱的開(kāi)放空間（圖2）[13]；2012年，Dombernowsky Per等學(xué)者采用大尺度數(shù)控設(shè)備銑削聚苯乙烯泡沫模板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造，以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化后的混凝土結(jié)構(gòu)[14]；2012年，Milena Stavric等學(xué)者采用異型熱線或熱刀對(duì)材料進(jìn)行切割，以處理特殊類(lèi)型的模板[15]；2013年，Odico公司的Kirk Kapital總部項(xiàng)目首次將熱線切割技術(shù)應(yīng)用于混凝土主要承重結(jié)構(gòu)的模板生產(chǎn)（圖3）[16，17]；2013年，Amanda Levete Architects事務(wù)所的愛(ài)爾蘭都柏林斯賓塞碼頭橋項(xiàng)目，通過(guò)在發(fā)泡聚苯乙烯泡沫模板上澆筑混凝土實(shí)現(xiàn)了非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)的拱腹和護(hù)欄（圖4）[18]；2014年，奧胡斯的PASCHAL-Danmark A/S公司在項(xiàng)目中采用了數(shù)控加工聚苯乙烯泡沫作為非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)的模板，探索了機(jī)械臂在非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)模板以及模板支撐結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用，驗(yàn)證了非標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)在節(jié)材方面的巨大潛力（圖5）[19]；2016年，Romana Rust等通過(guò)協(xié)調(diào)兩個(gè)六軸機(jī)械臂進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)對(duì)熱線的曲率進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)空間線切割，從而高效地生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)的建筑構(gòu)件[20]；2017年，Sigrid Adriaenssen等學(xué)者通過(guò)由三臺(tái)機(jī)械臂組成的十八軸熱線切割系統(tǒng)，使柔性可變刀具可以更好地?cái)M合模型形狀的曲率，避免了線性切割存在的工作盲區(qū)情況，同時(shí)柔性可變刀具與模型幾何形態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也極大地提升了生產(chǎn)效率，經(jīng)試驗(yàn)表明，該方法比同類(lèi)CNC銑削快126倍（圖6）[21]；2017年，F(xiàn)rancisco Javier Quitral Zapata等學(xué)者通過(guò)將曲線形態(tài)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)代碼對(duì)柔性熱刀進(jìn)行控制（圖7）[22]；2018年，Asbj?rn S?ndergaard等學(xué)者提出了一種對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)進(jìn)行表面合理化的方法，將非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)優(yōu)化為可通過(guò)熱線切割加工的形式，以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)，從而提高建筑結(jié)構(gòu)性能[23]；2019年，Elif Erdine等學(xué)者通過(guò)算法和機(jī)器人開(kāi)發(fā)了非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)模板的制造方法，以減少模板的加工廢料，同時(shí)建立了熱線切割的幾何自由度與約束條件之間的關(guān)系[24]。

由于減材加工不可避免地會(huì)產(chǎn)生材料浪費(fèi)，德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究所（ITE）開(kāi)發(fā)了基于CNC銑削可回收工業(yè)蠟的方法來(lái)生成非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土構(gòu)件精密模板，在滿(mǎn)足幾何形態(tài)需求和精度的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性[25]?？偟膩?lái)說(shuō)，熱線切割方法雖然在幾何形態(tài)上受到一定限制，但在單位時(shí)間內(nèi)切割材料的體積及切割表面質(zhì)量上具有很大潛力。

1.2 增材制造

增材制造，即通常所說(shuō)的3D打印技術(shù)，是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)控制下的移動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)逐層放置或固化特定材料的方式來(lái)制作三維物體（圖8）[26]。由于其在非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)制造上的優(yōu)勢(shì)，該方法自問(wèn)世伊始便廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。而增材制造最早在混凝土成型中的運(yùn)用則出現(xiàn)在2004年南加州大學(xué)Khoshnevis教授所開(kāi)發(fā)的輪廓成型工藝中[27]。

增材制造實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化方面的典型案例是C Gosselin等學(xué)者為優(yōu)化承重墻設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件，具體是通過(guò)混凝土3D打印制造出波形的殼體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎能力，這種獨(dú)特的形態(tài)很難采用其他傳統(tǒng)方式制造（圖9）[28]；同年，Andrei Jipa等學(xué)者采用3D打印沙子的方式制作混凝土模板，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)（圖10）[29]；2018年，Christopher A Battaglia等通過(guò)建筑尺度的混凝土3D打印技術(shù)，以可重復(fù)使用的骨料作為模板，建造經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的雙曲面混凝土結(jié)構(gòu)（圖11）[30]。建筑尺度下的混凝土3D打印由于其工藝及材料特性，為建筑的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)建造提供了一定的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。與此同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，如構(gòu)件表面會(huì)出現(xiàn)明顯的分層甚至冷縫等現(xiàn)象，隨著材料的堆積會(huì)出現(xiàn)沉降及不可避免的誤差等。

1.3 柔性模板

數(shù)字技術(shù)還可以通過(guò)控制或預(yù)制模板的形態(tài)進(jìn)行混凝土成型，這類(lèi)方法中使用的模板形態(tài)適應(yīng)能力較好，具有可持續(xù)性（圖12）。2014年，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Matthias Michel等學(xué)者開(kāi)發(fā)了自由形態(tài)混凝土建筑構(gòu)件自適應(yīng)模板系統(tǒng)，利用混凝土的材料特性，通過(guò)控制可調(diào)節(jié)的支撐模板，進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土的成型[31]；同年，代爾夫特理工大學(xué)的Roel Schipper等學(xué)者開(kāi)發(fā)了用于制造雙曲面混凝土構(gòu)件的柔性模板，是在混凝土硬化到一定程度之后調(diào)整模板形態(tài)，以改善由于混凝土流動(dòng)性造成的形態(tài)不均勻問(wèn)題（圖13）[32]；蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Ena Lloret-Fritschi等學(xué)者將智能動(dòng)態(tài)鑄造方法應(yīng)用在非標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中[33]，提出了混凝土智能動(dòng)態(tài)澆鑄方法，即使用動(dòng)態(tài)模板制造具有可變截面形狀的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，可以在整個(gè)模板的可變范圍內(nèi)對(duì)材料的形態(tài)進(jìn)行塑造（圖14）[34]；2019年，Philippe Block等學(xué)者提出了以預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)和織物組成的薄殼混凝土屋面模板系統(tǒng)，在減少大跨度建造所需材料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其非標(biāo)準(zhǔn)的幾何形態(tài)（圖15）[35]。

柔性模板工藝能夠滿(mǎn)足混凝土成型的靈活性、表面質(zhì)量的精度及成型速度，在預(yù)制化及建筑尺度建造方面潛力較大。但是，由于其工藝的特殊性，在成型形態(tài)上會(huì)受到尺度限制。

1.4 網(wǎng)格模板

網(wǎng)格模板探索了混凝土成型中模板與配筋一體化的可能，即通過(guò)可塑性材料形成網(wǎng)格狀模板擬合目標(biāo)形態(tài)，進(jìn)而在模板上進(jìn)行混凝土澆筑，并依賴(lài)混凝土的流動(dòng)性和粘結(jié)性實(shí)現(xiàn)混凝土成型（圖16），澆筑完成后的模板可保留在混凝土結(jié)構(gòu)中作為加固結(jié)構(gòu)。2014年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)啟了該領(lǐng)域的系列研究項(xiàng)目，首先使用機(jī)器人打印空間三維網(wǎng)格，以建造非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土模板，其不僅在混凝土澆筑的過(guò)程中充當(dāng)多孔模板，同時(shí)也起到類(lèi)似配筋的結(jié)構(gòu)作用（圖17）[36]；2017年，該項(xiàng)目采用機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)制造曲線形態(tài)的鋼筋網(wǎng)格模板，通過(guò)控制表面局部的起伏來(lái)增加墻體強(qiáng)度（圖18）；2018年，該項(xiàng)目又開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)器人的自動(dòng)彎曲和焊接鋼筋的網(wǎng)格模板制造方法，以應(yīng)對(duì)來(lái)自混凝土的壓力（圖19）[37]。但是，在非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)網(wǎng)格的建造中，需要采用3D打印或自動(dòng)化鋼筋綁扎的技術(shù)以形成網(wǎng)格，再進(jìn)行混凝土澆灌。同時(shí)，在不采用額外模板的情況下，需在網(wǎng)格內(nèi)澆灌混凝土后進(jìn)行噴涂砂漿及表面抹平工作。

12 數(shù)字化柔性模板混凝土成型一般流程

13 制造雙曲面混凝土構(gòu)件的柔性模板

14 混凝土動(dòng)態(tài)鑄造模板

15 薄殼混凝土屋面模板

16 數(shù)字化網(wǎng)格模板混凝土成型一般流程

17 模板與配筋一體化的空間網(wǎng)格模板

18 機(jī)器人自動(dòng)焊接的網(wǎng)格模板

19 機(jī)器人自動(dòng)彎曲及焊接的網(wǎng)格模板

20 結(jié)構(gòu)性能導(dǎo)向下的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土模板熱線切割制造方法

表1 非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土成型方法對(duì)比

數(shù)字化混凝土網(wǎng)格模板在形式上具備相當(dāng)?shù)淖杂啥?，但由于混凝土澆灌時(shí)的流動(dòng)性要求，在澆灌方式、懸挑結(jié)構(gòu)、表面處理等方面仍存在挑戰(zhàn)，因此目前研究多適用于構(gòu)件尺度的垂直承重的結(jié)構(gòu)。

2 方法類(lèi)比及關(guān)鍵問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)當(dāng)前非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土數(shù)字化成型主要方法的介紹及分析，對(duì)其中的技術(shù)平臺(tái)、材料、工具平臺(tái)、應(yīng)用尺度等進(jìn)行了對(duì)比（表1）。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究中存在的關(guān)鍵問(wèn)題主要有：

（1）幾何形態(tài)方面。增材制造的噴頭孔徑?jīng)Q定了可制造的最小尺寸、速度和精度。此外，其在懸挑約束、可橋接長(zhǎng)度及尺寸形態(tài)方面都受到較大限制[39]。相比之下，常規(guī)熱線切割由于其熱線加工工具在空間中創(chuàng)建的大多是直紋面，在幾何形態(tài)方面也受到一定的限制。柔性模板及網(wǎng)格模板由于其模板材料的特征及成型方法，多適用于曲率較大且連續(xù)的曲面，不適用于過(guò)于復(fù)雜的形態(tài)。

（2）材料消耗方面。相比于CNC銑削，熱線切割過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染嚴(yán)重的顆粒或浮塵，產(chǎn)生的廢料也都較為完整，可便于再次利用。

（3）制造速度方面。CNC銑削單位時(shí)間內(nèi)銑削材料體積小、工藝復(fù)雜、表面光滑處理耗時(shí)，這些因素導(dǎo)致其加工速度較慢。柔性模板混凝土成型速度受柔性模板的種類(lèi)和形態(tài)的復(fù)雜程度限制，如數(shù)控驅(qū)動(dòng)下的靈活模板或動(dòng)態(tài)模板制造速度較快，而織物模板則視模板制造安裝的復(fù)雜程度而定，速度方面處于劣勢(shì)。網(wǎng)格模板的空間網(wǎng)格制作工藝復(fù)雜，相對(duì)耗時(shí)。

（4）工藝適應(yīng)性方面。減材加工均需要固定裝置，工具與加工對(duì)象也容易發(fā)生碰撞，從而限制設(shè)計(jì)的自由度。3D打印混凝土制造工作條件要求高，適合預(yù)制及環(huán)境受控的情況。各類(lèi)混凝土柔性模板對(duì)成型結(jié)構(gòu)的要求較高，且執(zhí)行流程復(fù)雜[40]。

相比之下，熱線切割各方面的優(yōu)勢(shì)在一定程度上彌補(bǔ)了其在成型形態(tài)上的不足。同時(shí)，隨著熱線切割技術(shù)的開(kāi)發(fā)完善，除直紋面外更加復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)制造方法也逐漸出現(xiàn)。

以上非標(biāo)準(zhǔn)混凝土數(shù)字化成型方法的特征歸納，為非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土成型提供了制造框架。為實(shí)現(xiàn)在建筑尺度下經(jīng)濟(jì)、快速地建造非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)，本文完善了一種基于結(jié)構(gòu)性能導(dǎo)向的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土模板熱線切割制造方法：首先對(duì)初始形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在工藝及其他限制條件下對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐旨凹庸つM；再將模板加工和支撐框架的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)出以進(jìn)行建造，建造過(guò)程中包括切割模板及脫模后的模板余料均可與數(shù)字模型模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，存入數(shù)據(jù)庫(kù)及材料庫(kù)以便重復(fù)利用（圖20）。

3 結(jié)論與展望

結(jié)構(gòu)性能導(dǎo)向下的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土數(shù)字化成型相比傳統(tǒng)成型方法具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以在滿(mǎn)足性能及形態(tài)需求的前提下減少混凝土的消耗，拓展了建筑師對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)的探索空間，推動(dòng)了幾何形態(tài)、受力與材料的融合，同時(shí)促進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)流程的發(fā)展，加速了非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土數(shù)字化成型技術(shù)的革新。隨著建筑與機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的深入融合，結(jié)構(gòu)性能導(dǎo)向下的非標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)混凝土數(shù)字化成型方法勢(shì)必對(duì)建筑產(chǎn)業(yè)的信息化水平提升提供助力。