供稿人：趙汗霖、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2025-05-12
在全球建筑行業(yè)面臨資源效率與碳排放雙重挑戰(zhàn)的背景下，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化制造成為重要突破口。傳統(tǒng)實(shí)心樓板占據(jù)了建筑中50%-60%的混凝土用量，而肋形樓板雖能顯著降低材料需求，但其復(fù)雜幾何形狀依賴人工模板，導(dǎo)致成本高昂且難以推廣。針對(duì)這一矛盾，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多模態(tài)自動(dòng)化制造技術(shù)，結(jié)合機(jī)器人澆筑、3D混凝土打?。?DCP）與碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）集成工藝，成功開(kāi)發(fā)出輕量化、高承載的肋形混凝土天花板系統(tǒng)，為可持續(xù)建造提供了新路徑。
CFRP作為一種高性能復(fù)合材料，因其抗拉強(qiáng)度高、無(wú)需防銹保護(hù)層的特點(diǎn)，成為替代傳統(tǒng)鋼筋的理想選擇。通過(guò)減少混凝土保護(hù)層厚度，CFRP可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件截面的進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)支持復(fù)雜幾何形狀的“力流導(dǎo)向”設(shè)計(jì)。然而，如何在3D打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)CFRP增強(qiáng)材料的精準(zhǔn)集成，尤其是剪切鋼筋的自動(dòng)化布置，一直是技術(shù)難點(diǎn)。
圖1 （左）所使用的CFRP剪切加固示例；（右）CFRP剪切加固策略：(1) 未處理的剪切加固，(2) 未處理的剪切加固并額外集成橫向纖維，(3) 經(jīng)過(guò)砂涂處理的剪切加固
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了模塊化生產(chǎn)流程，將肋形結(jié)構(gòu)分解為柱-板連接模塊（SCCM）和柱間支撐條模塊（SSM）。制造過(guò)程通過(guò)雙機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)完成：一臺(tái)機(jī)械臂負(fù)責(zé)3D打印與澆筑，另一臺(tái)專用于CFRP網(wǎng)格的抓取與定位。
圖2 3D打印設(shè)施雙機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)場(chǎng)景
圖3 數(shù)字化多模態(tài)制造流程示意圖，(1)模板打印、(2)CFRP集成、(3)底板澆筑、(4)肋條打印、(5)模塊組裝
具體流程分為五步，如圖3所示：首先打印底板模板及支撐結(jié)構(gòu)；隨后自動(dòng)嵌入預(yù)制的T型或L型CFRP剪切增強(qiáng)網(wǎng)格；接著澆筑底板混凝土；然后沿網(wǎng)格邊緣3D打印肋條；最終通過(guò)后張法組裝模塊。這一流程不僅擺脫了對(duì)傳統(tǒng)模板的依賴，還實(shí)現(xiàn)了高精度、自由曲面的結(jié)構(gòu)制造。
為評(píng)估多模態(tài)制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)性能，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了小尺度T型梁與大尺度樓板模塊的系列實(shí)驗(yàn)。小尺度T型梁測(cè)試聚焦剪切行為，對(duì)比了三種CFRP增強(qiáng)策略：未處理網(wǎng)格、橫向纖維束增強(qiáng)網(wǎng)格及砂面處理網(wǎng)格。四點(diǎn)彎曲測(cè)試（TB1）中，未處理CFRP梁（TB1-P1）因混凝土分裂失效，承載力僅為69.7 kN；砂面處理梁（TB1-P3）則因粘結(jié)性能改善，失效模式轉(zhuǎn)為混凝土壓潰，承載力達(dá)82.6 kN；而添加橫向纖維束的梁（TB1-P2）承載力提升至111.5 kN，呈現(xiàn)混合失效模式。與傳統(tǒng)澆筑梁相比，多模態(tài)制造梁的承載力為其70%，但裂紋數(shù)量顯著減少，表明打印層間粘結(jié)良好。
圖4 TB1系列T型梁的失效模式對(duì)比(上)及四點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果(下)，（左）載荷-變形行為；（中）剪切加固的載荷-滑移行為；（右）拉伸區(qū)和壓縮區(qū)的載荷-伸長(zhǎng)行為
大尺度樓板模塊（SCCM）測(cè)試模擬實(shí)際荷載條件，驗(yàn)證了CFRP增強(qiáng)肋形結(jié)構(gòu)的整體性能。橫向纖維束增強(qiáng)模塊（SCCM-P2）表現(xiàn)出最優(yōu)承載力，達(dá)547.2 kN，遠(yuǎn)超砂面處理模塊的429.6 kN。失效分析顯示，荷載通過(guò)肋條剪切與混凝土壓潰分散，未出現(xiàn)典型沖剪破壞，證明CFRP網(wǎng)格有效提升了結(jié)構(gòu)韌性。進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用模擬表明，在模擬六米跨度樓板荷載（205 kN）下，模塊安全系數(shù)達(dá)1.65，滿足工程要求。
圖5 SCCM模塊的荷載-變形曲線及與T型梁的歸一化對(duì)比
圖6 SCCM模塊的裂紋分布與失效模式
多模態(tài)自動(dòng)化制造技術(shù)可減少40%-50%的混凝土用量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)成型。然而，當(dāng)前技術(shù)仍面臨一些問(wèn)題：橫向增強(qiáng)纖維的全自動(dòng)集成工藝尚不成熟，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)專用機(jī)械臂終端執(zhí)行器；CFRP-混凝土界面在濕熱環(huán)境下的性能衰減需進(jìn)一步評(píng)估等。
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將模塊化設(shè)計(jì)擴(kuò)展至雙向受力場(chǎng)景（如SSM模塊），并探索打印混凝土與CFRP界面的長(zhǎng)期耐久性。隨著工藝標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)?；瘧?yīng)用的推進(jìn)，這一技術(shù)有望成為建筑行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)智能建造從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)工程場(chǎng)景。