供稿人：趙汗霖、王富 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術國家重點實驗室 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，混凝土結構的優(yōu)化設計與數(shù)字化制造成為重要突破口。傳統(tǒng)實心樓板占據(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，但其復雜幾何形狀依賴人工模板，導致成本高昂且難以推廣。針對這一矛盾，德國亞琛工業(yè)大學的研究團隊提出了一種多模態(tài)自動化制造技術，結合機器人澆筑、3D混凝土打?。?DCP）與碳纖維增強聚合物（CFRP）集成工藝，成功開發(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作為一種高性能復合材料，因其抗拉強度高、無需防銹保護層的特點，成為替代傳統(tǒng)鋼筋的理想選擇。通過減少混凝土保護層厚度，CFRP可實現(xiàn)構件截面的進一步優(yōu)化，同時支持復雜幾何形狀的“力流導向”設計。然而，如何在3D打印過程中實現(xiàn)CFRP增強材料的精準集成，尤其是剪切鋼筋的自動化布置，一直是技術難點。
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) 經過砂涂處理的剪切加固
研究團隊創(chuàng)新性地設計了模塊化生產流程，將肋形結構分解為柱-板連接模塊（SCCM）和柱間支撐條模塊（SSM）。制造過程通過雙機械臂協(xié)同作業(yè)完成：一臺機械臂負責3D打印與澆筑，另一臺專用于CFRP網格的抓取與定位。
圖2 3D打印設施雙機械臂協(xié)同作業(yè)場景
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構；隨后自動嵌入預制的T型或L型CFRP剪切增強網格；接著澆筑底板混凝土；然后沿網格邊緣3D打印肋條；最終通過后張法組裝模塊。這一流程不僅擺脫了對傳統(tǒng)模板的依賴，還實現(xiàn)了高精度、自由曲面的結構制造。
為評估多模態(tài)制造技術的結構性能，團隊開展了小尺度T型梁與大尺度樓板模塊的系列實驗。小尺度T型梁測試聚焦剪切行為，對比了三種CFRP增強策略：未處理網格、橫向纖維束增強網格及砂面處理網格。四點彎曲測試（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）則因粘結性能改善，失效模式轉為混凝土壓潰，承載力達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，表明打印層間粘結良好。
圖4 TB1系列T型梁的失效模式對比(上)及四點彎曲測試結果(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-伸長行為
大尺度樓板模塊（SCCM）測試模擬實際荷載條件，驗證了CFRP增強肋形結構的整體性能。橫向纖維束增強模塊（SCCM-P2）表現(xiàn)出最優(yōu)承載力，達547.2 kN，遠超砂面處理模塊的429.6 kN。失效分析顯示，荷載通過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網格有效提升了結構韌性。進一步的實際應用模擬表明，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型梁的歸一化對比
圖6 SCCM模塊的裂紋分布與失效模式
多模態(tài)自動化制造技術可減少40%-50%的混凝土用量，同時實現(xiàn)復雜幾何結構的精準成型。然而，當前技術仍面臨一些問題：橫向增強纖維的全自動集成工藝尚不成熟，需進一步開發(fā)專用機械臂終端執(zhí)行器；CFRP-混凝土界面在濕熱環(huán)境下的性能衰減需進一步評估等。
未來，研究團隊計劃將模塊化設計擴展至雙向受力場景（如SSM模塊），并探索打印混凝土與CFRP界面的長期耐久性。隨著工藝標準化與規(guī)?；瘧玫耐七M，這一技術有望成為建筑行業(yè)低碳轉型的核心驅動力，推動智能建造從實驗室走向真實工程場景。