《Buildings》：Development of a Formation Method for a Complex Curve Surface by Automated Control of Supports
编辑推荐：
本文验证了一种利用计算机控制垂直致动器支撑的上层木板的弯曲变形来制造自由曲面混凝土模板（formwork）的方法。研究人员开发了一套系统，通过调整3×3支撑矩阵的高度，使用传感器（sensor）进行测量和电机（motor）进行定位来控制支撑精度。实验采用1/2
本文验证了一种利用计算机控制垂直致动器支撑的上层木板的弯曲变形来制造自由曲面混凝土模板（formwork）的方法。研究人员开发了一套系统，通过调整3×3支撑矩阵的高度，使用传感器（sensor）进行测量和电机（motor）进行定位来控制支撑精度。实验采用1/2和1/3比例缩尺实验装置。虽然实验证实了自动控制操作以及在曲面上浇筑混凝土的可行性，但也揭示了全尺寸实际应用中的挑战。具体而言，1/3比例的最大误差为27.8 mm，1/2比例的最大误差为112.2 mm，这归因于连接节点（joint）相关的问题。这些发现表明，未来的全尺寸实施需要进行修正。
本研究针对复杂曲面钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）结构施工中模板制作依赖高技能工匠、劳动密集且效率低下的问题，提出一种基于计算机控制垂直致动器（vertical actuator）支撑上层木板弯曲变形（bending deformation）的自由曲面成形方法。当前，尽管三维（3D）建模软件使复杂形状设计变得便捷，但现场施工仍高度依赖人工技能，且熟练工匠短缺日益严峻，导致生产力瓶颈。传统曲面模板需定制化加工，成本高、材料浪费大，且难以重复利用。工厂预制的多支撑点（multi-point support）系统虽可用于面板制造，但难以直接用于大型现场整合结构。研究人员旨在开发一种可自动将设计信息转化为曲面模板、适用于大规模现场施工且无需熟练工匠的方法，并通过比例模型实验验证其可行性。
研究人员开展了1/2和1/3比例缩尺实验，主要采用以下关键技术与方法：
1. 自动控制支撑系统：开发了由Arduino Mega 2560 R3微控制器驱动的3×3支撑矩阵（9个支撑管），每个支撑配备超声波距离传感器（ultrasonic distance sensor, HC-SR04）和步进电机（stepper motor）驱动的滚珠丝杆（ball screw）线性导轨，实现基于传感器反馈的闭环垂直高度控制。
2. 比例模型构建：以日本川口市“Meguri-no-Mori”项目（2018年建成，自由曲面屋顶，面积约5100 m2）的实际曲面几何为设计目标，提取最大曲率区域作为实验目标曲面。使用轻木（balsa wood）作为梁和板材料，1/3比例采用20 mm宽×4 mm厚的轻木条，1/2比例采用30 mm宽×6 mm厚的轻木条。支撑间距参考实际工地（约900 mm），1/3比例设为600 mm×600 mm，1/2比例设为900 mm×900 mm。
3. 精度测量：使用激光扫描仪（Leica 3D Disto）测量9个支撑节点及其间中点共25个点的垂直坐标，导入Rhinoceros软件计算与设计曲面的偏差。
研究结果如下：
**1/3比例实验（第4节）**
- 通过初步实验改进支撑连接节点（3D打印接头，改为仅单方向固定，另一方向用钉子连接），避免拉伸力导致松动。
- 自动控制操作成功：支撑垂直移动至目标高度，木板弯曲形成目标曲面，未发生支撑断裂。
- 实验浇筑混凝土（使用市售预拌混凝土，无钢筋）验证了曲面浇筑可行性。
- 精度：标准偏差为12.6 mm，最大误差为27.8 mm。误差分布显示高度较低侧的点高于设计面，较高侧的点低于设计面。
**1/2比例实验（第5节）**
- 硬件升级：采用更大行程（400 mm）的滚珠丝杆（B07HL176PK），并增加L型板固定以防止弯曲力矩。
- 自动控制操作成功，无支撑倾覆现象；但手动安装木板较耗时，因曲面曲率更大。
- 精度：标准偏差为45.6 mm，最大误差为112.2 mm。精度显著下降，但未发生因弯曲应力导致的木材损坏。
**讨论部分（第6节）**
- 研究意义：本方法实现了支撑定位的自动化，区别于前人手动调节支撑高度的研究；通过弯曲现场常用木材（如杉木），结合全尺寸施工方法，具有实际应用潜力。
- 精度下降原因：比例增大导致木材变形增大，支撑节点处木材纵向位移超出设计容差（10 mm），诱发拉伸力，阻碍达到设计高度。采用简支梁挠度公式（δ = PL3/3EI）分析，表明单位长度挠度随比例增大而增大。
- 全尺寸应用展望：未来需优化节点固定方法以容许更大变形并提高精度；需验证真实混凝土浇筑荷载下的动态响应（可考虑增加锁定机构）；本方法可减少对熟练工匠的依赖（因自动化控制）并降低材料浪费（木材可在弹性范围内重复使用约3-4次）；现场可扩展性高，通过重新配置支撑组件可高效构建大面积曲面，且脱模可通过自动降低支撑安全完成。
**结论（第7节）翻译：**
本文提出了一种通过计算机控制垂直致动器支撑上层木板弯曲变形来制造自由曲面混凝土模板的方法，并通过实验验证了概念。本研究开发了一套系统，通过调整3×3支撑矩阵的高度，使用传感器测量和电机定位来控制支撑精度。实验采用1/2和1/3比例实验装置。虽然实验证实了自动控制操作以及在曲面上浇筑混凝土的可行性，但也揭示了全尺寸实际应用中的挑战。具体而言，1/3比例的最大误差为27.8 mm，1/2比例的最大误差为112.2 mm，这归因于节点相关的问题。这些发现表明，未来的全尺寸实施需要进行修正。未来研究应进一步探讨该方法对较大规模RC结构的潜在适用性，并通过全尺寸实验的实施和验证，更实证地评估自动成形带来的成本降低效果。
