《COMPOSITE STRUCTURES》：A Comprehensive Review of Design Methods for Self-shaping Structures with Bending-active Fiber-reinforced Polymer Components
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•弯曲活性建筑材料、节点与支撑形式及施工方法。•自成型实现的形态推求与逆向方法。•FRP蠕变理论、模型及试验方法，以确保长期弯曲可靠性。•全球弯曲活性结构案例的详细介绍。引言曲线构件和曲面因其独特的空间美感和力学性能，一直是土木工程中不可或缺的要素，同时也是关键技术难题。图1
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弯曲活性建筑材料、节点与支撑形式及施工方法。
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自成型实现的形态推求与逆向方法。
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FRP蠕变理论、模型及试验方法，以确保长期弯曲可靠性。
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全球弯曲活性结构案例的详细介绍。
引言
曲线构件和曲面因其独特的空间美感和力学性能，一直是土木工程中不可或缺的要素，同时也是关键技术难题。图1展示了一些典型案例，包括地下支护系统、地上自由形态空间结构以及地外自展开结构。目前，这些构件和结构的施工主要依赖两种方法：现浇和预制技术。前者成本较低且适应性强，但存在养护周期长、易产生缺陷及碳排放高等问题。后者建造周期短、质量一致性好且碳排放较低，但面临复杂形状构件运输易损、物流效率低及运输成本高等挑战。
为解决传统施工方法的固有局限性，弯曲活性概念提供了一种有前景的替代方案。该概念最早由著名德国建筑师和结构工程师弗里·奥托在曼海姆多厅（德国）施工期间提出。它通常用于描述曲梁或曲板，其几何形状源自初始直线构件的弹性变形[4]。该方法使细长构件可在弹性范围内紧凑运输至施工现场，从而有效解决预制构件的运输难题[5]。图2展示了一个弯曲活性施工过程的典型案例，其中优化的弹性变形实现了自由形态空间结构，同时兼顾施工效率与运输经济性。
自成型是指预制构件通过预编程的内应力或环境触发的驱动作用，从平面或直形堆放状态自主形变为目标几何形状的过程，无需人工塑形或额外模板。结合这一概念，预制构件可在现场成型为建筑师设想的几乎任何所需几何形状，原则上完全依靠现场弯曲实现[5]。基于自成型概念的弯曲活性结构设计需要掌握形态推求和逆向形态推求方法。结构形态推求是指在给定的材料属性、构件长度、截面、边界条件和荷载条件下计算变形的过程。而逆向形态推求则是根据结构形状和外部荷载条件反算刚度（即截面）。
由于主动弯曲会在构件内引入相当大的内应力，需关注蠕变等问题，尤其是纤维增强聚合物（FRP）。基体树脂占FRP体积的20%～60%，在力学上表现出粘弹性行为[6]。因此，FRP的力学行为具有时间和温度依赖性，这意味着在长期服役过程中将经历拉伸和弯曲蠕变。
本文以弯曲活性和自成型概念为基础，通过以下关键贡献系统地梳理了研究进展：
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弯曲活性施工过程需要具有优异弹性、韧性和刚度的材料，以保证变形后仍能维持弹性行为，使FRP（主要为玻璃纤维FRP（GFRP）、碳纤维FRP（CFRP）和天然FRP（NFRP））以及某些木材（如橡木）成为特别合适的选择，在第2节中有详细论述。同时，对弯曲活性系统的节点与支撑形式以及施工方法也进行了全面总结。
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由于结构形态推求属于成熟的研究领域，第3节对该领域的物理、几何和数值方法进行了全面综述。此外，也讨论了相对欠发达的逆向形态推求方法，如分段计算和机器学习技术。
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鉴于FRP蠕变行为对结构长期性能的关键影响，第4节对FRP蠕变的机理、影响因素及试验方法进行了深入分析。
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为 bridging 理论研究与实际应用，第5节展示了全球弯曲活性建筑项目的综合目录，记录了这些项目的关键方面，包括材料选择、结构形式、形态推求方法、施工方法等。
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第6节提出了基于自成型概念的弯曲活性结构当前的研究空白和未来有前景的研究方向。
章节摘要
弯曲活性结构：从材料到施工方法
弯曲活性施工涉及在现场将直线构件弹性地弯曲成曲线形状，这对材料性能有严格要求，如第1节所述。由此产生的初始内应力需要精心设计的节点和支撑。在这些节点和支撑中，成形过程中选择性地释放自由度，随后完全约束。此外，支撑系统还应能够承受较大的水平反力。
形态推求方法
结构形态推求是指在给定刚度、边界条件和荷载条件下计算构件变形的过程，可分为三类：物理方法、几何方法和数值模拟方法[50]。近年来，得益于计算机硬件和有限元分析（FEA）软件的进步，数值模拟因其低成本、参数化设计、高效和精确等优势而被广泛采用。
FRP蠕变理论与实验研究
如第1节所述，FRP的力学行为具有时间和温度依赖性。对于弯曲活性结构构件，由于固有曲率会在构件内产生显著的残余应力，全面分析其长期力学性能至关重要。因此，总结如下基本蠕变理论、影响因素和实验研究。
弯曲活性结构概览
在中国古代，主动弯曲概念常被应用于小型结构中，如乡村牲畜棚和游牧民族的蒙古包，这些结构通过将木条或竹条编织成网格状形成。在当今日常生活中，弯曲活性概念常体现在帐篷、遮阳棚和应急避难所等临时结构中。
埃森馆，第一个弯曲活性网格壳结构，由弗里·奥托为德国建筑展设计
结论
具有复杂曲面的自由形态结构具有强大的适应性和时代感，弯曲活性和自成型概念在实现这些结构方面尤为有效。因此，本文主要综述了与弯曲活性和自成型施工相关的进展，主要结论如下：
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通过引入材料评价指标，梳理了适用于主动弯曲的材料，包括GFRP、NFRP和橡木。同时，
CRediT作者贡献声明
赵嘉诚：写作——初稿撰写，可视化，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。冯鹏：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。翟宇淇：写作——初稿撰写，可视化。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家重点研发计划（2023YFB3711600）和新基石科学基金会XPLORER PRIZE的支持。
赵嘉诚|冯鹏|翟宇淇
