《Journal of Building Engineering》：Lean fabrication of freeform concrete columns enabled by mechanics-guided formwork design and continuous material extrusion
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•提出了一种集成的框架，该框架包含应力场驱动的模板结构设计和自适应全局连续增材制造打印技术。•从面向增材制造的设计（DfAM）视角，全面阐述了自由曲面建筑模板的详细设计与制造流程。•在全寿命周期场景下，系统地对各种自由曲面模板制造工艺进行了多维度的成本效益分析。引言目前，全球
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提出了一种集成的框架，该框架包含应力场驱动的模板结构设计和自适应全局连续增材制造打印技术。
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从面向增材制造的设计（DfAM）视角，全面阐述了自由曲面建筑模板的详细设计与制造流程。
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在全寿命周期场景下，系统地对各种自由曲面模板制造工艺进行了多维度的成本效益分析。
引言
目前，全球混凝土年产量超过300亿吨，使其成为仅次于水的最消耗材料。尽管其隐含能耗相对较低（平均仅为0.75 MJ/kg），但混凝土的巨大消耗量产生了约占全球温室气体排放总量8%的排放量[1]、[2]、[3]。如此巨大的用量部分归因于其原材料在全球范围内的可获得性和成本效益，部分归因于模板工程的高昂成本所导致的结构构件冗余尺寸设计。在现浇混凝土结构中，模板通常占总建筑成本的30%至40%，对于楼板等特定构件，这一比例甚至高达80%[4]。因此，现有的商业模板系统严重依赖标准化、可重复使用的平面模块，极大地限制了混凝土结构的几何自由度。相反，自由曲面混凝土构件能够同时实现结构优化与建筑美学的集成，通过更高效的材料利用结构设计，有望减少混凝土用量及相关碳排放，同时突出个性化的建筑设计。近年来，增材制造（AM）技术的进步及其在建筑业中的应用，显著推动了此类高几何复杂度混凝土结构的制造。目前，基于AM的自由曲面混凝土建造方法主要分为两类：3D混凝土打印和3D打印模板。
3D混凝土打印（3DCP）技术主要包括粘结剂喷射（例如D-Shape工艺）和材料挤出（例如轮廓成形工艺）。其中，基于挤出的工艺凭借其打印效率、施工规模及力学性能方面的显著优势，已成为当前研究和应用的主流。过去十年中，已完成多项里程碑式项目。例如，万松在2015年率先开展了3D打印高层建筑，并完成了包括曲线建筑和未来迪拜办公室在内的自由曲面项目。Salet等人[5]利用3D打印空心段和预应力筋设计并建造了一座自行车桥。Bhooshan等人[6]建造了一座名为"Striatus"的拱形人行桥，其中几何优化确保了所有3D打印的混凝土块均处于纯受压状态，从而消除了内部配筋的需要。尽管取得了上述进展，3DCP的大规模应用仍面临重大挑战，主要涉及有限的结构加固方法和材料沉积引起的各向异性。目前，3DCP的主要加固方法仍为添加短纤维；然而，缺乏连续刚性增强限制了打印构件的抗弯能力[7]、[8]、[9]、[10]。此外，逐层沉积工艺固有的各向异性导致在不同加载方向下的力学响应不同。此外，研究表明短纤维的添加通常会加剧这种各向异性[11]。尽管一些研究利用钢丝和层间粘结剂来提高界面强度，但其结构性能仍无法与传统现浇混凝土结构相媲美[12]、[13]、[14]、[15]。
3D打印模板（3DPF）与几乎所有现有的增材制造工艺兼容，且材料选择范围广泛[4]。与直接3DCP相比，3DPF不仅显著提高了混凝土结构的均匀性，还允许集成传统配筋。目前关于3DPF的研究主要集中在两类：材料挤出混凝土模板（MECF）和材料挤出聚合物模板（MEPF）。在MECF空腔内浇筑钢筋混凝土，相比直接3DCP构件可获得更好的力学性能。由于脱模困难，MECF通常作为永久性模板使用，与内部混凝土共同工作。现有研究主要调查MECF与现浇混凝土之间的界面粘结[16]、[17]、[18]、[19]、[20]以及提高结构强度的可行性[21]、[22]、[23]。然而，Jipa等人[4]指出，受限于材料流变特性，MECF在建造高度、悬挑长度和最小特征尺寸方面仍面临显著的几何限制。相比之下，基于聚合物的材料挤出技术在较大建造体积与精细特征尺寸之间实现了平衡，在3DPF应用中显示出巨大潜力。对于可拆卸的MEPF，混凝土浇筑过程中的侧向静水压力是主要的结构挑战[24]。尽管增加模板壁厚可以抵抗变形，但会直接增加材料消耗。Han等人[25]指出，对于使用寿命有限的个性化构件，高昂的材料成本阻碍了MEPF的广泛应用。虽然已提出了一些创新解决方案，如支撑材料反向压力、可溶解材料和分段打印浇筑[26]、[27]、[28]、[29]，但这些方案不可避免地增加了制造复杂度。另一种方法是向MEPF添加外部加强肋，这是一种更为通用的方法，目前已用于混凝土墙板[30]、[31]、[32]。然而，对于曲率变化复杂的自由曲面混凝土柱，无论是加强肋的添加还是相应连续打印路径的规划都极其困难。
综上所述，尽管MEPF在复杂几何混凝土结构的制造中显示出潜力，但在混凝土浇筑过程中平衡成本效益与严格的变形限制仍然是一个关键挑战。为解决这一问题，我们提出了一种新型的数字设计和制造MEPF的框架。该框架根据表面应力场分布重新分配自由曲面模板结构的壁厚，并通过连续打印路径规划结合动态打印参数（DPP）实现其制造。将此设计到制造的框架与传统混凝土浇筑技术相结合，可实现复杂混凝土几何形状的经济高效建造。具体而言，本工作聚焦于三个主要方面：(1) 力学驱动的模板设计与增材制造方法；(2) 从面向增材制造的设计（DfAM）视角出发的自由曲面建筑模板综合设计到制造流程；以及(3) 不同自由曲面模板制造工艺的成本效益分析。
章节摘要
聚合物材料
本研究考虑了混凝土水化热和模板力学性能需求的潜在影响，使用两种材料制造了不同尺度的混凝土模板以进行实验验证。具体而言，采用PolyLite? PETG线材（以下简称"PETG"）通过Flsun V500熔融沉积（FFF）打印机（最大打印高度：500 mm）制造了一个300毫米高的桌面级多瓣柱模板。PolyCore? ABS-5012颗粒
桌面级MEPF的设计与制造
本节利用一系列多瓣柱模板在桌面尺度上验证了所提出的MEPF数字设计与制造框架。研究的主要目的是阐明在恒定混凝土体积和水压力头的条件下，几何形态对模板表面应力和变形分布的影响。此外，评估了所提出的应力引导变厚度设计策略的有效性。通过数值模拟和
结构与制造框架
先前的研究通过辅助措施，如支撑材料反向压力、分段打印浇筑和外部加强肋来增强MEPF的结构承载力。尽管在特定条件下有效，但这些策略可能会增加制造复杂度，且难以在曲率高度变化的自由曲面模板上实施。相比之下，本框架直接将结构需求与制造能力相结合。这种集成的
结论
本研究开发了一种面向自由曲面混凝土柱的集成力学驱动的聚合物模板设计与增材制造策略。基于面向增材制造的设计（DfAM）原则，我们提出了一种基于侧向压力分布的应力引导变厚度设计方法，从而实现变厚度自由曲面模板的连续聚合物材料挤出。结构性能通过数值进行了系统评估
CRediT作者贡献声明
Yiwei Weng： 监督、资源。Wenhao Chen： 调查研究。Lu Xiong： 监督、资源、方法论。Yuliang Feng： 软件、方法论。Liheng He： 软件、调查研究。Jiachen Li： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，验证，方法论，调查研究，数据整理，概念化。Xiaochun Luo： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，监督，资源，方法论。Nan Hu： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，
数据可用性
本文中的数据可通过向通讯作者提出合理请求后获取。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中央高校基本科研业务费（2025ZYGXZR005、2025ZYGXZR026）、广东省自然科学基金（2024A1515010157）以及建筑科学与城市省部共建国家重点实验室（2023ZA02）的资助。衷心感谢所有资助来源。
Jiachen Li|Yuliang Feng|Liheng He|Wenhao Chen|Lu Xiong|Yiwei Weng|Xiaochun Luo|Nan Hu
