供稿人：赵汗霖、王富 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术国家重点实验室 发布日期：2025-05-12
在全球建筑行业面临资源效率与碳排放双重挑战的背景下，混凝土结构的优化设计与数字化制造成为重要突破口。传统实心楼板占据了建筑中50%-60%的混凝土用量，而肋形楼板虽能显著降低材料需求，但其复杂几何形状依赖人工模板，导致成本高昂且难以推广。针对这一矛盾，德国亚琛工业大学的研究团队提出了一种多模态自动化制造技术，结合机器人浇筑、3D混凝土打印（3DCP）与碳纤维增强聚合物（CFRP）集成工艺，成功开发出轻量化、高承载的肋形混凝土天花板系统，为可持续建造提供了新路径。
CFRP作为一种高性能复合材料，因其抗拉强度高、无需防锈保护层的特点，成为替代传统钢筋的理想选择。通过减少混凝土保护层厚度，CFRP可实现构件截面的进一步优化，同时支持复杂几何形状的“力流导向”设计。然而，如何在3D打印过程中实现CFRP增强材料的精准集成，尤其是剪切钢筋的自动化布置，一直是技术难点。
图1 （左）所使用的CFRP剪切加固示例；（右）CFRP剪切加固策略：(1) 未处理的剪切加固，(2) 未处理的剪切加固并额外集成横向纤维，(3) 经过砂涂处理的剪切加固
研究团队创新性地设计了模块化生产流程，将肋形结构分解为柱-板连接模块（SCCM）和柱间支撑条模块（SSM）。制造过程通过双机械臂协同作业完成：一台机械臂负责3D打印与浇筑，另一台专用于CFRP网格的抓取与定位。
图2 3D打印设施双机械臂协同作业场景
图3 数字化多模态制造流程示意图，(1)模板打印、(2)CFRP集成、(3)底板浇筑、(4)肋条打印、(5)模块组装
具体流程分为五步，如图3所示：首先打印底板模板及支撑结构；随后自动嵌入预制的T型或L型CFRP剪切增强网格；接着浇筑底板混凝土；然后沿网格边缘3D打印肋条；最终通过后张法组装模块。这一流程不仅摆脱了对传统模板的依赖，还实现了高精度、自由曲面的结构制造。
为评估多模态制造技术的结构性能，团队开展了小尺度T型梁与大尺度楼板模块的系列实验。小尺度T型梁测试聚焦剪切行为，对比了三种CFRP增强策略：未处理网格、横向纤维束增强网格及砂面处理网格。四点弯曲测试（TB1）中，未处理CFRP梁（TB1-P1）因混凝土分裂失效，承载力仅为69.7 kN；砂面处理梁（TB1-P3）则因粘结性能改善，失效模式转为混凝土压溃，承载力达82.6 kN；而添加横向纤维束的梁（TB1-P2）承载力提升至111.5 kN，呈现混合失效模式。与传统浇筑梁相比，多模态制造梁的承载力为其70%，但裂纹数量显著减少，表明打印层间粘结良好。
图4 TB1系列T型梁的失效模式对比(上)及四点弯曲测试结果(下)，（左）载荷-变形行为；（中）剪切加固的载荷-滑移行为；（右）拉伸区和压缩区的载荷-伸长行为
大尺度楼板模块（SCCM）测试模拟实际荷载条件，验证了CFRP增强肋形结构的整体性能。横向纤维束增强模块（SCCM-P2）表现出最优承载力，达547.2 kN，远超砂面处理模块的429.6 kN。失效分析显示，荷载通过肋条剪切与混凝土压溃分散，未出现典型冲剪破坏，证明CFRP网格有效提升了结构韧性。进一步的实际应用模拟表明，在模拟六米跨度楼板荷载（205 kN）下，模块安全系数达1.65，满足工程要求。
图5 SCCM模块的荷载-变形曲线及与T型梁的归一化对比
图6 SCCM模块的裂纹分布与失效模式
多模态自动化制造技术可减少40%-50%的混凝土用量，同时实现复杂几何结构的精准成型。然而，当前技术仍面临一些问题：横向增强纤维的全自动集成工艺尚不成熟，需进一步开发专用机械臂终端执行器；CFRP-混凝土界面在湿热环境下的性能衰减需进一步评估等。
未来，研究团队计划将模块化设计扩展至双向受力场景（如SSM模块），并探索打印混凝土与CFRP界面的长期耐久性。随着工艺标准化与规模化应用的推进，这一技术有望成为建筑行业低碳转型的核心驱动力，推动智能建造从实验室走向真实工程场景。