28、迈向自成型超材料壳体：建筑尺度双曲结构混合增材制造的计算设计工作流程

迈向自成型超材料壳体：建筑尺度双曲结构混合增材制造的计算设计工作流程

1 引言

在建筑领域，双曲壳体结构因双曲率带来的几何刚度，具有很高的材料效率。现代计算建模和模拟技术的进步，让建筑师和工程师能轻松设计出优雅且性能优良的结构。然而，传统施工技术建造双曲设计既费力，又需复杂加工或大型模板，还会产生大量废料，且施工现场依赖熟练的人工劳动和复杂的脚手架。

本研究提出了一种替代方案，通过利用材料的固有特性，将成型指令嵌入材料系统，用自成型取代传统成型方法。该结构采用混合材料系统，结合自成型木致动器和可调的 3D 打印超材料图案 (MMP) ，设计为扁平构型制造，减少 3D 成型的复杂性和多余工序，随后在现场自主成型为预设的双曲几何形状，还可通过约束结构边缘或内部部件锁定形状，防止进一步变形。

2 自成型结构相关技术

• 自成型结构的发展 ：自成型系统在材料科学和工程领域是一个不断发展的研究领域。平面晶格中的几何自成型机制已在小尺度上得到验证，预应力增强弹性膜也用于可展开元件，这些系统可扩展，但展开时需控制高应力。
• 自成型木材 ：木材以双层形式可成为产生曲率的天然致动器，它具有吸湿性和各向异性，会根据周围相对湿度、纹理方向和木材含水量改变形状。在塑造大型弯曲木材元件时，木材双层板先扁平制造，干燥时自成型。不过，实木板实现双曲率有限且难以预测，自成型木网格壳虽有研究，但设计自由度有限，自成型木致动器与 3D 打印结构结合用于单曲几何形状也有相关原型研究。
• 大规模增材制造 (LSAM) ：LSAM