48、建筑材料成型与模拟的创新方法探索

建筑材料成型与模拟的创新方法探索

在建筑设计与制造领域，材料的性能模拟和成型方法一直是研究的重点。本文将介绍两种创新的方法，分别是基于回归的壳状拉胀结构归纳重建方法，以及陶瓷增量成型的快速无模成型方法。

拉胀结构的性能模拟与重建

拉胀材料具有独特的性能，如同步曲率、能量吸收和可变渗透性等。在材料行为模拟方面，粒子 - 弹簧系统是一种常用的方法。

粒子 - 弹簧系统模拟

粒子 - 弹簧系统由具有质量和位置的粒子通过具有刚度和静止长度的弹簧连接而成。当对粒子和弹簧网络施加外力时，每个粒子的移动会影响其他粒子，产生连锁变形，以寻找能量的平衡状态。像Kangaroo Physics这样的生成式设计软件中的物理模拟器引擎，能够快速预览几何形状在外部力作用下的物理变形，还能计算拉胀结构在相反轴方向施加张力时产生的同步曲率几何形状。不过，这种模拟过程基于迭代方法，模拟复杂模型需要大量的计算能力。

人工智能用于材料预测

机器学习算法在解决特定问题方面有着广泛的应用。对于拉胀结构的预测，通常遵循以下策略：
1. 数据集生成 ：在优化或物理模拟过程后，生成基于几何形状的数据集。
2. 神经网络架构定义与训练 ：定义人工神经网络（ANN）的架构并进行训练。
3. 输出值预测 ：使用训练好的模型预测输出值。
4. 全局几何形状重建 ：根据预测值重建全局几何形状。

线性回归（LR）模型只能预测特征与目标之间具有线性关系的特定值，而ANN模型要求目标值在一个区间内连续。深度学习算法由输入层、隐藏层和输出层组成，通过激活函数学习特征与目标之间的复杂关系，涉及前向传播和反向传播过程。

研究流程

本研究旨在构建一个清晰的工作流程，根据给定的属性预测拉胀结构的三维变形模式，并进行结构的计算重建。具体步骤如下：
1. 生成式物理模拟 ：使用一个10×10单元、每个单元为1×1单位的拉胀结构几何形状作为基础几何。将其作为刚体输入到粒子 - 弹簧（PS）物理模拟器中，四个顶点作为锚点，向量力随机改变位置和幅度。施加水平力后，每个单元的枢轴点变形并位移，通过重新定向向量法线的长度在二维中重建表面，以生成特定的三维变形并简化制造过程。
2. 数据集生成 ：分析PS模拟器中的模拟几何形状，提取全局特征（如全局变形的密切点、高斯曲率、U和V坐标的起点和终点、枢轴点的位移距离）和局部单元数据（如质心位置、U和V节点坐标、每个枢轴点的位移距离）。生成每个特征包含3000个值的数据集，定义输入特征（input_X）和输出特征（output_Y，与图案距离相关）。
3. 深度神经网络架构模型 ：进行主成分分析（PCA），了解系统全局特征与每个单元局部特征之间的相关性，选择输入特征进行模型训练并生成要预测的输出特征。经过多次迭代，构建一个由六个具有修正线性激活函数ReLU的密集层和一个具有Sigmoid激活函数的密集层组成的ANN模型，使用不同几何变形产生的数据集进行训练，训练100个周期，验证集分割比例为20%。
4. 几何形状重建 ：将预测的位移值与每个单元的四个枢轴点在x、y和z维度上关联，通过反转参数化设计过程并绕过PS模拟器重建壳状结构，同时将最终图案在二维中重新绘制，以便进行3D打印制造。

以下是数据集的一个示例表格：
| Iiteration | X_movement | Angle_1 | Angle_2 | Gaussian_curvature | Osculating_point | u_node 1 | u_node2 | V_node1 | V_node2 | Vector_angle | Pattern_disance |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| 0 | 5.083703 | 13.574596 | 13.574596 | 0.001217 | 10.81259 | 3.337135 | 3.337135 | 2.305343 | 15.106804 | 1.062343 | 2.469323 |
| 1 | 1.74068 | -15.079885 | -18.616449 | -0.000417 | 4.188744 | 1.431219 | 1.438955 | 12.831266 | 0.078778 | 1.956758 | 4.395734 |
| 2 | 5.397657 | 16.265634 | 9.192507 | 0.000811 | 11.233674 | 3.432897 | 3.444401 | 3.134234 | 15.11984 | 1.858934 | 2.377169 |
| 3 | 2.054634 | -12.388847 | -22.998538 | -0.000411 | 4.590853 | 1.555104 | 1.57966 | 13.207677 | 0.081383 | 1.497747 | 2.425326 |
| 4 | 5.711612 | 18.956672 | 4.810417 | 0.000571 | 11.735675 | 3.537905 | 3.57563 | 4.159424 | 15.207417 | 1.599719 | 2.359344 |
| 5 | 2.368589 | -9.69781 | -27.380627 | -0.000377 | 5.084956 | 1.693404 | 1.724839 | 13.51206 | 0.085329 | 1.278189 | 2.470359 |
| 6 | 6.025566 | 21.647709 | 0.428328 | 0.000529 | 12.405408 | 3.681105 | 3.716511 | 6.020141 | 15.525343 | 1.360134 | 2.361207 |
| 7 | 2.682543 | -7.006772 | 28.237283 | 0.000578 | 6.506339 | 2.10046 | 2.014346 | 11.238372 | 0.274817 | 2.215165 | 2.077381 |
| 8 | 6.33952 | 24.338747 | -3.953762 | 0.000576 | 12.81505 | 3.766593 | 3.802761 | 7.572598 | 15.565353 | 1.214877 | 2.353249 |

这个工作流程为优化和减少计算结构三维物理变形所需的计算能力提供了新的方法，还能反转设计过程，让设计师输入所需参数，在基于人工智能的设计模型中获得最优解决方案。通过应用集成材料智能工作流程开发数字原型，可以显著优化材料强度，减少设计和制造过程中的能量消耗。

陶瓷增量成型的快速无模成型方法

在建筑陶瓷组件的制造中，传统方法存在诸多挑战，如制造双曲面几何形状的组件需要大量的机器时间、材料浪费和高昂的成本。因此，提出了一种陶瓷增量成型（CIF）的快速、低成本、低浪费的方法。

研究背景

目前，建筑陶瓷面板的成型方法有陶瓷3D打印和模块化模具成型（MMF）等。陶瓷3D打印虽然减少了定制模具的需求，但对于双曲面几何形状，需要模具或脚手架，制造速度和成本较高，难以满足大规模建筑应用的工业需求。MMF使用可调节的模块化模具，结合3D打印和机器人铣削来提高表面质量，但调整模具和加工过程耗时较长，且能生产的形状在拔模角度上有限制。而单点增量成型（SPIF）是一种用于金属板材成型的无模方法，但应用于粘土材料存在挑战。

方法介绍

本研究主要包括设计和测试用于CIF的6轴机器人工作流程，具体如下：
1. 被动柔性模具 ：由于粘土板太软，无法通过夹紧固定，在没有支撑的情况下会因自重而下垂并撕裂边缘。因此，开发了一种工具策略，为软粘土板提供支撑，同时允许其自由成型。
2. 球头末端执行器设计 ：设计适合的球头末端执行器，用于对粘土板进行成型操作。
3. 刀具路径规划 ：结合材料特性和RGBD相机（RGB + 深度）数据的反馈，生成刀具路径。

通过这种方法，可以高效地制作出高精度的双曲面陶瓷建筑围护组件，减少材料浪费，无需为每个形状制作定制模具。与其他建筑无模成型方法相比，CIF在时间和材料利用上更高效，同时能实现类似的复杂度，具有进一步发展和工业应用的潜力。

综上所述，拉胀结构的模拟与重建方法以及陶瓷增量成型方法为建筑材料的设计和制造提供了新的思路和解决方案，有望在未来的建筑领域得到广泛应用。

建筑材料成型与模拟的创新方法探索

两种方法的优势与应用前景

这两种创新方法在建筑材料领域展现出了显著的优势和广阔的应用前景。

拉胀结构方法的优势与前景

拉胀结构的模拟与重建工作流程，通过结合粒子 - 弹簧系统模拟和人工智能预测，有效地解决了传统模拟方法计算量大的问题。其优势主要体现在以下几个方面：
- 计算效率提升 ：传统的粒子 - 弹簧系统模拟复杂模型时需要大量的计算资源和时间，而引入人工智能预测后，能够绕过部分复杂的物理模拟过程，大大减少了计算量，提高了设计效率。
- 设计灵活性增强 ：设计师可以输入所需的参数，在基于人工智能的设计模型中快速获得最优解决方案，实现设计过程的反转。这使得设计师能够更加自由地探索各种可能的设计方案，而不受传统计算能力的限制。
- 材料性能优化 ：通过应用集成材料智能工作流程开发数字原型，可以根据不同的设计需求优化材料的强度，减少设计和制造过程中的能量消耗，实现材料的高效利用。

在应用前景方面，拉胀结构的创新方法可以应用于各种建筑结构的设计，如大跨度空间结构、高层建筑的围护结构等。通过精确模拟拉胀结构的变形模式，可以设计出更加轻盈、坚固的建筑结构，提高建筑的安全性和可持续性。

陶瓷增量成型方法的优势与前景

陶瓷增量成型（CIF）方法针对建筑陶瓷组件制造中的难题，提出了一种快速、低成本、低浪费的解决方案。其优势主要包括：
- 成本降低 ：无需为每个形状制作定制模具，减少了模具制造的成本和时间，同时降低了材料浪费，大大降低了整体的制造成本。
- 效率提高 ：与其他建筑无模成型方法相比，CIF在时间和材料利用上更高效，能够快速制作出高精度的双曲面陶瓷建筑围护组件，满足大规模建筑应用的需求。
- 形状复杂度提升 ：能够实现类似其他方法的复杂度，甚至在某些方面具有更好的表现，为建筑设计提供了更多的可能性。

在应用前景方面，CIF方法可以广泛应用于建筑外墙、室内装饰等领域。通过制造出各种复杂形状的陶瓷组件，可以丰富建筑的外观和质感，提升建筑的艺术价值。

两种方法的对比与协同应用

为了更清晰地了解这两种方法的特点，下面通过表格进行对比：
| 方法 | 适用材料 | 主要优势 | 应用场景 | 计算需求 | 制造复杂度 |
| — | — | — | — | — | — |
| 拉胀结构模拟与重建 | 拉胀材料 | 计算效率高、设计灵活、材料性能优化 | 建筑结构设计 | 相对较低 | 较高 |
| 陶瓷增量成型 | 陶瓷材料 | 成本低、效率高、形状复杂度高 | 建筑陶瓷组件制造 | 较低 | 适中 |

虽然这两种方法针对不同的材料和应用场景，但它们也可以协同应用。例如，在设计一个具有复杂形状的建筑结构时，可以先使用拉胀结构模拟与重建方法优化结构的力学性能，然后使用陶瓷增量成型方法制造出与之匹配的陶瓷围护组件。这样可以充分发挥两种方法的优势，实现建筑设计和制造的一体化。

未来发展方向与挑战

尽管这两种创新方法具有很大的潜力，但在未来的发展中仍面临一些挑战和需要进一步探索的方向。

拉胀结构方法的未来发展

• 模型精度提升 ：虽然人工智能预测能够提高计算效率，但模型的精度还可以进一步提升。未来可以通过收集更多的数据、优化神经网络架构等方法，提高模型的预测准确性。
• 多尺度模拟 ：目前的模拟主要集中在宏观尺度，未来可以考虑开展多尺度模拟，将微观尺度的材料性能与宏观尺度的结构变形相结合，更全面地了解拉胀结构的性能。
• 与其他材料的结合 ：探索拉胀结构与其他材料的结合应用，开发出具有更优异性能的复合材料，拓展其应用领域。

陶瓷增量成型方法的未来发展

• 工艺优化 ：进一步优化CIF的工艺参数，提高成型质量和效率。例如，研究不同的球头末端执行器形状和刀具路径规划对成型效果的影响。
• 材料拓展 ：尝试将CIF方法应用于其他类型的陶瓷材料或类似材料，扩大其适用范围。
• 自动化生产 ：实现CIF过程的自动化生产，减少人工干预，提高生产的稳定性和一致性。

以下是一个mermaid流程图，展示了拉胀结构模拟与重建和陶瓷增量成型方法的协同应用流程：

graph LR
    A[建筑设计需求] --> B[拉胀结构模拟与重建]
    B --> C[优化结构力学性能]
    C --> D[陶瓷增量成型]
    D --> E[制造陶瓷围护组件]
    E --> F[建筑组装]

总之，拉胀结构的模拟与重建方法和陶瓷增量成型方法为建筑材料的设计和制造带来了新的机遇和挑战。通过不断地研究和改进，这两种方法有望在未来的建筑领域发挥更大的作用，推动建筑行业的可持续发展。