本文將現(xiàn)有的纖維纏繞工藝分為芯模纖維纏繞、無芯纖維纏繞和空間纖維纏繞。

1.1 芯模纖維纏繞

芯模纖維纏繞（Filament Winding，F(xiàn)W) 可分為傳統(tǒng)的纖維纏繞和機(jī)器人纖維纏繞。在傳統(tǒng)的纖維纏繞工藝中，纖維束通過樹脂浴缸后，利用控制輸送裝置的速度和芯模的轉(zhuǎn)速來牽引浸漬狀態(tài)的纖維束，使其以不同的角度纏繞在芯模上，之后浸漬后的纖維會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和溫度條件下固化，從而形成纖維纏繞制品。傳統(tǒng)纖維纏繞工藝的原理圖如圖 1 所示，其中包括線軸架、樹脂浴缸和芯模等。

機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)的特點(diǎn)是以傳統(tǒng)纖維纏繞技術(shù)為基礎(chǔ)，使用工業(yè)機(jī)器人來完成纖維纏繞。機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)主要由芯模、放線裝置、工業(yè)機(jī)器人及輔助設(shè)備組成。機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)采用多自由度的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)芯模或放線裝置等進(jìn)行纖維纏繞，可分為兩種主要工作模式。一種是通過機(jī)械臂牽引纖維使其能夠纏繞固定在機(jī)床旋轉(zhuǎn)設(shè)備的芯模上；另一種是機(jī)械臂末端連接芯模，通過機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)芯模，使纖維從纖維放線裝置中牽扯出并纏繞在芯模上，如圖2所示。

無芯纖維纏繞（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯圖加特大學(xué)的計(jì)算設(shè)計(jì)研究所（ICD) 和建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究所（ITKE) 結(jié)合工程方法和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)首次合作開發(fā)。這種新穎的機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)是一種不需要芯模的建造方式，通常使用定制的鋼框架（或腳手架）作為支撐，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求在這些鋼框架（或腳手架）上布置錨點(diǎn)。如圖3所示，無芯纖維纏繞的設(shè)備主要由工業(yè)機(jī)器人圖 3（a）和預(yù)制框架圖 3（b）組成。在建造過程中，機(jī)器人末端執(zhí)行器牽扯經(jīng)過樹脂浸漬的纖維長絲，然后按照既定的纖維纏繞語法和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃路徑不斷圍繞框架進(jìn)行纖維纏繞動(dòng)作；纖維材料隨著機(jī)器人末端執(zhí)行器在兩錨點(diǎn)之間來回移動(dòng)和自由跨越，并在錨點(diǎn)處形成纏繞節(jié)點(diǎn)；在一層一層地重復(fù)堆疊和鋪設(shè)纖維層后，最終形成具有多層纖維外殼的結(jié)構(gòu)；待浸漬狀態(tài)的纖維固化后拆除框架（或腳手架），完成纖維纏繞構(gòu)件的制造。

無芯纖維纏繞基于將纖維纏繞在預(yù)制框架的錨點(diǎn)上，以錨點(diǎn)為纏繞的節(jié)點(diǎn)，而空間纖維纏繞（Spatial Filament Winding，SFW) 則是在無芯纖維纏繞的基礎(chǔ)上，增加了纖維在空間中的纏繞。空間纖維纏繞通過將一根纖維纏繞在另一根纖維上的方式，使纖維之間的纏繞形成節(jié)點(diǎn)，如圖 4 所示。

無芯纖維纏繞通過纖維分層纏繞的方式實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的建造，但各纖維的相互作用僅限于各纖維之間的表面接觸。空間纖維纏繞擴(kuò)展了纏繞節(jié)點(diǎn)的概念，通過將各根纖維纏繞，創(chuàng)建具有多纖維相互作用的纏繞節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步減少了對(duì)框架的依賴，從而可以創(chuàng)建具有多個(gè)空間纏繞點(diǎn)、大跨度的構(gòu)件。空間纖維纏繞要求纖維在編織過程中能夠在空間中自由移動(dòng)，因此需要多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作和建造。如圖 5 所示，一種空間纖維纏繞的設(shè)備主要包括工業(yè)機(jī)器人和可移動(dòng)的龍門架，龍門架上安裝有附帶錨點(diǎn)的剛性框架。空間纖維纏繞工藝在同一框架內(nèi)可以創(chuàng)建各種幾何形狀形成多個(gè)纏繞節(jié)點(diǎn)，并引入了多步驟固化工藝，可以迭代制造連續(xù)的大型空間框架結(jié)構(gòu)。

2 纖維纏繞建造技術(shù)

由于無芯纖維纏繞技術(shù)舍棄了傳統(tǒng)纖維纏繞所需的昂貴芯模，與傳統(tǒng)的纖維纏繞技術(shù)相比，其釋放了芯模原本占據(jù)的空間，具有應(yīng)用到大尺寸建筑及其構(gòu)件上的潛力。因此，國內(nèi)外的一些學(xué)者也開始利用無芯纖維纏繞技術(shù)建造大跨度的建筑結(jié)構(gòu)。本文將應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的無芯纖維纏繞技術(shù)定義為纖維纏繞建造技術(shù)。其主要面向?qū)嶋H的建筑工程領(lǐng)域，旨在利用無芯纖維纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸的纖維纏繞建筑及其構(gòu)件的快速、精確和自動(dòng)化建造。纖維纏繞建造系統(tǒng)主要包括纏繞材料系統(tǒng)、綜合計(jì)算系統(tǒng)和自主建造機(jī)器人系統(tǒng)，其結(jié)合了土木工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械裝備及數(shù)控技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)。

纖維纏繞建造技術(shù)的基本原理為：纖維纏繞建造技術(shù)以無芯纖維纏繞技術(shù)為基礎(chǔ)，通過綜合設(shè)計(jì)與計(jì)算生成纖維纏繞路徑規(guī)劃方案，采用建模手段對(duì)纖維纏繞建造過程進(jìn)行虛擬仿真和纖維纏繞結(jié)構(gòu)的性能計(jì)算，并根據(jù)仿真模擬結(jié)果對(duì)纖維纏繞路徑進(jìn)行優(yōu)化和迭代，同時(shí)將優(yōu)化后的纖維纏繞路徑生成指令控制機(jī)器人進(jìn)行纖維纏繞和編織，最終實(shí)現(xiàn)纖維纏繞結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建造。纖維纏繞建造技術(shù)采用仿真模擬和原型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過采用不同的纏繞材料和調(diào)整纖維鋪設(shè)層的密度，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的裝配式或整體式纖維纏繞結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建造，具有快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)化的建造特點(diǎn)。

最為典型的纖維纏繞建造技術(shù)的應(yīng)用是德國斯圖加特大學(xué) ICD/ ITKE 主導(dǎo)開發(fā)并不斷持續(xù)發(fā)展的無芯纖維纏繞研究項(xiàng)目。自 2012 年以來，ICD/ITKE 在輕質(zhì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，討論了建筑結(jié)構(gòu)新的設(shè)計(jì)策略和建造方法——無芯纖維纏繞技術(shù)，同時(shí)對(duì)其展開了持續(xù)的研究，重點(diǎn)關(guān)注纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建筑的綜合計(jì)算設(shè)計(jì)以及模擬和建造工藝，并將纖維纏繞建造技術(shù)成功應(yīng)用到了多個(gè)研究項(xiàng)目中。

纖維材料作為纏繞的原材料，對(duì)后續(xù)建造的纏繞建筑結(jié)構(gòu)的外觀和性能有著非常重要的影響。纖維纏繞建筑結(jié)構(gòu)通常是以碳纖維纏繞層為纏繞建造結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)，承受主要的荷載，彌補(bǔ)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足的缺陷。而玻璃纖維纏繞層為纏繞建筑結(jié)構(gòu)的外殼，并作為碳纖維纏繞的支撐層。

由樹脂基體與玻璃纖維、碳纖維等傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維結(jié)合而成的復(fù)合材料具有良好的性能，并在纖維纏繞建筑結(jié)構(gòu)中得到了大量使用。然而，其不可降解且不易回收利用而引起環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的問題愈發(fā)突出。在纖維材料體系中，天然植物纖維具有來源廣泛、價(jià)格低廉、對(duì)加工設(shè)備磨損小、環(huán)保可再生等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有強(qiáng)度高、模量大、質(zhì)硬、耐摩擦、耐水泡等優(yōu)異性能，在新型復(fù)合材料領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。因此，一些學(xué)者也提出了利用天然植物纖維（如棉、麻、竹、木纖維等）作為纖維纏繞建造的原材料，旨在實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保的可持續(xù)建造。

常用的纖維纏繞建造機(jī)械設(shè)備組合包括機(jī)械臂及能夠適應(yīng)纖維纏繞需求的末端執(zhí)行器、纏繞框架等。不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求可能需要確定不同的建造設(shè)備，如圖 3 和圖 6 所示。纖維纏繞建造由于面向大型的建筑工程領(lǐng)域，故一般采用大型的工業(yè)機(jī)器人作為主要的纏繞工具，如 KUKA 機(jī)械臂。常見的工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)包括：機(jī)械臂、控制系統(tǒng)及手持操作編程器。同時(shí)，纖維纏繞建造需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。

機(jī)器人無芯纖維纏繞裝置如圖6所示，包括：①工業(yè)機(jī)器人；②紗架；③纖維張力機(jī)構(gòu)；④機(jī)器人末端執(zhí)行器；⑤卷繞架；⑥連續(xù)鋼管；⑦定位器；⑧H型鋼梁；⑨玻璃纖維；⑩碳纖維。纏繞框架上一般會(huì)設(shè)計(jì)錨點(diǎn)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)不同的承載要求來設(shè)計(jì)不同的錨點(diǎn)數(shù)量，如圖7（a）~（b）所示。纏繞框架的曲線可細(xì)分為足夠數(shù)量的錨點(diǎn)作為纖維材料固定和纏繞的節(jié)點(diǎn)，在纖維材料固化成型后再將框架拆除。此外，纏繞框架底部有時(shí)還會(huì)配置旋轉(zhuǎn)底盤。當(dāng)完成結(jié)構(gòu)一側(cè)的纏繞時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)框架能夠使固定的機(jī)械臂繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)另一側(cè)的纖維纏繞，從而在有限的工作范圍內(nèi)完成整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建造，進(jìn)一步提高了機(jī)械臂的靈活性。

近年來，建筑領(lǐng)域機(jī)器人建造的迅速發(fā)展為建筑設(shè)計(jì)和施工開辟了新的可能性。建筑機(jī)器人和纖維纏繞等技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的纖維纏繞建造新技術(shù)，通過采用以往不可行的工藝技術(shù)和材料，在建筑領(lǐng)域中成功地應(yīng)用了纖維纏繞建造技術(shù)。

ICD/ITKE 展亭 2012 受仿生學(xué)原理啟發(fā)，將節(jié)肢動(dòng)物外骨骼中的差異化纖維排列原理應(yīng)用到纖維纏繞建造中，探索了制造過程中纖維相互作用的數(shù)字模擬以及碳纖維和玻璃纖維的離散化，以實(shí)現(xiàn)不同的剛度梯度，如圖 14 所示。ICD/ ITKE 展亭 2012 作為纖維纏繞建造技術(shù)應(yīng)用的第一個(gè)研究項(xiàng)目，展示了纖維纏繞建造技術(shù)創(chuàng)建輕量級(jí)結(jié)構(gòu)的巨大潛力。

為克服機(jī)器人裝置的工作空間的限制，ICD和ITKE 將可以進(jìn)行遠(yuǎn)程工作的無人機(jī)與作業(yè)范圍有限的工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，提出了一種利用自主無人機(jī)和工業(yè)機(jī)器人建造大跨度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多機(jī)協(xié)同建造系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)纏繞纖維的牽引、拉緊和纏繞，而無人機(jī)在兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人不能工作的范圍攜帶著纏繞纖維沿著模具進(jìn)行傳遞，擴(kuò)展了機(jī)器人的操作區(qū)域，輔助兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人完成大跨度結(jié)構(gòu)的纏繞編織，如圖 15（a）~（b）所示。該結(jié)構(gòu)表明，可以通過協(xié)作的多機(jī)纖維纏繞建造技術(shù)，建造出一種能抵抗局部屈曲的堅(jiān)固薄壁結(jié)構(gòu)，適合大跨度結(jié)構(gòu)和建筑的應(yīng)用。

斯圖加特大學(xué) ICD 和 ITKE 以鞘翅的形態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)，探討了結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、制造和形態(tài)發(fā)生原理的綜合計(jì)算設(shè)計(jì)方法的框架，對(duì)集成設(shè)計(jì)和數(shù)字化建造工藝進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)利用纖維纏繞建造技術(shù)設(shè)計(jì)，且成功建造出了模塊化的部件，并將其組裝，形成了 ICD/ITKE 展亭 2013-14和 Elytra 展亭，如圖 16 所示。

從 2019 年到 2021 年，ICD 和 ITKE 陸續(xù)設(shè)計(jì)和建造了三個(gè)纖維纏繞建造項(xiàng)目，分別是 BUGA 纖維展館、纖維纏繞建造技術(shù)的研究與展望Maison 纖維展館和 Liv Mat S 展館。同時(shí)，這三個(gè)項(xiàng)目的研究目標(biāo)截然不同，從高性能大跨度到混合建筑系統(tǒng)，再到替代纖維材料。這三個(gè)展館都是基于纖維纏繞組件裝配的建筑結(jié)構(gòu)，均采用了數(shù)值模擬和原型構(gòu)件力學(xué)測試雙重模擬的測試方法來證明建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

Andreas G?bert 等開展了旨在使用可持續(xù)纖維替代品的 3D Wood Wind 工藝。其利用連續(xù)的薄木板條作為纖維纏繞工藝中的纖維材料。該團(tuán)隊(duì)使用粘合劑和纖維組成的材料系統(tǒng)，開發(fā)了纖維布局的計(jì)算設(shè)計(jì)方法和機(jī)器人制造方法，成功制造了中空的輕質(zhì)部件。該團(tuán)隊(duì)還通過幾個(gè)制造案例研究展示了 3D Wood Wind制造能力，為建筑行業(yè)中的可能應(yīng)用和未來的研究提供可能性，如建筑和結(jié)構(gòu)組件、家具、柱子、橫梁、樓板或立面組件等可能的應(yīng)用，如圖 20 所示。

本文通過對(duì)纖維纏繞工藝的介紹，尤其是對(duì)纖維纏繞建造的基本原理、材料系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)及其主要應(yīng)用進(jìn)行了梳理和歸納，得到了如下三個(gè)結(jié)論。

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有的纖維纏繞建造方法及其應(yīng)用，無不體現(xiàn)了其在建筑領(lǐng)域上的潛力和適應(yīng)性。部分學(xué)者和機(jī)構(gòu)雖然也取得了一定的研究結(jié)果，但仍然存在著一些問題，包括材料、機(jī)械、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬等方面的問題和挑戰(zhàn)。針對(duì)未來纖維纏繞建造的研究，本文提出以下幾個(gè)研究思路和展望。

雖然目前纖維纏繞建造技術(shù)可通過自主建造機(jī)器人實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建造，但其智能化程度還有待提高。如固定的工業(yè)機(jī)器人相對(duì)于可移動(dòng)的機(jī)器人靈活性較差，采用多機(jī)協(xié)同建造是未來纖維纏繞智能建造發(fā)展的方向之一。此外，大部分有關(guān)纖維纏繞建造的研究沒有涉及建造過程及運(yùn)營階段的監(jiān)測，因此，有必要結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測手段和可視化方法對(duì)纖維纏繞結(jié)構(gòu)的建造過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及纖維纏繞結(jié)構(gòu)的生命周期評(píng)估。

大多數(shù)有關(guān)纖維纏繞建造的研究所用的材料還是以玻璃纖維和碳纖維為主，而其不可降解且不易回收利用的特點(diǎn)容易引起環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題。因此，在后續(xù)纖維纏繞建造的研究中，研究者需要關(guān)注纖維材料的回收再利用。植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在新型復(fù)合材料領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。應(yīng)用植物纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)增強(qiáng)纖維用于纖維纏繞建造技術(shù)，可在保證結(jié)構(gòu)性能要求的基礎(chǔ)上有效緩解環(huán)境破壞和資源危機(jī)。

目前，纖維纏繞建造尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)方面基本處于空白。因此，為了使纖維纏繞建造技術(shù)的應(yīng)用成熟化，研究制定一整套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)判體系是必要的，包括材料性能標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和結(jié)構(gòu)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等。

現(xiàn)在，大多數(shù)纖維纏繞建造的應(yīng)用僅局限于觀賞性建筑，距離真正應(yīng)用服務(wù)于人類生活的纖維纏繞建筑還有較大的差距。因此，研究者需要擴(kuò)展纖維纏繞建筑的應(yīng)用場景，使其不再局限于觀賞藝術(shù)類建筑，同時(shí)，這也提高了建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要更加精確的設(shè)計(jì)和模擬，以促進(jìn)該技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

參考資料

[1]李雄彬,周燕,周誠.纖維纏繞建造技術(shù)的研究與展望[J].土木建筑工程信息技術(shù),2024,16(02):1-11.DOI:10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2024.02.01.