拓扑优化是一种计算机设计方法，能够帮助工程师在设计梁体时减少混凝土和钢材的用量。但这类工具生成的复杂形状往往过于繁复或成本高昂，难以浇筑到传统的刚性模具中。目前已建成的少数案例大多依赖专用设备，比如混凝土3D打印机或机械雕刻模具，而这些设备在新建工程需求增长最快的地区却往往遥不可及。
如今，麻省理工学院的工程师们证明，高效梁体可以利用一种更易获取的材料来浇筑——缝制织物。在发表于《建筑工程期刊》的一篇论文中，研究团队通过自动化图案设计工艺，设计并建造了一根长3米（约10英尺）的测试梁，所用模具为织物材质。与设计承重相同的传统梁相比，这根优化后的梁体混凝土用量约为传统梁的三分之一，钢筋用量则约为一半。测试结果显示，其实际响应与团队计算机模型预测结果的偏差仅约2%。
织物模板施工法，即将混凝土浇筑进纺织材料制成的模具中，多年来一直被用于制造深度变化的梁体，以替代建筑中常见的矩形梁。但由于织物在湿混凝土重量下会发生变形，这种柔性特质使得最终形状难以预测。
“关键的认知突破在于，这种柔性并非仅仅是一个需要克服的局限；只要配合恰当的计算图案设计，它反而可以成为生成优化结构形式的一种手段，”土木工程专业吉尔伯特·W·温斯洛（1937届）职业发展副教授、该研究的资深作者约瑟芬·卡斯滕森说道。
与木质或钢制模具相比，织物模具还具有成本低、重量轻、速度快的优势。“你可以在异地把模板缝制好，打包装箱，然后轻松运到施工现场，”该研究的合著者、2025届博士杰克逊·朱伊特说，“我们开玩笑说，我们正在打造建筑行业的H&M。”
材料更省，碳排更低
水泥生产约占人类活动碳排放量的8%。
“这项工作主要通过降低材料需求来应对混凝土的气候影响，”卡斯滕森说，“水泥生产的碳密集度很高，因此减少混凝土用量是建筑脱碳的重要一环。”
新建工程发生的地点同样重要。预计到2050年，全球建筑数量将接近翻倍，其中约85%的增长将发生在发展中国家，而这些地区获取先进施工设备的渠道往往有限。卡斯滕森表示，正因如此，团队才将重点放在了一种易于获取、注重成本的制造方法上。
梁体设计过程
混凝土抗压强度高，但抗拉强度弱，因此需要用能够承受拉力的钢材来加固。研究人员首先利用一种名为图解静力学的方法规划钢筋路径，该方法几乎可以即时生成结构设计方案。他们借此确定钢筋的形状，使其在整个长度上均匀承担相同比例的荷载，从而让加固结构保持足够简单，便于施工人员制作。拓扑优化虽然运算速度较慢，但能够自由布置材料，因此被用来确定混凝土的必要位置，以及可以从对结构性能贡献较小的区域移除材料的位置。
“这两种方法各有所长，因此我们尝试将二者的优势结合到一套统一的方法中，”朱伊特说。
最终设计出的梁体包括一个顶部截面、狭窄的斜向支腿，以及一个用于放置钢筋的薄底部截面。团队的自动化流程将三维梁体设计转化为可裁剪缝制成模具的平面织物构件，并充分考虑了混凝土浇筑后织物会发生的变形情况。一个简单的木质框架支撑起了最终制成的织物模具。
见证梁体成型
对于该研究的第一作者、2026届理科硕士马克·赫尔里希来说，实际操作中的主要挑战在于调配混凝土的配比。编织棉布会让水分渗出，因此配比过稀的混凝土会在模具中流失水分，同时也会对织物施加更大压力，使其偏离预定形状。
团队使用了一种湿度适中、富含沙质、仅含少量小石子的配比，以便混凝土能够顺畅流经梁体狭窄的斜向支腿和薄底部截面，而不会卡滞。随后他们用手工将混凝土填入模具，逐层捣实，并从外部对织物进行敲打和揉压。
“这正是模具柔性优势体现的地方：你可以通过相互连通的通道推动混凝土流动，而无需使用振捣器，而这种形状的刚性模具则必须依赖振捣器，”赫尔里希说。混凝土振捣器是一种工具，通常用于在刚性模具中震出新浇混凝土内的气泡。
混凝土浇筑完成后，浸湿的织物呈现出了梁体的最终形状。“三根梁体都没有出现褶皱或折痕，”赫尔里希说。顶部表面与设计方案基本吻合，主要差异体现在底部出现了轻微下垂，斜向支腿也略微向内折曲。
寻找合适的织物模具
为了确定梁体所需的缝制精度，团队针对同一设计制作了三副模具，分别由36片、56片和76片织物构件缝制而成。通过对比浇筑成型梁体的三维扫描结果与目标设计，研究人员发现，接缝越多，细节控制越精细，但这并不一定意味着梁体整体形状的准确度会相应提高。
“更多的接缝能够改善局部控制，因为它们将织物划分为更小、约束性更强的面板。但更复杂的图案也意味着需要对齐更多构件、缝合更长的接缝，因此在裁剪、缝纫和组装过程中产生的微小误差，可能会在整个模具上累积，”卡斯滕森解释道。
由56片构件组成的模具展现出了最佳的平衡效果，既能捕捉重要的设计几何形状，又不会像最复杂的图案那样带来额外的时间、精力消耗及潜在误差。
随后，研究人员对其中一根梁体进行了荷载测试，逐步在其上堆叠36个装满水的水桶，加载至其设计荷载约30%的水平，以模拟日常使用状态下的受力情况。梁体底面悬挂着带重物的测量线，连接至下方的精密测量仪表，用于跟踪梁体在加载和卸载过程中的弯曲程度。测试显示，在梁体中心位置，实测的挠度——即荷载作用下的向下位移——与计算机模型预测结果的偏差仅约2%。
现实应用中的定位
团队还比较了单根织物成型梁与传统梁的成本，发现建造地点的差异会带来截然不同的结果。在全球南方地区，由于材料成本相对人工成本更高，三种织物版本的梁体均比传统梁更便宜，成本可节省约10%至20%。而在全球北方地区，较高的缝纫人工成本则扭转了这一优势，使织物版本的成本反而比传统梁高出约16%至55%。
这些发现表明，织物模板法最适用于那些定制形状的混凝土构件，尤其是单件生产或小批量生产的情况，例如外露梁体、屋顶或大跨度框架、人行结构以及景观构件等。而对于大多数建筑中常见的重复性矩形梁而言，在人工成本较高的地区，传统的可重复使用模具仍是更为经济的选择。
“要开始实施，建造者只需要目标构件的数字图案、一台缝纫机、合适的织物，以及一个简单的木质支撑框架，”卡斯滕森说，“这比机器人制造、混凝土3D打印或数控铣削模具所需的设备门槛要低得多。”
研究人员将这根3米长的梁体描述为一次概念验证，其跨度相当于一个短建筑跨距。朱伊特指出，相较于团队此前项目中建造的1.2米长梁体，这已是一次巨大的进步。
卡斯滕森指出，建造更大尺寸的梁体并非简单地放大设计方案。随着梁体长度增加，其自身重量及对织物模具施加的压力也会随之变化，因此更大尺寸的梁体需要全新的设计方案。卡斯滕森表示，下一步计划是“对多根梁体进行破坏性测试”。
“这些优化方法的优点在于，它们生成的结构形态看起来十分自然，”朱伊特说，“这些几何形态清晰地表达出了力在结构系统中的传递方式，其中蕴含着一种优雅之美。这不禁让人思考，为什么我们不以这种方式来设计所有的结构。”
与卡斯滕森、朱伊特及赫尔里希共同完成这篇论文的合著者，还包括来自波士顿大学计算机科学系的阿比尼特·萨蒂、爱德华·陈以及艾米丽·惠廷。
该研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。
