文章信息：Xu, P., Zhao, P., Xia, B., Zhao, Z., Liu, N., Zhang, S., & Du, J. (2025). Reciprocal frame design for large-scale timber construction. Nature Communications, 16, 11482. https://doi.org/10.1038/s41467-025-66491-4
整理人：徐嘉苗，2025级硕士研究生
整理时间：2026年2月11日
Abstract: Timber structures are attracting increasing interest due to their sustainability, especially as reinforced concrete proves less durable and more environmentally harmful than expected. However, the availability of large-scale timber suitable for modern structural engineering remains limited. Reciprocal frames, which use small components to span large areas, offer architectural possibilities in timber construction but are constrained by limited curve adaptability and insufficient structural performance. Here, we introduce a reciprocal frame configuration that enhances morphological adaptability and structural redundancy. The design preserves the benefits of small-scale modularity and large-span capability while enabling rapid deployment, cost-efficiency, and improved structural integrity. It offers a renewable, low-cost, and flexible solution for large-scale construction.
摘要：木结构因其可持续性而受到越来越多的关注，尤其是钢筋混凝土的耐用性和环境危害远超预期。然而，适合现代结构工程的大尺度木材供应仍然有限。传统编木 互承结构利用小部件跨越大面积区域，在木结构中提供了建筑可能性，但受限于曲线适应性有限且结构性能不足。这里，我们引入一种传统编木互承结构配置，增强形态适应性和结构冗余性。该设计保留了小规模模块化和大跨度能力的优势，同时实现快速部署、成本效益和结构完整性的提升。它为大规模建筑提供了可再生、低成本且灵活的解决方案。
1. 研究背景
木材结构因其可持续性日益受到重视，但适用于现代结构工程的大尺度木材资源有限。互承框架（Reciprocal Frame， RF）作为一种利用小型构件实现大跨度覆盖的传统结构形式，在历史上已有应用，其核心机理是通过构件间的相互支承与弯矩传递实现结构增强。然而，现代RF设计为适应自由形态曲面，其构件行为从“相互增强”转变为“维持平衡”，导致结构冗余度显著降低，且其形态适应性仍然受限。因此，当代RF多应用于景观亭、小型住宅等表达性项目，而在商业、体育等大型工程中应用寥寥，逐渐被编织结构体系所取代。如何设计一种兼具高度形态适应性、充分结构冗余度及良好可建造性的新型RF配置，成为推动木结构在大尺度建设中应用的关键问题。
2. 研究意义
本研究提出了一种受传统增强型RF启发的创新配置，其意义在于：
理论层面：重新诠释并发展了RF的结构原理，将传统单向拱的增强逻辑拓展至双向曲面，在提升形态自由度的同时，恢复了结构冗余性，弥合了传统RF与当代RF在设计目标上的断层。
技术层面：建立了一个融合建筑学与结构工程的跨学科参数化设计系统，实现了从形态生成、性能仿真、多目标优化到自动化建造的全流程整合。这为复杂木结构的智能设计与数字化建造提供了方法论框架。
实践层面：该配置利用小型标准化构件实现大跨度，降低了对大型木材的依赖，提升了材料效率和施工速度，并展现出良好的可拆卸性与可重复利用性。其为大型公共建筑提供了一种可再生、低成本、灵活高效且结构性能优越的木结构解决方案，有助于推动绿色建筑与可持续建造的发展。
3. 研究方法
构型原理创新：基于传统RF节点原型，通过将垂直系统重构为包含第一、第二系统的构件集，并将同一轴向的构件重叠布置，发展出适用于双向曲面的新型RF配置，增强了曲率适应性与结构冗余。
结构拓扑优化（TOC）：采用基于等几何分析的边界罚函数法，对不同矢高的壳体进行优化。结果表明正交布置能显著提升传力效率，从而确定了构件按90度正交排列的宏观构型原则。
参数化形态生成（PMG）算法：在Grasshopper平台开发算法，通过输入目标曲面、构件截面尺寸与框架单元间距等参数，自动生成全局框架几何模型，并量化了构型参数与最大允许曲率的关系。
参数化结构仿真（PSS）算法：基于有限元分析，评估在不同构型参数与荷载组合下框架的结构性能，并精细计算了构件交错处的截面损失。
跨学科性能评价与多目标优化：建立了涵盖建筑（空间占用率V、材料用量M、构型效率α/β）与结构（最大位移Tf、最大拉/压力Ft/Fn）的指标体系。采用人工智能代理模型替代耗时的FEA，高效拟合设计变量与多目标间的函数关系，并利用遗传算法进行多目标优化，为初期设计提供定量指导。
实验验证：通过3D打印制作1:30缩尺模型，对壳体、双曲抛物面及自由曲面三种形态进行中心受压试验，验证其承载力，并将实验结果与FEA模拟进行对比校正。
自动化建造系统：整合参数化节点生成（PNG）算法、CNC数控加工与机器人组装。通过算法管理节点连接设计，定义“由中心向外、先X轴后Y轴”的组装规则，并利用数字孪生技术指导机械臂在人机协作下完成自动装配，验证了快速部署的可行性。
4. 研究主要结论
形态适应性：提出的RF配置能有效适应建筑领域中各种包含正负曲率变化的自由曲面，其最大允许曲率显著超越当代RF系统。
结构性能：在相同形态与位移条件下，该配置的结构承载力显著优于当代RF配置和主流木格栅框架。在壳体形态下，其性能分别为后两者的1.41倍和1.61倍；在双曲抛物面下，性能接近后两者的两倍。
材料与空间效率：在宏观统计对比中，该配置在同等材料用量下，平均结构位移比当代RF低32.26%；在同等空间占用下，平均结构位移比当代RF低79.22%。同时，其平均材料用量比当代配置减少约33.13%，展示了更高的材料效率。
施工效率：通过CNC加工与机器人组装，构件加工时间大幅缩短，整体组装效率达到约9.1分钟/平方米，远快于当代木格栅结构（30-60分钟/平方米）和RF配置（常超过1小时/平方米）。
结构冗余与可拆装性：得益于增强型互承原理，该配置在单个或多个构件缺失时仍能保持显著承载力，并支持快速拆卸与更换，体现了良好的结构鲁棒性与灵活性。
5. 研究展望
本研究基于缩尺模型与数值模拟取得了可信结论，但尚未解决尺度效应这一潜在问题。在实际工程中，构件尺寸的增大会可能改变力学响应、裂纹扩展路径与能量耗散机制，从而影响整体的承载性能与鲁棒性。因此，未来的研究工作应包含大尺度试件测试或现场实验，以进一步验证和完善该体系在实际工程尺度下的适用性与可靠性。
6. 研究主要图表：
01 互承框架的多样类型及其构造特征
02 新互承构型的构造设计
03 新互承构型的形态适应性分析
04 AI代理优化方法与结果
05 基于实测数据的新互承构型性能论证
06 基于大样本模拟的新互承构型性能分析
07 数字化加工与机器人装配工作流
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66491-4
原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/5Hd1aKqtFKR_L6rcjgu8Jg
