快速原型在建筑模型中的應用研究

段康容

（西南科技大學工程技術中心，四川 綿陽 621010）

0 引言

一個好的建筑物實體模型對公司競標時贏得項目具有重要的作用，同時建筑模型制作也是建筑設計課程的重要教學內容之一。目前建筑模型的制作基本上還是傳統的手工方式,無法制作復雜的曲面外形等。手工制作過程大致如下：首先模型制作者閱讀圖紙和熟悉圖紙,為了搞清設計者意圖和要求,必須弄清建筑平面和各立面的關系、各層平面與各立面凹凸的增減關系,構思設計和擬定制作方案;然后采用ABS塑料、有機玻璃板、紙、草等材料配以鉤刀、手術刀、銼刀、砂紙、鑷子、空壓機、噴槍等手工工具進行制作。其制作速度慢、成本高，難以滿足急需模型的加工,并且對制作人員的要求也較高,需具備一定的藝術素養和相應的加工操作技術。隨著勞動力成本的提高,加工成本也越來越高;同時，設計與制作存在脫節。一方面,由于建筑設計者一般不是自己親手制作模型,而是由專門的模型制作師進行制作,這就造成模型制作師往往難以完全領略設計師的意圖,另一方面,使得設計師也不能及時地根據模型的滿意程度進行修改設計。

隨著快速原型技術應用的成熟，快速原型技術慢慢深入到了各行各業的新奇產品開發，其應用的廣泛性，也被譽為第三次工業革命的領航者。快速原型技術運用于建筑模型的制造可以有效地克服上述傳統制作模式的局限。

1 快速原型技術基本原理

快速原型(Rapid Prototyping,RP)技術是20世紀90年代發展起來的，集機械工程、CAD、反求工程技術、數控技術和新材料等技術最新成果為一體的零件原型制造技術。它不同于傳統切削加工技術中的刀具或磨具，將工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做減法，逐漸達到圖樣的技術要求，而是采用數字化方法，將離散的材料一層一層逐漸累積做加法，來達到圖樣技術的要求。由于它利用零件的CAD模型數據直接生成產品原型，因此可以方便地修改CAD模型后重新制造產品原型，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種快捷、高效、低成本的實現手段。隨著計算機技術的快速發展和三維CAD軟件應用的不斷推廣，快速成型技術已經得到廣泛應用。

2 使用快速成型技術打印建模模型的優點

由于建筑設計的日益復雜，傳統的模型制作已經不能滿足設計師的需求。在國外，快速原型技術已經成為建筑設計師不可缺失的工具。使用快速成型技術打印建模模型，可以達到以下目標：

2.1 贏得項目

贏得建筑項目雖然有很多途徑，但我們大多數時候必須自己去爭取它們。當開始一個新的項目的時，為了更好的交流，首先必須不理清自己的想法。傳統的二維圖紙數量較大，不利于思路的整理。一個三維打印模型在這點上是非常實用的。雖因為一般來說，人們需要花費大量的時間看圖紙以了解一項建筑設計。而通過平面圖紙想像出建筑的三維形象的能力卻往往需要大量的訓練和經驗才能獲得。雖然建筑的三維效果圖非常直觀但它僅僅只是作品最后的外觀照片而已，容易使建筑設計師的想法定形，反而失去了更多的改進空間。一個三維打印模型恰好可以實現在項目設計過程中實時交流想法并改進的優點，這是與客戶溝通的過程中是非常必要的。

2.2 初步設計之整體規劃

一個建筑物不可能自己矗立起來，它總是有背景的。即使它矗立在空曠的土地之上，這片土地也是它的背景。一項好的設計必然是將此考慮在內，并且對此做出處理。因此在城市初步設計階段，設計師必須充分考慮好這些。做到這點的一條非常好的途徑就是通過3D打印技術制作建筑全景式模型，比如可以隨意轉換組合的模型。這樣做的優點在于，你只需要通過不同的組合來改變設計規劃，不需要反復從頭開始。如圖1所示。

圖1 可以組合的建筑群模塊

2.3 建設細節規劃

隨著建筑項目的進度，3D模型的性質也變了。之前已經確定了初步的宏觀想法，緊接著便要優化細節了。室內設計往往涵蓋了硬件、表面材料和裝飾材料。設計師通常需要使用3D打印機制作出1：1的等比例的專門設計的室內特征模型（如圖2所示），作為向客戶展示并確認設計是否真的符合客戶心意的方式。

圖2 建筑中室內細節之一墻燈

2.4 提升教學效果

建筑模型制作作為培養學生三維空間想象力、造型設計能力和動手能力的必修課程,是師生進行方案討論、體形分析、細部推敲等過程的重要手段。學生在這一階段的學習中,一方面通過對建筑模型的空間組成分析,使學生對建筑空間得到進一步認識;另一方面通過模型的制作,能夠培養學生建筑設計的空間思維意識和方法,建立從二維的平面設計到三維的立體空間設計的思維方法的轉換。在構思的每一個階段中,建筑模型對開拓設計思維、變換設計手法、提高設計認識起著積極的作用。

3 設備選擇與建筑模型制作

目前市場上的快速原型設備的種類很多，按照工藝分類，可以分為五種：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法、三維立體打印和熔融沉積制造法。不管是哪種快速成型技術，都有其優勢所在，建筑的快速成型可以根據實際情況選擇一種或多種工藝來完成，以盡可能地仿制原物的材質、顏色和外形，再加上一定的后處理，如著色、搭建等，即可完成最接近真實的建筑模型。

在選擇成型設備的時候需要對各方面的技術參數進行綜合的考慮。

1）成型速度：快速原型設備的成型速度是選擇的一個重要的因素，目前市場所有的這類設備對于建筑模型來說都要數小時。對于上班族的建筑設計師而言，可以利用晚上通宵的時間來制作設計的模型。因此成型的速度可以不用過多的考慮。

2）成型的精度：成型的速度和精度是一對不可調和的矛盾。作為展示交流用的建筑模型來說對精度的要求一般不高，大多數的設備均能夠滿足。

3）設備分辨率：分辨率不同于精度，它決定了設備所能制造出的最小細節。因為建筑模型都是等比例縮小，所以，尺寸比較小的細節特征很有可能因為制作模型的設備的分辨率低而丟失掉，進而嚴重影響了公司的競標等。所以選擇設備的時候盡可能的選擇分辨率高的設備。目前市場上的分辨率高的設備可以達到小于0.1mm。

4）色彩：如果在制造成型的時候能一起把建筑物外表的顏色也一起呈現出來將是非常完美的設備。目前的各種工藝設備中只有三維立體打印能夠真正的實現空間不同點的不同顏色制造。然而它可以擁有的調色板還是非常有局限性的，與我們所需要的色彩有偏差。色彩相差甚遠的模型顯然是不能拿給客戶交流用。此外，在建筑設計模型上，一種顏色代表一種材料。通常我們為一個項目做出模型，之后的討論一般都是圍繞設計本身的可塑性而不是什么材料。色彩只會使我們的討論分心。所以雖然我們仍然希望彩打的功能，但是它在我們尋找合適的快速成型機的過程中還是顯得不那么重要了。

用快速原型技術制作建筑模型的步驟如下：

（1）使用三維建模軟件如3D MAX等設計建筑數字模型（如圖3所示）。設計時需要注意法線的方向、最小墻體厚度、最小細節尺寸。確定最小物體的邊界尺寸大于10mm*10mm*10mm，確保物件體積大于0.25立方厘米。

（2）導出為stl格式的文件。

（3）按樓層分層制作或者整體制作，如圖4所示。

（4）去除支撐材料。

（5）增加強度，上色等。

制作一個模型需要的設備可能不止一種，因為每種設備都有自己的優勢所在。圖5為著名建筑的旅游紀念品，其建筑基地采用熔融擠壓技術制作，建模結構使用SLS技術制作，屋頂采用3DP技術制作，多種技術發揮各自優勢，協同合作，挖掘出建筑設計領域的無限潛力。

圖3 獨棟別墅三維設計效果圖

圖4 按樓層進行快速原型制造

圖5 著名建筑的快速原型紀念品

4 結語

建筑模型是競標時取得項目與否的關鍵之一，是與客戶交流成功的保障。傳統手工制作建筑模型不僅時間周期長、成本高，而且也設計者之間存在嚴重脫節?；诳焖僭图夹g的建筑模型制作可以分樓層的、整體的進行成型，省去手工的麻煩，制作非常復雜的建筑模型，而且可以利用下班的時間讓機器自動的制造，提高制作效率和降低制作人力成本。

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