夯實建筑設計教學的經驗之塔

文博++葉紅雨

摘 要 在詮釋3D打印技術的概念和特點的基礎上，依據“經驗之塔”理論，認識和探索將3D打印技術應用在建筑設計課程中，并進行思考，總結其應用的意義。

關鍵詞 3D打印技術；建筑設計；經驗之塔

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）22-0049-03

2014年4月，上海某公司運用3D打印技術在24個小時的時間內建造出10幢房屋，令人驚奇的是這些建筑的墻體均是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”層層“打印”出來的。

從這條新聞中可以看到對建筑設計的幾點啟示：

1）3D打印技術在建筑行業已經開始應用；

2）10幢建筑的建造僅僅用了24個小時，這種建造方法帶來更快捷的速度；

3）“打印”出這10幢建筑墻體的材料是建筑垃圾經過加工處理后生產的“油墨”，為綠色設計提供了新型建材；

4）傳統的建造模式直接影響設計的思路，而3D打印技術的應用為建筑設計提供了更多的可能。

基于上述啟示，可以看出3D打印技術給建筑建造及設計過程帶來很多變化。站在建筑教育者的角度，有必要了解這項新技術，并且嘗試在設計教學中運用這項技術對相關課程進行改革和完善，使其為課堂服務，開發出學生無限的創造性。

1 3D打印技術的概念、特點及建筑應用

3D打印技術概念 3D打印技術即“快速成型技術”，專業名稱為“增材制造”，是將設計好的作品轉化為三維設計圖后，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來將真實物體打印建造出來。這項技術最早在1984年由美國人Charles Hull發明，當時尚處于萌芽狀態，未能正式生產和應用。經過30多年的發展，該技術逐漸在珠寶、工業設計、建筑、土木工程等各種領域得到應用[1]。

3D打印技術特點 3D打印技術最顯著的特點莫過于生產物件無需機械加工或者模具脫模，能夠直接通過設計的圖紙模型生成任何形狀的物件，與傳統的生產工藝相比，主要有以下特點。

1）材料種類多。能夠進行3D打印的材料，按物理狀態分類可以分為液體材料、薄片材料、粉末材料、絲狀材料等。按化學性能分類可分為樹脂類材料、石蠟材料、金屬材料、陶瓷材料及其復合材料等。按成型方法分類可以分為液態材料（SLA、光敏樹脂）、固態粉末（SLS；非金屬，如蠟粉、塑料粉、覆膜陶瓷粉、覆膜砂等；金屬粉，如覆膜金屬粉）、固態片材（LOM、紙、塑料、陶瓷箔、金屬鉑+粘結劑）、固態絲材（FDM、蠟絲、ABS絲、PLA絲、尼龍絲等）。由此可見，只要滿足打印條件的材料都可以用來打印，近日還出現用巧克力或奶油作為打印材料打印食物的案例。

2）打印時間短。傳統意義上對物件的生產主要是通過機械加工或者模具脫模來實現，而3D打印可以直接塑形，所以減少了大量的時間。而對于復雜的形體，3D打印更能發揮其優勢，而傳統的脫模很難實現復雜形體的塑造。

3）打印成本相對較低。3D打印成本低主要分三個方面：

一是打印材料本身的價格不高，以1 kg的國產PLA材料為例，現在市面上的售價在100元左右；

二是材料損耗小，傳統機械加工或者模具脫模方法必然有不必要的材料損耗；

三是3D打印材料多可以回收利用，現在已經出現專門的轉化機器，將已經使用過的材料重新融化拉絲生產出新的材料，這樣就充分降低了3D打印的成本。

4）自由設計的表達。3D打印技術能夠以便捷的方式制造出許多傳統加工方法無法加工出的作品，來滿足不同用戶的設計需求。尤其是一些非線性造型的表達，3D打印技術可以達到手工和傳統的技術所無法達到的精度和速度。這樣的便捷性對設計思維的表達提供了新的方式。

3D打印技術的建筑應用 3D打印技術在建筑中的應用除了上海10棟實際建筑的案例外，還有一些概念性的嘗試案例。如2011年3月，Materialse公司打印出一個微細的工廠模型，他們將植物燃氣公司Linde AC的微縮工廠縮小模型完全逼真地打印制作出來；2013年3月，荷蘭建筑師與意大利發明家合作，利用沙子和無機黏合劑打印出一個6 m×9 m的建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充；美國南加州大學工業與系統工程教授比洛克·霍什內維斯一直在研究3D打印的建造技術，目前他能夠利用這種打印技術在不到20小時的時間內建造一幢面積2500平方英尺（約232 m2）的建筑[2]。由這些案例可以看到，3D打印技術在建筑中的應用既有模型也有實物，已經貫穿了建筑從設計到建造的全過程。

2 3D打印技術在建筑設計教學中的應用可能

新的技術為教育教學帶來新的理念和方法，那么3D打印技術的應用能給建筑設計教學帶來什么？

美國教育學家埃德加·戴爾（Edgar Dale）在1946年提出“經驗之塔”教育理論，他將人們學習的經驗比作一座三層的金字塔，從塔頂到塔底分別是抽象經驗、觀察經驗和實踐經驗。所謂抽象經驗是學習者通過語言和文字等抽象符號獲取抽象知識，如閱讀以文字為主的教科書；觀察經驗是指學習者通過對真實事物的觀察而獲取的，如現場觀摩、旅行參觀、觀看動態影像等；實踐經驗是指學習者從實踐活動中獲取的學習經驗，如參與活動、制作模型等[3]。

目前的建筑設計課程，學習者完成的過程一般包括對任務書的學習、查找資料、參觀調研、完成表達。看似完成了學習過程的“經驗之塔”，但是忽略了建筑是一個實實在在的物體這一事實。由于建筑造價的昂貴，不可能在教學中完成對整棟建筑的施工過程，因此，最后的表達還是處于相對抽象的圖紙層面。雖然有時在造型推敲或者專門的模型課上，可以手工制作模型，但它不夠精確，且需要消耗大量的時間，給建筑學專業學生本就繁重的課業增加了負擔，有時甚至完成不了預期的目標。endprint

3D打印技術的出現為建筑設計課程“經驗之塔”的完善提供了可能和支撐。當今時代的建筑設計課程，尤其是高年級課程，在各種電腦軟件出現和進步的情況下，最后提交的成果多為數字化的成果，如電腦軟件的建模和電腦的出圖。3D打印為數字時代的表達提供了一個實體“建造”的可能，為設計課程的“經驗之塔”提供了觀察和實踐經驗的支撐。3D打印技術可以將學習者的數字化模型直接準確地制作出來，此過程為學習者提供了觀察的經驗；另一方面，3D打印技術為學習者在抽象的經驗和觀察經驗之后，提供了直接制作的可能，在數字化建模之后，快速準確地“建造”出自己的建筑。

3 3D打印技術在建筑設計課程中應用的探索

經過對3D打印技術在建筑設計教學中的分析，可以看出其在設計課程中的應用是很有意義的。因此在教學實踐中以興趣小組的模式做了一次模擬嘗試和探索。在一次太陽能充電站的概念性設計課上，對一組學生進行了3D打印技術的培訓，讓他們在設計中應用此技術。設計課程的內容如下。

設計背景 隨著電動車（電動自行車及混合動力汽車）的逐漸普及，中途充電成為一項困難的事情。為了解決電動車充電問題，市政部門設想用簡便的方式建造一座充電站。

設計目標 充電站面積控制在10 m2以內；外觀美觀大方，結構結實耐用。

概念基礎 此組學生的設計概念：在炎炎夏日的室外，人們最向往的地方是樹蔭，太陽能充電站以樹蔭為出發點，給人們營造舒適的休憩環境；以發芽的小樹為形態基礎，將形態轉化為充電站的形態，考慮結構與美觀。設計完成方案如圖1所示，以一顆發芽的小樹為基礎，提取小樹的形態，然后根據建筑結構的要求優化形態，再通過計算機建模，最后將建筑模型打印出來。下面可以進行進一步的深入推敲。

建模打印 此組學生將設計想法轉化為打印模型的路線過程如圖2所示。

在初步的概念想法產生之后，利用三維軟件建立設計模型，然后將模型導入轉換軟件中，將模型切片處理后，再導入3D打印服務器內，最后通過打印機打印模型（圖3）。

觀察驗證 在這樣的打印過程中，學習者可以清晰地觀察到整個造型生成的過程，在整個模型打印完畢后學習者還可以對模型進行觀察和驗證。3D打印技術為學生檢查與修正設計中的問題提供了條件。比如在此次概念設計中，學生考慮要完成整體曲線造型的概念，對柱體進行修改，把均勻圓柱體的支撐主柱改變設計為變截面柱體，縮小了柱頭的截面，但在模型中忘記了修改與柱子連接的相應構件。因此在3D打印過程后，學生對模型進行觀察，發現該區域有縫隙，柱子和葉片并沒有完全連接。

從這次僅耗時數小時的設計建模打印過程中，學生很快發現自己設計中的缺陷，對原計算機模型進行了修正，完善概念設計。而如果采用手工制作模型，僅制作過程至少就要數天，而且無法精確完成曲線的制作，更談不上去檢查驗證。

4 思考與總結

從以上課程設計中可以看出，3D打印技術在設計課程中應用是可行的，而且非常省時和便捷。在3D打印技術不斷進步、設計工具不斷更新的時代，將3D打印技術應用于建筑設計課程更是有一定意義的。

提供了更便捷和準確的造型推敲手段，為復雜模型的制作提供了可能 單體建筑物或者城市設計中的造型問題是建筑設計的一個重要部分，當今時代建筑的造型已經向著非線性的趨勢發展，手工模型的制作已不能滿足非線性復雜造型的精確表達，而3D打印技術目前可以為一些精確的模型制作提供可能。

增加了課堂的趣味性和參與性，提高了學習者的積極性，鍛煉了動手操作能力 從教育的角度來看，建筑設計比起其他專業課程是一種動手性較強的課程，學生需要得到教師大量的指導，同時能夠提升課堂的趣味性和參與性是對教師的必然要求。隨著高校的擴招和建筑專業師資有限的矛盾的不斷加深，設計課上教師和學生一對一交流的時間在逐漸縮短，很多學生可能會因此失去學習的興趣。那么，3D打印技術的應用為增加課堂的趣味性和參與性提供了新的契機，新鮮的事物以及計算機的應用能夠吸引信息時代的年輕人，提高他們的積極性，使他們能夠積極主動地參與到設計課堂上來減輕教師的壓力，并且在實際操作中鍛煉動手能力，開發建筑設計中的自主創造性。

通過接觸新技術開發學生思維和創造能力 當今時代數字化的建筑設計已經開始出現，可以想象數字化在不遠的將來即將成為建筑設計的一種重要的方式甚至主要的手段。那么將3D打印技術引入建筑設計教學中來，和BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等數字化的設計軟件對接，可以使學生接觸到最新的技術，將他們的思維和創造能力進行充分開發。

為其他基礎課程提供了教學輔助工具 縱觀整個建筑教育，除了主干的設計課程之外還有很多重要的基礎理論課，如建筑史、建筑結構、建筑構造等。在這些課程中有很多的結構形式、構造節點需要學習者去了解和掌握。在傳統的課堂上中，只能通過二維界面的圖例和教師抽象的講解使學習者去想象出具體的做法，有時學習者不能很好地通過空間想象構建出這些做法。而3D打印技術的出現可以為這些課程的教學提供便利的輔助。一方面，教師可以建模打印出這些具體的結構和構造作為課程的教具，使學生有直觀的認識，或者將打印生成過程演示給學生看；另一方面，在這些課程中還可以布置一些讓學生自己建模并打印出結果的作業，使學生獲得親自動手做的經驗，加深他們的印象。

降低了教與學的成本 建筑學專業本科階段的學制現在一般都是五年，無論是從學制還是具體的課程上，建筑學專業的學生都要付出很多的努力，尤其是設計課程，課程結束時要完成大量的圖紙繪制工作。因此對建筑學專業學生來講，需要把大量的時間和精力集中到“設計”的學習中來，而非完成最終的圖紙或作業，這一點很重要。3D打印技術的引入可為學生在模型制作時節省大量的時間成本，將他們從大量的體力勞動中解放。另外，現在的手工制作課上學生還需要購買大量的制作材料，這也增加了教學的經濟成本，而且這些材料大多是一次性的，做完模型還會剩余很多邊角料。而3D打印技術現在已經可以完成材料的重復使用，這也為教學經濟成本的節約提供了可能。

通過這次嘗試，看到3D打印技術在建筑設計教學中應用的可能。隨著時代的發展，3D打印技術也將不斷完善和成熟，將有更廣闊的應用前景。作為建筑教育者，需要不斷關注這種技術的發展狀況，不斷提高自己了解和掌握新技術的能力，嘗試將最新的技術引入到教學中來，不斷更新完善課程教學模式，使3D打印技術更好地為建筑設計教學服務。■

參考文獻

[1]李不言，楊麗.3D打印技術[J].印刷質量與標準化，

2013（5）：8-11.

[2]賀穎.當建筑裝飾遇上3D打印技術[J].商品與質量·建筑與發展，2013（9）：227.

[3]焦麗珍.神奇的“經驗之塔”：視聽教學法之理論[J].現代教育技術，2012，22（6）：126.endprint