3D打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中的應(yīng)用與創(chuàng)新

張躍

[摘要]3D快速成型技術(shù)如今已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域并日益成熟，其多樣的成型方式，豐富了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可能性，提高了生產(chǎn)效率，特別是在建筑景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域更是有著積極的作用，它可以快速呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)方案的效果，包括比例、尺度、空間感等等，或是在草圖或電腦軟件中一些無(wú)法直觀呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)；但其本身存在的一些技術(shù)瓶頸或是實(shí)際應(yīng)用中的許多問(wèn)題都函待解決，本項(xiàng)目研究結(jié)合建筑景觀設(shè)計(jì)專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)以及制作方法進(jìn)行大膽創(chuàng)新，針對(duì)大型景觀模型制作方面，現(xiàn)有設(shè)備暴露出的加工尺寸小、成本高、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題的提出了解決思路與設(shè)計(jì)方案。

[關(guān)鍵詞]3D打印；景觀設(shè)計(jì)；模型制作；設(shè)計(jì)表達(dá)

隨著社會(huì)各行業(yè)多樣需求的不斷增加，3D打印技術(shù)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，特別是近些年來(lái)發(fā)展迅速，技術(shù)普及化程度越來(lái)越高，這項(xiàng)有著30年歷史的技術(shù)逐漸變得易用和大眾化。從最初的航天、醫(yī)療到現(xiàn)在的建筑景觀、服裝設(shè)計(jì)等，逐漸體現(xiàn)出3D打印技術(shù)應(yīng)用對(duì)象的不斷細(xì)分化、特色化的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)研發(fā)的設(shè)備在功能方面已經(jīng)接近國(guó)際水平，差距則主要體現(xiàn)在推廣和細(xì)分化服務(wù)等方面，把3D打印技術(shù)細(xì)分化，針對(duì)每個(gè)行業(yè)研發(fā)出適合其行業(yè)生產(chǎn)要求的不同設(shè)備，是這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

一、3D打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中的具體優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面。

（一）小批量生產(chǎn)成本低

傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)線和模具開(kāi)發(fā)等加工方式都屬于大批量生產(chǎn)方式，因其生產(chǎn)線或模具開(kāi)發(fā)費(fèi)用高昂，所以，生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量越多，成本越低。與大批量生產(chǎn)所不同的是，3D打印的小批量加工成本會(huì)更有優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)一件或多件產(chǎn)品的價(jià)格是幾乎相同的，更適合個(gè)性化定制產(chǎn)品、模具制作、樣品展示模型以及停產(chǎn)稀缺零件復(fù)刻等方面。在景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中，小批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，因?yàn)榫坝^設(shè)計(jì)模型多為概念方案模型，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，方案會(huì)經(jīng)過(guò)多次調(diào)整才會(huì)被最終確定，但無(wú)論調(diào)整后的樣式是怎樣的，我們只需打印出修改部分的模型用來(lái)替換即可，這種做法的成本很低，效率卻極高。

（二）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型

傳統(tǒng)的切割加工和三軸或五軸的三維雕刻機(jī)都是利用刀具進(jìn)行材料的切削去除，是一種減材制造的加工方式。因?yàn)檫@種加工方式是從已有的零件毛坯開(kāi)始，逐漸去除材料實(shí)現(xiàn)成型，因此，受到刀頭和刀具能夠達(dá)到的空間深度限制，特別是一些負(fù)角度內(nèi)的細(xì)節(jié)都是無(wú)法精準(zhǔn)加工完成的，所以，很難制造出復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)以及外觀造型。

3D打印技術(shù)的加工原理與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法完全不同，采用打印材料盤柱疊加的方法制造實(shí)體模型，這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱為增材制造。相對(duì)于三維雕刻加工技術(shù)，該方法是一種“自下而上”的制造方法，通過(guò)增材制造巧妙的解決的模型負(fù)角加工的難題，從零件的電子、數(shù)字化模型直接到最終產(chǎn)品的過(guò)程，因此，3D打印技術(shù)具備：以數(shù)字化模型直接驅(qū)動(dòng)，將產(chǎn)品的數(shù)字化模型輸入3D打印機(jī)，無(wú)論數(shù)字模型的復(fù)雜程度有多高，都能完整的、準(zhǔn)確的“輸出”最終產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)快速制造，不需要分模、修模、合模或鑄造等需要大量人力來(lái)輔助完成的工序等很多提高工作效率的本質(zhì)特征。

（三）多樣的加工材料

相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法，3D打印技術(shù)可用的材料可謂是極為豐富的，常用的材料有：工程塑料包括abs、pa、ep等，生物塑料包括pla、petg等，光敏樹(shù)脂、有色金屬、鎂鋁合金、陶瓷等，甚至辦公用紙都可以用做3D打印的材料。可用的材料多，決定了這項(xiàng)技術(shù)的適用面更廣，實(shí)現(xiàn)的可能性更高，對(duì)于建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中常用的abs、樹(shù)脂、以及金屬等材料，都可以直接輸出為模型，而無(wú)需經(jīng)過(guò)再次翻制。

（四）自動(dòng)化程度高

設(shè)計(jì)師可以把所有精力都投入到具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中。手工模型表達(dá)能力不會(huì)成為限制方案效果的重要因素，無(wú)需花費(fèi)更多時(shí)間去掌握制作工藝（板材折彎、曲面連接等）與材料加工特性（材料強(qiáng)度、粘合特性等）。只需在計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件中完成數(shù)字模型的建立并直接輸入打印機(jī)生成模型即可，生產(chǎn)樣品模型的周期也將變的極為迅速，只需數(shù)小時(shí)就能將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為樣品展示模型，模型表達(dá)效果更準(zhǔn)確的同時(shí)縮短了項(xiàng)目周期，提高了工作效率。

二、3D打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中的應(yīng)用

下文是筆者所在的建筑景觀設(shè)計(jì)工作室應(yīng)用3D打印技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中輔助設(shè)計(jì)分析的案例。

（一）存心善堂古建筑保護(hù)項(xiàng)目

廣東省汕頭市存心善堂作為一個(gè)民間的慈善機(jī)構(gòu)，是潮汕地區(qū)最有影響力的慈善機(jī)構(gòu)，始建于清光緒二十五年，現(xiàn)位于汕頭市外馬路。始創(chuàng)人膠蚤伯趙進(jìn)華（約1851至1921年）是在汕頭打工的潮陽(yáng)人，他從潮陽(yáng)棉安善堂請(qǐng)來(lái)宋大峰祖師木雕像供奉于祠堂，并大力發(fā)揚(yáng)宋大峰祖師行善積德的精神。汕頭慈善總會(huì)存心善堂福利會(huì)于2003年7月1日經(jīng)市民政局社團(tuán)登記，作為汕頭慈善總會(huì)分支機(jī)構(gòu)，在汕頭市北海旁直路115號(hào)成立了汕頭市慈善總會(huì)存心善堂福利會(huì)，并在汕頭市金韓路五橫10號(hào)設(shè)立分堂——金韓敬師堂和汕頭市外路57號(hào)設(shè)立存心外馬聯(lián)絡(luò)處，作為內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)。

由于存心善堂主體建筑年代久遠(yuǎn)，并在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)過(guò)了幾次大規(guī)模的修整工程，所以，建筑數(shù)據(jù)只能以現(xiàn)有的手繪圖紙作為參考。我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)結(jié)合三維掃描儀、無(wú)人機(jī)等現(xiàn)代科技手段，對(duì)建筑主體、鋪裝以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了全面的測(cè)繪，并制作數(shù)字模型文件，后導(dǎo)入3D打印機(jī)，制作尺寸為長(zhǎng)110cm×寬110cm×高約13cm的立體分析模型，模型以存心善堂的兩座建筑為中心，向建筑四周延展的其他建筑，包括樹(shù)木以及道路設(shè)施都一同打印制作完成，除存心善堂的兩座建筑為精細(xì)打印并上色之外，其余建筑均為模塊化灰色處理。主要建筑與周邊環(huán)境的關(guān)系一目了然，主次分明。運(yùn)用3D打印技術(shù)制作的仿真模型精確程度高，逼真還原，為后續(xù)的修復(fù)工作和分析研究提供了直觀與精準(zhǔn)的參考。

（二）云南省昆明市瑞升科技園二期建筑與景觀規(guī)劃

云南省昆明市瑞升科技園二期項(xiàng)目為一棟三層建筑，建筑周邊為城市街道和相鄰廠區(qū)等較低矮的建筑，在規(guī)劃模塊的比例上來(lái)說(shuō)，是一個(gè)占地面積大，但較低、扁平的片狀。我們?yōu)槿龑又黧w建筑加入了綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，用大量的鋁合金型材做出建筑外立面肌理效果，這樣的肌理效果對(duì)于模型制作來(lái)說(shuō)意味著超大的工作量和較高的精細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的加工制作方法顯然不適合用在此處。我們從建筑施工圖的數(shù)據(jù)出發(fā)建立數(shù)字模型文件，由3D打印機(jī)制作完成分析模型，全過(guò)程僅用了40余小時(shí)，高效完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，由于在投標(biāo)會(huì)上提供了比效果圖、建筑施工圖更為直觀的比例模型，順利中標(biāo)。

三、3D打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中的創(chuàng)新

當(dāng)今市場(chǎng)中銷售的3D成型設(shè)備都是所謂的“全能”成型機(jī)，什么造型都能做，但什么造型都無(wú)法做到游刃有余，3D成型設(shè)備應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況的不同，做出有針對(duì)性的、專業(yè)性極強(qiáng)的細(xì)分產(chǎn)品。所以，建筑景觀設(shè)計(jì)也應(yīng)該根據(jù)本專業(yè)自身特點(diǎn)以及具體使用要求，尋求適合的成型設(shè)備。

當(dāng)今市場(chǎng)主流的3D打印機(jī)的打印尺寸約為：長(zhǎng)gocm、寬gocm、高45cm。而通過(guò)上文中的實(shí)際應(yīng)用案例，我們了解到，建筑景觀設(shè)計(jì)表達(dá)的對(duì)象多數(shù)是寬大幅面的場(chǎng)景效果，需要的長(zhǎng)度和寬度更大，但加工高度卻不需要很高，所以，我們結(jié)合建筑景觀專業(yè)的實(shí)際需求，針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器的瓶頸問(wèn)題，提出了增加3D打印機(jī)的工作范圍，降低工作高度，獲得更好穩(wěn)定性的解決辦法——超寬幅面3D打印機(jī)，我們把打印機(jī)長(zhǎng)度的工作極限增加到160cm，寬度增加到120cm，高度保持在45cm，既最大程度的滿足建筑景觀設(shè)計(jì)專業(yè)需求，又降低了設(shè)備的重心，使其在物理結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)具備了很好的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高打印的精確度，提高工作效率。

機(jī)器具體參數(shù)和設(shè)計(jì)思路：

材料方面：選用PLA（聚乳酸），由玉米和木薯等植物組合而成的，植物經(jīng)過(guò)多道工序提煉出淀粉，經(jīng)微生物發(fā)酵成乳酸，再聚合成聚乳酸，其特點(diǎn)是較于常用的ABS材料更環(huán)保熔點(diǎn)更低，更易于成型。

硬件方面：采用半開(kāi)源驅(qū)動(dòng)板，在優(yōu)化部分參數(shù)的同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)后期的升級(jí)留有余地；采用觸摸屏控制及顯示設(shè)備工作信息，操作直觀，節(jié)省實(shí)體按鈕等零件成本，便于外觀的設(shè)計(jì)；采用外掛驅(qū)動(dòng)形式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使工作幅面增加十倍，降低設(shè)備工作產(chǎn)生的噪音，增加設(shè)備工作的穩(wěn)定性；采用遠(yuǎn)程近端雙路攻絲模式；采用底盤與z軸協(xié)同調(diào)平，增加了設(shè)備精度，降低了設(shè)備調(diào)平難度。

經(jīng)優(yōu)化后，設(shè)備的最大打印幅面可達(dá)120cm×160cm×60cm，完全適合景觀設(shè)計(jì)表達(dá)中模型制作的實(shí)際需求。

四、結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)的普及給每個(gè)行業(yè)帶來(lái)了新的思路，而不同學(xué)科也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，尋求適用于其專業(yè)需求的科技設(shè)備。我們針對(duì)建筑景觀設(shè)計(jì)研發(fā)的超寬幅面3D打印機(jī)就是一個(gè)很好的例子，就好比穿著一雙專業(yè)足球鞋走在馬路上，感覺(jué)一定是不舒服的，但足球場(chǎng)才是它真正的舞臺(tái)，只有在那里才能體會(huì)到它的專業(yè)性能，這是穿普通鞋去踢足球所不能體會(huì)的，也是無(wú)法辦到的。所謂“工欲善其事，必先利其器”，任何行業(yè)或?qū)W科都應(yīng)該擁有適合自身發(fā)展要求的專業(yè)工具，它代表著一個(gè)行業(yè)或?qū)W科具備了發(fā)展的條件并且走向成熟。