簡析3D打印在園林設計中的應用

王柄棋

摘 ? ?要：隨著園林設計理念與計算機技術的發展，當前園林設計中出現了越來越多具有曲線、非線性、有機形態的作品。這些作品在進行施工建造時常會遇到曲線部分難以建造以及施工誤差過大的問題。針對這樣的問題，在現代多學科技術背景下，3D打印很大程度上可以給出一定的優化方案。從3D打印在園林設計及施工過程的應用出發，簡析其所具有的優勢與不足。

關鍵詞：園林設計;3D打印;應用

3D打印技術又被稱為增材制造技術，是近20年來多學科技術水平發展共同作用下產生的新型先進制造技術。其基于增材制造材料可控逐點堆積的原理，逐步實現“材料——設計——制造”一體化的過程。[1]借助精準的計算機建模以及材料制造過程中的準確計算，3D打印技術能很好地控制曲面異形物體的加工成型。

隨著現代園林設計理論的發展，許多園林設計師傾向于選擇與自然場地形態關聯更為密切的有機曲線作為自己的設計語言。在這樣的設計理念之下，園林小品的形態越來越偏向于自然的非線性形態。3D打印在非線性設計的園林小品設計中擁有廣闊的應用前景。

1 ? 3D打印技術在園林設計中的優點

1.1 ? 施工精確、曲面平滑

由于3D打印的基礎是依據計算機生成的三維數據，通過程序計算進而轉換為打印頭、噴嘴或其他成型加工技術的控制方案[1]，其對于曲面構件的生產加工精度非常高，與傳統的手工成型的加工方法相比，在制造精度上有著相當大的優勢。

對于存在多階非線性曲面的園林建造而言，利用3D打印技術可以實現對園林建造構件的精準施工控制，使其擁有對自然曲面有更好的表達能力，建成效果與場地環境的呼應更加和諧，同時也更準確地表達了設計師的設計意圖。

實際應用方面，在上海科普公園，來自清華大學建筑學院的團隊利用機械臂3D打印混凝土平臺完成了世界最大的3D打印的步行橋，如圖1、2所示。橋身由諸多混凝土3D打印成型的構件拼接而成，其表面模擬水面漣漪狀的波紋造型栩栩如生，曲面塑造極其平滑，用傳統模板混凝土澆筑方法很難達到如此的效果。

1.2 ? 為園林設計提供新思路

新的生產建造技術必然會給設計者帶來新的設計思路，提供更便捷高效的設計方法。園林設計師長久以來習慣于基于傳統施工加工技術下的園林設計，設計方法也多依賴二維圖紙。3D打印技術因其對異形構件加工具有極大的優勢，為設計師提供了更多建造的可能性，在一定程度上拓寬了設計師的思想。在面對園林場地設計時，可以以一種更加整體的、積極的態度對自然空間作出回應，而不用過多地拘泥于設計能否最終實施。從而為現代園林設計提供更多的設計可能性，以更多的施工可行性推動設計可能性。

3D打印技術還為園林設計提供了更多更便捷直觀的設計方法。基于增材制造技術對三維模型的精準控制，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）建筑系LVML實驗室利用這一特點研發出一套沙盒系統來輔助設計過程，如圖3所示。

其原理是利用已有的三維場地信息數據，借助3D打印技術對目標場地進行負模的制造。然后將其倒扣在盛滿粘性可塑沙的工作臺中，將粘性沙塑造為目標場地的形狀。[3]這樣完成的場地模型有兩方面的優勢。一是由3D打印技術制作的負模十分精準，得到的場地模型準確度也很高，設計師可以在此基礎上準確地進行規劃設計。二是用粘性沙制作的場地模型易于塑性，設計師可以根據其設計自由修改地形。若設計師希望復原原始場地，其只需將負模重新倒扣即可。這樣的三維場地的呈現，比起二維圖紙對需要園林設計師處理大量復雜的場地信息而言，無疑是一種非常便捷直觀準確的設計方法。

1.3 ? 節約材料

3D打印不同于傳統的機加工減材制造，其制造生產過程是自下向上層層堆疊完成的，無需刀具或模具對原材料的加工。這樣很大程度上節約了原材料在生產過程中的損耗問題，提高了生產材料的利用率。

2 ? 3D打印技術在園林設計中的不足

2.1 ? 加工成本高

在工程實施的過程中，成本是至關重要的因素。對于3D打印應用于園林施工而言，雖然其擁有許多傳統制造工藝難以企及的優點，但在現階段施工條件下，加工成本普遍高于傳統減材制造的生產方法。其主要原因有2點：一是當前3D打印并未是一種市場上普遍推廣的生產方法，所以不論是從產業的規模化還是行業的標準化上都還處于不太完善的階段。[4]二是3D打印對生產原料的要求較苛刻，價格高于同類普通材料。以3D打印混凝土為例，為了保持混凝土在沒有內部鋼筋作為支撐時的強度要求，需要在其中加入適當比例的玻璃纖維以增強其整體的強度，而且混凝土中各類骨料的比例也需精準控制才能滿足3D打印的成型要求。

2.2 ?加工時間長

由于3D打印的原理是原材料自下而上層層堆疊而成，所以相比于模具完備的傳統制造工藝而言，在當前的加工工藝之下，其生產速度較慢。加之產業工人的熟練度不同，在使用3D打印生產時，需要充分考慮到生產效率對工程進度的影響。

2.3 ? 加工構件大小規模受限且需要二次加工

由于受到3D打印設備有效作業面大小制約，其單次可加工的構建規模有限。所以在進行大體積構件加工時，需要將目標構件分成若干個打印大小范圍內的構件，同時需要考慮到各部分構件之間的連接問題及連接后接縫處的處理，以達到理想的狀態。

此外，在園林中常見的3D打印類型為熔融沉積成型（FDM）或混凝土3D打印，這2種類型的3D打印方式使其成品表面均會有一層一層的紋理，尤其是混凝土3D打印的表面通常十分粗糙。若所需的制造成品對于表面的光滑度較高，用3D打印制作的產品必需進行表面的處理，使其滿足平整度的要求。

3 ? 結語

園林的設計以及施工過程是一個基于場地進行規劃設計再回歸落實于場地的過程[3]。3D打印作為一種新型的設計與生產技術，以其良好的非線性曲面塑造能力更好地實現了園林設計對場地的回應，給予了園林設計師從新的角度來審視園林設計，推動了園林設計及施工技術的發展。（收稿：2019-08-16）

參考文獻：

[1]李滌塵，賀健康，田小永，等.增材制造：實現宏微結構一體化制造[J].機械工程學報，2013，49（6）：129-135.

[2]Pia Fricker，Christophe Girot， Georg Munkel. How to Teach New Tools in Landscape Architecture in the Digital Overload [J].Computation and Performance，2014，（2）：546-553.

[3]馮瀟，王文韜.計算機輔助建造技術（CAM）在風景園林規劃設計階段的應用探索[J].風景園林，2016（2）：20-25.

[4]杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發展現狀[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2014，29（1）：20-24.