3D打印技術在建筑景觀設計表達中的應用與創(chuàng)新

張躍

[摘要]3D快速成型技術如今已被應用于多種領域并日益成熟，其多樣的成型方式，豐富了產(chǎn)品實現(xiàn)的可能性，提高了生產(chǎn)效率，特別是在建筑景觀設計領域更是有著積極的作用，它可以快速呈現(xiàn)出設計方案的效果，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法直觀呈現(xiàn)的細節(jié)；但其本身存在的一些技術瓶頸或是實際應用中的許多問題都函待解決，本項目研究結(jié)合建筑景觀設計專業(yè)特點，對現(xiàn)有技術以及制作方法進行大膽創(chuàng)新，針對大型景觀模型制作方面，現(xiàn)有設備暴露出的加工尺寸小、成本高、自動化程度低等問題的提出了解決思路與設計方案。

[關鍵詞]3D打??；景觀設計；模型制作；設計表達

隨著社會各行業(yè)多樣需求的不斷增加，3D打印技術應用到更多的領域，特別是近些年來發(fā)展迅速，技術普及化程度越來越高，這項有著30年歷史的技術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、服裝設計等，逐漸體現(xiàn)出3D打印技術應用對象的不斷細分化、特色化的發(fā)展趨勢。國內(nèi)研發(fā)的設備在功能方面已經(jīng)接近國際水平，差距則主要體現(xiàn)在推廣和細分化服務等方面，把3D打印技術細分化，針對每個行業(yè)研發(fā)出適合其行業(yè)生產(chǎn)要求的不同設備，是這項技術未來的發(fā)展方向。

一、3D打印技術在建筑景觀設計表達中的優(yōu)勢

3D打印技術在建筑景觀設計表達中的具體優(yōu)勢有以下幾個方面。

（一）小批量生產(chǎn)成本低

傳統(tǒng)機械加工生產(chǎn)線和模具開發(fā)等加工方式都屬于大批量生產(chǎn)方式，因其生產(chǎn)線或模具開發(fā)費用高昂，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更有優(yōu)勢，生產(chǎn)一件或多件產(chǎn)品的價格是幾乎相同的，更適合個性化定制產(chǎn)品、模具制作、樣品展示模型以及停產(chǎn)稀缺零件復刻等方面。在景觀設計表達中，小批量生產(chǎn)的優(yōu)勢更加明顯，因為景觀設計模型多為概念方案模型，設計開發(fā)周期很長，在設計過程中，方案會經(jīng)過多次調(diào)整才會被最終確定，但無論調(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替換即可，這種做法的成本很低，效率卻極高。

（二）可實現(xiàn)復雜造型

傳統(tǒng)的切割加工和三軸或五軸的三維雕刻機都是利用刀具進行材料的切削去除，是一種減材制造的加工方式。因為這種加工方式是從已有的零件毛坯開始，逐漸去除材料實現(xiàn)成型，因此，受到刀頭和刀具能夠達到的空間深度限制，特別是一些負角度內(nèi)的細節(jié)都是無法精準加工完成的，所以，很難制造出復雜的三維空間結(jié)構(gòu)以及外觀造型。

3D打印技術的加工原理與傳統(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體模型，這種逐層堆積成形技術又被稱為增材制造。相對于三維雕刻加工技術，該方法是一種“自下而上”的制造方法，通過增材制造巧妙的解決的模型負角加工的難題，從零件的電子、數(shù)字化模型直接到最終產(chǎn)品的過程，因此，3D打印技術具備：以數(shù)字化模型直接驅(qū)動，將產(chǎn)品的數(shù)字化模型輸入3D打印機，無論數(shù)字模型的復雜程度有多高，都能完整的、準確的“輸出”最終產(chǎn)品模型，實現(xiàn)快速制造，不需要分模、修模、合?；蜩T造等需要大量人力來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

相對于傳統(tǒng)制造方法，3D打印技術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?？捎玫牟牧隙?，決定了這項技術的適用面更廣，實現(xiàn)的可能性更高，對于建筑景觀設計表達中常用的abs、樹脂、以及金屬等材料，都可以直接輸出為模型，而無需經(jīng)過再次翻制。

（四）自動化程度高

設計師可以把所有精力都投入到具體設計環(huán)節(jié)當中。手工模型表達能力不會成為限制方案效果的重要因素，無需花費更多時間去掌握制作工藝（板材折彎、曲面連接等）與材料加工特性（材料強度、粘合特性等）。只需在計算機相關軟件中完成數(shù)字模型的建立并直接輸入打印機生成模型即可，生產(chǎn)樣品模型的周期也將變的極為迅速，只需數(shù)小時就能將設計方案轉(zhuǎn)化為樣品展示模型，模型表達效果更準確的同時縮短了項目周期，提高了工作效率。

二、3D打印技術在建筑景觀設計表達中的應用

下文是筆者所在的建筑景觀設計工作室應用3D打印技術在實際項目中輔助設計分析的案例。

（一）存心善堂古建筑保護項目

廣東省汕頭市存心善堂作為一個民間的慈善機構(gòu)，是潮汕地區(qū)最有影響力的慈善機構(gòu)，始建于清光緒二十五年，現(xiàn)位于汕頭市外馬路。始創(chuàng)人膠蚤伯趙進華（約1851至1921年）是在汕頭打工的潮陽人，他從潮陽棉安善堂請來宋大峰祖師木雕像供奉于祠堂，并大力發(fā)揚宋大峰祖師行善積德的精神。汕頭慈善總會存心善堂福利會于2003年7月1日經(jīng)市民政局社團登記，作為汕頭慈善總會分支機構(gòu)，在汕頭市北海旁直路115號成立了汕頭市慈善總會存心善堂福利會，并在汕頭市金韓路五橫10號設立分堂——金韓敬師堂和汕頭市外路57號設立存心外馬聯(lián)絡處，作為內(nèi)設機構(gòu)。

由于存心善堂主體建筑年代久遠，并在發(fā)展過程中經(jīng)過了幾次大規(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。我們運用計算機結(jié)合三維掃描儀、無人機等現(xiàn)代科技手段，對建筑主體、鋪裝以及結(jié)構(gòu)細節(jié)進行了全面的測繪，并制作數(shù)字模型文件，后導入3D打印機，制作尺寸為長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，包括樹木以及道路設施都一同打印制作完成，除存心善堂的兩座建筑為精細打印并上色之外，其余建筑均為模塊化灰色處理。主要建筑與周邊環(huán)境的關系一目了然，主次分明。運用3D打印技術制作的仿真模型精確程度高，逼真還原，為后續(xù)的修復工作和分析研究提供了直觀與精準的參考。

（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)劃模塊的比例上來說，是一個占地面積大，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)能的設計理念，用大量的鋁合金型材做出建筑外立面肌理效果，這樣的肌理效果對于模型制作來說意味著超大的工作量和較高的精細標準，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打印機制作完成分析模型，全過程僅用了40余小時，高效完成了設計任務，由于在投標會上提供了比效果圖、建筑施工圖更為直觀的比例模型，順利中標。

三、3D打印技術在建筑景觀設計表達中的創(chuàng)新

當今市場中銷售的3D成型設備都是所謂的“全能”成型機，什么造型都能做，但什么造型都無法做到游刃有余，3D成型設備應根據(jù)實際使用情況的不同，做出有針對性的、專業(yè)性極強的細分產(chǎn)品。所以，建筑景觀設計也應該根據(jù)本專業(yè)自身特點以及具體使用要求，尋求適合的成型設備。

當今市場主流的3D打印機的打印尺寸約為：長gocm、寬gocm、高45cm。而通過上文中的實際應用案例，我們了解到，建筑景觀設計表達的對象多數(shù)是寬大幅面的場景效果，需要的長度和寬度更大，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)的實際需求，針對現(xiàn)有機器的瓶頸問題，提出了增加3D打印機的工作范圍，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，我們把打印機長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計專業(yè)需求，又降低了設備的重心，使其在物理結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)具備了很好的穩(wěn)定性，進而提高打印的精確度，提高工作效率。

機器具體參數(shù)和設計思路：

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，其特點是較于常用的ABS材料更環(huán)保熔點更低，更易于成型。

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

經(jīng)優(yōu)化后，設備的最大打印幅面可達120cm×160cm×60cm，完全適合景觀設計表達中模型制作的實際需求。

四、結(jié)語

3D打印技術的普及給每個行業(yè)帶來了新的思路，而不同學科也應該與時俱進，尋求適用于其專業(yè)需求的科技設備。我們針對建筑景觀設計研發(fā)的超寬幅面3D打印機就是一個很好的例子，就好比穿著一雙專業(yè)足球鞋走在馬路上，感覺一定是不舒服的，但足球場才是它真正的舞臺，只有在那里才能體會到它的專業(yè)性能，這是穿普通鞋去踢足球所不能體會的，也是無法辦到的。所謂“工欲善其事，必先利其器”，任何行業(yè)或?qū)W科都應該擁有適合自身發(fā)展要求的專業(yè)工具，它代表著一個行業(yè)或?qū)W科具備了發(fā)展的條件并且走向成熟。