簡析3D打印在園林設(shè)計中的應(yīng)用

王柄棋

摘 ? ?要：隨著園林設(shè)計理念與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前園林設(shè)計中出現(xiàn)了越來越多具有曲線、非線性、有機(jī)形態(tài)的作品。這些作品在進(jìn)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(xiàn)代多學(xué)科技術(shù)背景下，3D打印很大程度上可以給出一定的優(yōu)化方案。從3D打印在園林設(shè)計及施工過程的應(yīng)用出發(fā)，簡析其所具有的優(yōu)勢與不足。

關(guān)鍵詞：園林設(shè)計;3D打印;應(yīng)用

3D打印技術(shù)又被稱為增材制造技術(shù)，是近20年來多學(xué)科技術(shù)水平發(fā)展共同作用下產(chǎn)生的新型先進(jìn)制造技術(shù)。其基于增材制造材料可控逐點堆積的原理，逐步實現(xiàn)“材料——設(shè)計——制造”一體化的過程。[1]借助精準(zhǔn)的計算機(jī)建模以及材料制造過程中的準(zhǔn)確計算，3D打印技術(shù)能很好地控制曲面異形物體的加工成型。

隨著現(xiàn)代園林設(shè)計理論的發(fā)展，許多園林設(shè)計師傾向于選擇與自然場地形態(tài)關(guān)聯(lián)更為密切的有機(jī)曲線作為自己的設(shè)計語言。在這樣的設(shè)計理念之下，園林小品的形態(tài)越來越偏向于自然的非線性形態(tài)。3D打印在非線性設(shè)計的園林小品設(shè)計中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 ? 3D打印技術(shù)在園林設(shè)計中的優(yōu)點

1.1 ? 施工精確、曲面平滑

由于3D打印的基礎(chǔ)是依據(jù)計算機(jī)生成的三維數(shù)據(jù)，通過程序計算進(jìn)而轉(zhuǎn)換為打印頭、噴嘴或其他成型加工技術(shù)的控制方案[1]，其對于曲面構(gòu)件的生產(chǎn)加工精度非常高，與傳統(tǒng)的手工成型的加工方法相比，在制造精度上有著相當(dāng)大的優(yōu)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(shù)可以實現(xiàn)對園林建造構(gòu)件的精準(zhǔn)施工控制，使其擁有對自然曲面有更好的表達(dá)能力，建成效果與場地環(huán)境的呼應(yīng)更加和諧，同時也更準(zhǔn)確地表達(dá)了設(shè)計師的設(shè)計意圖。

實際應(yīng)用方面，在上海科普公園，來自清華大學(xué)建筑學(xué)院的團(tuán)隊利用機(jī)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(gòu)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(tǒng)模板混凝土澆筑方法很難達(dá)到如此的效果。

1.2 ? 為園林設(shè)計提供新思路

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

3D打印技術(shù)還為園林設(shè)計提供了更多更便捷直觀的設(shè)計方法?；谠霾闹圃旒夹g(shù)對三維模型的精準(zhǔn)控制，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）建筑系LVML實驗室利用這一特點研發(fā)出一套沙盒系統(tǒng)來輔助設(shè)計過程，如圖3所示。

其原理是利用已有的三維場地信息數(shù)據(jù)，借助3D打印技術(shù)對目標(biāo)場地進(jìn)行負(fù)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(biāo)場地的形狀。[3]這樣完成的場地模型有兩方面的優(yōu)勢。一是由3D打印技術(shù)制作的負(fù)模十分精準(zhǔn)，得到的場地模型準(zhǔn)確度也很高，設(shè)計師可以在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。二是用粘性沙制作的場地模型易于塑性，設(shè)計師可以根據(jù)其設(shè)計自由修改地形。若設(shè)計師希望復(fù)原原始場地，其只需將負(fù)模重新倒扣即可。這樣的三維場地的呈現(xiàn)，比起二維圖紙對需要園林設(shè)計師處理大量復(fù)雜的場地信息而言，無疑是一種非常便捷直觀準(zhǔn)確的設(shè)計方法。

1.3 ? 節(jié)約材料

3D打印不同于傳統(tǒng)的機(jī)加工減材制造，其制造生產(chǎn)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(jié)約了原材料在生產(chǎn)過程中的損耗問題，提高了生產(chǎn)材料的利用率。

2 ? 3D打印技術(shù)在園林設(shè)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(guān)重要的因素。對于3D打印應(yīng)用于園林施工而言，雖然其擁有許多傳統(tǒng)制造工藝難以企及的優(yōu)點，但在現(xiàn)階段施工條件下，加工成本普遍高于傳統(tǒng)減材制造的生產(chǎn)方法。其主要原因有2點：一是當(dāng)前3D打印并未是一種市場上普遍推廣的生產(chǎn)方法，所以不論是從產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化還是行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化上都還處于不太完善的階段。[4]二是3D打印對生產(chǎn)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(nèi)部鋼筋作為支撐時的強(qiáng)度要求，需要在其中加入適當(dāng)比例的玻璃纖維以增強(qiáng)其整體的強(qiáng)度，而且混凝土中各類骨料的比例也需精準(zhǔn)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(tǒng)制造工藝而言，在當(dāng)前的加工工藝之下，其生產(chǎn)速度較慢。加之產(chǎn)業(yè)工人的熟練度不同，在使用3D打印生產(chǎn)時，需要充分考慮到生產(chǎn)效率對工程進(jìn)度的影響。

2.3 ? 加工構(gòu)件大小規(guī)模受限且需要二次加工

由于受到3D打印設(shè)備有效作業(yè)面大小制約，其單次可加工的構(gòu)建規(guī)模有限。所以在進(jìn)行大體積構(gòu)件加工時，需要將目標(biāo)構(gòu)件分成若干個打印大小范圍內(nèi)的構(gòu)件，同時需要考慮到各部分構(gòu)件之間的連接問題及連接后接縫處的處理，以達(dá)到理想的狀態(tài)。

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(chǎn)品必需進(jìn)行表面的處理，使其滿足平整度的要求。

3 ? 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]李滌塵，賀健康，田小永，等.增材制造：實現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J].機(jī)械工程學(xué)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(jī)輔助建造技術(shù)（CAM）在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計階段的應(yīng)用探索[J].風(fēng)景園林，2016（2）：20-25.

[4]杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，29（1）：20-24.