张跃

[摘要]3D快速成型技术如今已被应用于多种领域并日益成熟，其多样的成型方式，丰富了产品实现的可能性，提高了生产效率，特别是在建筑景观设计领域更是有着积极的作用，它可以快速呈现出设计方案的效果，包括比例、尺度、空间感等等，或是在草图或电脑软件中一些无法直观呈现的细节；但其本身存在的一些技术瓶颈或是实际应用中的许多问题都函待解决，本项目研究结合建筑景观设计专业特点，对现有技术以及制作方法进行大胆创新，针对大型景观模型制作方面，现有设备暴露出的加工尺寸小、成本高、自动化程度低等问题的提出了解决思路与设计方案。

[关键词]3D打印；景观设计；模型制作；设计表达

随着社会各行业多样需求的不断增加，3D打印技术应用到更多的领域，特别是近些年来发展迅速，技术普及化程度越来越高，这项有着30年历史的技术逐渐变得易用和大众化。从最初的航天、医疗到现在的建筑景观、服装设计等，逐渐体现出3D打印技术应用对象的不断细分化、特色化的发展趋势。国内研发的设备在功能方面已经接近国际水平，差距则主要体现在推广和细分化服务等方面，把3D打印技术细分化，针对每个行业研发出适合其行业生产要求的不同设备，是这项技术未来的发展方向。

一、3D打印技术在建筑景观设计表达中的优势

3D打印技术在建筑景观设计表达中的具体优势有以下几个方面。

（一）小批量生产成本低

传统机械加工生产线和模具开发等加工方式都属于大批量生产方式，因其生产线或模具开发费用高昂，所以，生产产品数量越多，成本越低。与大批量生产所不同的是，3D打印的小批量加工成本会更有优势，生产一件或多件产品的价格是几乎相同的，更适合个性化定制产品、模具制作、样品展示模型以及停产稀缺零件复刻等方面。在景观设计表达中，小批量生产的优势更加明显，因为景观设计模型多为概念方案模型，设计开发周期很长，在设计过程中，方案会经过多次调整才会被最终确定，但无论调整后的样式是怎样的，我们只需打印出修改部分的模型用来替换即可，这种做法的成本很低，效率却极高。

（二）可实现复杂造型

传统的切割加工和三轴或五轴的三维雕刻机都是利用刀具进行材料的切削去除，是一种减材制造的加工方式。因为这种加工方式是从已有的零件毛坯开始，逐渐去除材料实现成型，因此，受到刀头和刀具能够达到的空间深度限制，特别是一些负角度内的细节都是无法精准加工完成的，所以，很难制造出复杂的三维空间结构以及外观造型。

3D打印技术的加工原理与传统生产方法完全不同，采用打印材料盘柱叠加的方法制造实体模型，这种逐层堆积成形技术又被称为增材制造。相对于三维雕刻加工技术，该方法是一种“自下而上”的制造方法，通过增材制造巧妙的解决的模型负角加工的难题，从零件的电子、数字化模型直接到最终产品的过程，因此，3D打印技术具备：以数字化模型直接驱动，将产品的数字化模型输入3D打印机，无论数字模型的复杂程度有多高，都能完整的、准确的“输出”最终产品模型，实现快速制造，不需要分模、修模、合模或铸造等需要大量人力来辅助完成的工序等很多提高工作效率的本质特征。

（三）多样的加工材料

相对于传统制造方法，3D打印技术可用的材料可谓是极为丰富的，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，光敏树脂、有色金属、镁铝合金、陶瓷等，甚至办公用纸都可以用做3D打印的材料。可用的材料多，决定了这项技术的适用面更广，实现的可能性更高，对于建筑景观设计表达中常用的abs、树脂、以及金属等材料，都可以直接输出为模型，而无需经过再次翻制。

（四）自动化程度高

设计师可以把所有精力都投入到具体设计环节当中。手工模型表达能力不会成为限制方案效果的重要因素，无需花费更多时间去掌握制作工艺（板材折弯、曲面连接等）与材料加工特性（材料强度、粘合特性等）。只需在计算机相关软件中完成数字模型的建立并直接输入打印机生成模型即可，生产样品模型的周期也将变的极为迅速，只需数小时就能将设计方案转化为样品展示模型，模型表达效果更准确的同时缩短了项目周期，提高了工作效率。

二、3D打印技术在建筑景观设计表达中的应用

下文是笔者所在的建筑景观设计工作室应用3D打印技术在实际项目中辅助设计分析的案例。

（一）存心善堂古建筑保护项目

广东省汕头市存心善堂作为一个民间的慈善机构，是潮汕地区最有影响力的慈善机构，始建于清光绪二十五年，现位于汕头市外马路。始创人胶蚤伯赵进华（约1851至1921年）是在汕头打工的潮阳人，他从潮阳棉安善堂请来宋大峰祖师木雕像供奉于祠堂，并大力发扬宋大峰祖师行善積德的精神。汕头慈善总会存心善堂福利会于2003年7月1日经市民政局社团登记，作为汕头慈善总会分支机构，在汕头市北海旁直路115号成立了汕头市慈善总会存心善堂福利会，并在汕头市金韩路五横10号设立分堂——金韩敬师堂和汕头市外路57号设立存心外马联络处，作为内设机构。

由于存心善堂主体建筑年代久远，并在发展过程中经过了几次大规模的修整工程，所以，建筑数据只能以现有的手绘图纸作为参考。我们运用计算机结合三维扫描仪、无人机等现代科技手段，对建筑主体、铺装以及结构细节进行了全面的测绘，并制作数字模型文件，后导入3D打印机，制作尺寸为长110cm×宽110cm×高约13cm的立体分析模型，模型以存心善堂的两座建筑为中心，向建筑四周延展的其他建筑，包括树木以及道路设施都一同打印制作完成，除存心善堂的两座建筑为精细打印并上色之外，其余建筑均为模块化灰色处理。主要建筑与周边环境的关系一目了然，主次分明。运用3D打印技术制作的仿真模型精确程度高，逼真还原，为后续的修复工作和分析研究提供了直观与精准的参考。

（二）云南省昆明市瑞升科技园二期建筑与景观规划

云南省昆明市瑞升科技园二期项目为一栋三层建筑，建筑周边为城市街道和相邻厂区等较低矮的建筑，在规划模块的比例上来说，是一个占地面积大，但较低、扁平的片状。我们为三层主体建筑加入了绿色节能的设计理念，用大量的铝合金型材做出建筑外立面肌理效果，这样的肌理效果对于模型制作来说意味着超大的工作量和较高的精细标准，传统的加工制作方法显然不适合用在此处。我们从建筑施工图的数据出发建立数字模型文件，由3D打印机制作完成分析模型，全过程仅用了40余小时，高效完成了设计任务，由于在投标会上提供了比效果图、建筑施工图更为直观的比例模型，顺利中标。

三、3D打印技术在建筑景观设计表达中的创新

当今市场中销售的3D成型设备都是所谓的“全能”成型机，什么造型都能做，但什么造型都无法做到游刃有余，3D成型设备应根据实际使用情况的不同，做出有针对性的、专业性极强的细分产品。所以，建筑景观设计也应该根据本专业自身特点以及具体使用要求，寻求适合的成型设备。

当今市场主流的3D打印机的打印尺寸约为：长gocm、宽gocm、高45cm。而通过上文中的实际应用案例，我们了解到，建筑景观设计表达的对象多数是宽大幅面的场景效果，需要的长度和宽度更大，但加工高度却不需要很高，所以，我们结合建筑景观专业的实际需求，针对现有机器的瓶颈问题，提出了增加3D打印机的工作范围，降低工作高度，获得更好稳定性的解决办法——超宽幅面3D打印机，我们把打印机长度的工作极限增加到160cm，宽度增加到120cm，高度保持在45cm，既最大程度的满足建筑景观设计专业需求，又降低了设备的重心，使其在物理结构方面已经具备了很好的稳定性，进而提高打印的精确度，提高工作效率。

机器具体参数和设计思路：

材料方面：选用PLA（聚乳酸），由玉米和木薯等植物组合而成的，植物经过多道工序提炼出淀粉，经微生物发酵成乳酸，再聚合成聚乳酸，其特点是较于常用的ABS材料更环保熔点更低，更易于成型。

硬件方面：采用半開源驱动板，在优化部分参数的同时保证了系统的稳定性，对后期的升级留有余地；采用触摸屏控制及显示设备工作信息，操作直观，节省实体按钮等零件成本，便于外观的设计；采用外挂驱动形式驱动步进电机，使工作幅面增加十倍，降低设备工作产生的噪音，增加设备工作的稳定性；采用远程近端双路攻丝模式；采用底盘与z轴协同调平，增加了设备精度，降低了设备调平难度。

经优化后，设备的最大打印幅面可达120cm×160cm×60cm，完全适合景观设计表达中模型制作的实际需求。

四、结语

3D打印技术的普及给每个行业带来了新的思路，而不同学科也应该与时俱进，寻求适用于其专业需求的科技设备。我们针对建筑景观设计研发的超宽幅面3D打印机就是一个很好的例子，就好比穿着一双专业足球鞋走在马路上，感觉一定是不舒服的，但足球场才是它真正的舞台，只有在那里才能体会到它的专业性能，这是穿普通鞋去踢足球所不能体会的，也是无法办到的。所谓“工欲善其事，必先利其器”，任何行业或学科都应该拥有适合自身发展要求的专业工具，它代表着一个行业或学科具备了发展的条件并且走向成熟。