快速原型在建筑模型中的應(yīng)用研究

段康容

（西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川 綿陽(yáng) 621010）

0 引言

一個(gè)好的建筑物實(shí)體模型對(duì)公司競(jìng)標(biāo)時(shí)贏得項(xiàng)目具有重要的作用，同時(shí)建筑模型制作也是建筑設(shè)計(jì)課程的重要教學(xué)內(nèi)容之一。目前建筑模型的制作基本上還是傳統(tǒng)的手工方式,無(wú)法制作復(fù)雜的曲面外形等。手工制作過(guò)程大致如下：首先模型制作者閱讀圖紙和熟悉圖紙,為了搞清設(shè)計(jì)者意圖和要求,必須弄清建筑平面和各立面的關(guān)系、各層平面與各立面凹凸的增減關(guān)系,構(gòu)思設(shè)計(jì)和擬定制作方案;然后采用ABS塑料、有機(jī)玻璃板、紙、草等材料配以鉤刀、手術(shù)刀、銼刀、砂紙、鑷子、空壓機(jī)、噴槍等手工工具進(jìn)行制作。其制作速度慢、成本高，難以滿足急需模型的加工,并且對(duì)制作人員的要求也較高,需具備一定的藝術(shù)素養(yǎng)和相應(yīng)的加工操作技術(shù)。隨著勞動(dòng)力成本的提高,加工成本也越來(lái)越高;同時(shí)，設(shè)計(jì)與制作存在脫節(jié)。一方面,由于建筑設(shè)計(jì)者一般不是自己親手制作模型,而是由專門的模型制作師進(jìn)行制作,這就造成模型制作師往往難以完全領(lǐng)略設(shè)計(jì)師的意圖,另一方面,使得設(shè)計(jì)師也不能及時(shí)地根據(jù)模型的滿意程度進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

隨著快速原型技術(shù)應(yīng)用的成熟，快速原型技術(shù)慢慢深入到了各行各業(yè)的新奇產(chǎn)品開發(fā)，其應(yīng)用的廣泛性，也被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的領(lǐng)航者?？焖僭图夹g(shù)運(yùn)用于建筑模型的制造可以有效地克服上述傳統(tǒng)制作模式的局限。

1 快速原型技術(shù)基本原理

快速原型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，集機(jī)械工程、CAD、反求工程技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料等技術(shù)最新成果為一體的零件原型制造技術(shù)。它不同于傳統(tǒng)切削加工技術(shù)中的刀具或磨具，將工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做減法，逐漸達(dá)到圖樣的技術(shù)要求，而是采用數(shù)字化方法，將離散的材料一層一層逐漸累積做加法，來(lái)達(dá)到圖樣技術(shù)的要求。由于它利用零件的CAD模型數(shù)據(jù)直接生成產(chǎn)品原型，因此可以方便地修改CAD模型后重新制造產(chǎn)品原型，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種快捷、高效、低成本的實(shí)現(xiàn)手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，快速成型技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2 使用快速成型技術(shù)打印建模模型的優(yōu)點(diǎn)

由于建筑設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的模型制作已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)師的需求。在國(guó)外，快速原型技術(shù)已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)師不可缺失的工具。使用快速成型技術(shù)打印建模模型，可以達(dá)到以下目標(biāo)：

2.1 贏得項(xiàng)目

贏得建筑項(xiàng)目雖然有很多途徑，但我們大多數(shù)時(shí)候必須自己去爭(zhēng)取它們。當(dāng)開始一個(gè)新的項(xiàng)目的時(shí)，為了更好的交流，首先必須不理清自己的想法。傳統(tǒng)的二維圖紙數(shù)量較大，不利于思路的整理。一個(gè)三維打印模型在這點(diǎn)上是非常實(shí)用的。雖因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，人們需要花費(fèi)大量的時(shí)間看圖紙以了解一項(xiàng)建筑設(shè)計(jì)。而通過(guò)平面圖紙想像出建筑的三維形象的能力卻往往需要大量的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)才能獲得。雖然建筑的三維效果圖非常直觀但它僅僅只是作品最后的外觀照片而已，容易使建筑設(shè)計(jì)師的想法定形，反而失去了更多的改進(jìn)空間。一個(gè)三維打印模型恰好可以實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)時(shí)交流想法并改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，這是與客戶溝通的過(guò)程中是非常必要的。

2.2 初步設(shè)計(jì)之整體規(guī)劃

一個(gè)建筑物不可能自己矗立起來(lái)，它總是有背景的。即使它矗立在空曠的土地之上，這片土地也是它的背景。一項(xiàng)好的設(shè)計(jì)必然是將此考慮在內(nèi)，并且對(duì)此做出處理。因此在城市初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師必須充分考慮好這些。做到這點(diǎn)的一條非常好的途徑就是通過(guò)3D打印技術(shù)制作建筑全景式模型，比如可以隨意轉(zhuǎn)換組合的模型。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，你只需要通過(guò)不同的組合來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)劃，不需要反復(fù)從頭開始。如圖1所示。

圖1 可以組合的建筑群模塊

2.3 建設(shè)細(xì)節(jié)規(guī)劃

隨著建筑項(xiàng)目的進(jìn)度，3D模型的性質(zhì)也變了。之前已經(jīng)確定了初步的宏觀想法，緊接著便要優(yōu)化細(xì)節(jié)了。室內(nèi)設(shè)計(jì)往往涵蓋了硬件、表面材料和裝飾材料。設(shè)計(jì)師通常需要使用3D打印機(jī)制作出1：1的等比例的專門設(shè)計(jì)的室內(nèi)特征模型（如圖2所示），作為向客戶展示并確認(rèn)設(shè)計(jì)是否真的符合客戶心意的方式。

圖2 建筑中室內(nèi)細(xì)節(jié)之一墻燈

2.4 提升教學(xué)效果

建筑模型制作作為培養(yǎng)學(xué)生三維空間想象力、造型設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力的必修課程,是師生進(jìn)行方案討論、體形分析、細(xì)部推敲等過(guò)程的重要手段。學(xué)生在這一階段的學(xué)習(xí)中,一方面通過(guò)對(duì)建筑模型的空間組成分析,使學(xué)生對(duì)建筑空間得到進(jìn)一步認(rèn)識(shí);另一方面通過(guò)模型的制作,能夠培養(yǎng)學(xué)生建筑設(shè)計(jì)的空間思維意識(shí)和方法,建立從二維的平面設(shè)計(jì)到三維的立體空間設(shè)計(jì)的思維方法的轉(zhuǎn)換。在構(gòu)思的每一個(gè)階段中,建筑模型對(duì)開拓設(shè)計(jì)思維、變換設(shè)計(jì)手法、提高設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)起著積極的作用。

3 設(shè)備選擇與建筑模型制作

目前市場(chǎng)上的快速原型設(shè)備的種類很多，按照工藝分類，可以分為五種：光固化成型法、分層實(shí)體制造法、選擇性激光燒結(jié)法、三維立體打印和熔融沉積制造法。不管是哪種快速成型技術(shù)，都有其優(yōu)勢(shì)所在，建筑的快速成型可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一種或多種工藝來(lái)完成，以盡可能地仿制原物的材質(zhì)、顏色和外形，再加上一定的后處理，如著色、搭建等，即可完成最接近真實(shí)的建筑模型。

在選擇成型設(shè)備的時(shí)候需要對(duì)各方面的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合的考慮。

1）成型速度：快速原型設(shè)備的成型速度是選擇的一個(gè)重要的因素，目前市場(chǎng)所有的這類設(shè)備對(duì)于建筑模型來(lái)說(shuō)都要數(shù)小時(shí)。對(duì)于上班族的建筑設(shè)計(jì)師而言，可以利用晚上通宵的時(shí)間來(lái)制作設(shè)計(jì)的模型。因此成型的速度可以不用過(guò)多的考慮。

2）成型的精度：成型的速度和精度是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。作為展示交流用的建筑模型來(lái)說(shuō)對(duì)精度的要求一般不高，大多數(shù)的設(shè)備均能夠滿足。

3）設(shè)備分辨率：分辨率不同于精度，它決定了設(shè)備所能制造出的最小細(xì)節(jié)。因?yàn)榻ㄖＰ投际堑缺壤s小，所以，尺寸比較小的細(xì)節(jié)特征很有可能因?yàn)橹谱髂Ｐ偷脑O(shè)備的分辨率低而丟失掉，進(jìn)而嚴(yán)重影響了公司的競(jìng)標(biāo)等。所以選擇設(shè)備的時(shí)候盡可能的選擇分辨率高的設(shè)備。目前市場(chǎng)上的分辨率高的設(shè)備可以達(dá)到小于0.1mm。

4）色彩：如果在制造成型的時(shí)候能一起把建筑物外表的顏色也一起呈現(xiàn)出來(lái)將是非常完美的設(shè)備。目前的各種工藝設(shè)備中只有三維立體打印能夠真正的實(shí)現(xiàn)空間不同點(diǎn)的不同顏色制造。然而它可以擁有的調(diào)色板還是非常有局限性的，與我們所需要的色彩有偏差。色彩相差甚遠(yuǎn)的模型顯然是不能拿給客戶交流用。此外，在建筑設(shè)計(jì)模型上，一種顏色代表一種材料。通常我們?yōu)橐粋€(gè)項(xiàng)目做出模型，之后的討論一般都是圍繞設(shè)計(jì)本身的可塑性而不是什么材料。色彩只會(huì)使我們的討論分心。所以雖然我們?nèi)匀幌Ｍ蚀虻墓δ?，但是它在我們尋找合適的快速成型機(jī)的過(guò)程中還是顯得不那么重要了。

用快速原型技術(shù)制作建筑模型的步驟如下：

（1）使用三維建模軟件如3D MAX等設(shè)計(jì)建筑數(shù)字模型（如圖3所示）。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意法線的方向、最小墻體厚度、最小細(xì)節(jié)尺寸。確定最小物體的邊界尺寸大于10mm*10mm*10mm，確保物件體積大于0.25立方厘米。

（2）導(dǎo)出為stl格式的文件。

（3）按樓層分層制作或者整體制作，如圖4所示。

（4）去除支撐材料。

（5）增加強(qiáng)度，上色等。

制作一個(gè)模型需要的設(shè)備可能不止一種，因?yàn)槊糠N設(shè)備都有自己的優(yōu)勢(shì)所在。圖5為著名建筑的旅游紀(jì)念品，其建筑基地采用熔融擠壓技術(shù)制作，建模結(jié)構(gòu)使用SLS技術(shù)制作，屋頂采用3DP技術(shù)制作，多種技術(shù)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，協(xié)同合作，挖掘出建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的無(wú)限潛力。

圖3 獨(dú)棟別墅三維設(shè)計(jì)效果圖

圖4 按樓層進(jìn)行快速原型制造

圖5 著名建筑的快速原型紀(jì)念品

4 結(jié)語(yǔ)

建筑模型是競(jìng)標(biāo)時(shí)取得項(xiàng)目與否的關(guān)鍵之一，是與客戶交流成功的保障。傳統(tǒng)手工制作建筑模型不僅時(shí)間周期長(zhǎng)、成本高，而且也設(shè)計(jì)者之間存在嚴(yán)重脫節(jié)。基于快速原型技術(shù)的建筑模型制作可以分樓層的、整體的進(jìn)行成型，省去手工的麻煩，制作非常復(fù)雜的建筑模型，而且可以利用下班的時(shí)間讓機(jī)器自動(dòng)的制造，提高制作效率和降低制作人力成本。

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