夯實建筑設(shè)計教學(xué)的經(jīng)驗之塔——3D 打印技術(shù)及其在建筑設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

◆文博 葉紅雨

作者：文博，三江學(xué)院建筑學(xué)院助教、助理工程師，研究方向為建筑技術(shù)（210012）；葉紅雨，東南大學(xué)建筑學(xué)院（210000）。

2014年4月，上海某公司運用3D 打印技術(shù)在24 個小時的時間內(nèi)建造出10 幢房屋，令人驚奇的是這些建筑的墻體均是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”層層“打印”出來的。

從這條新聞中可以看到對建筑設(shè)計的幾點啟示：

1）3D 打印技術(shù)在建筑行業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用；

2）10 幢建筑的建造僅僅用了24 個小時，這種建造方法帶來更快捷的速度；

3）“打印”出這10 幢建筑墻體的材料是建筑垃圾經(jīng)過加工處理后生產(chǎn)的“油墨”，為綠色設(shè)計提供了新型建材；

4）傳統(tǒng)的建造模式直接影響設(shè)計的思路，而3D 打印技術(shù)的應(yīng)用為建筑設(shè)計提供了更多的可能。

基于上述啟示，可以看出3D 打印技術(shù)給建筑建造及設(shè)計過程帶來很多變化。站在建筑教育者的角度，有必要了解這項新技術(shù)，并且嘗試在設(shè)計教學(xué)中運用這項技術(shù)對相關(guān)課程進(jìn)行改革和完善，使其為課堂服務(wù)，開發(fā)出學(xué)生無限的創(chuàng)造性。

1 3D 打印技術(shù)的概念、特點及建筑應(yīng)用

1）材料種類多。能夠進(jìn)行3D 打印的材料，按物理狀態(tài)分類可以分為液體材料、薄片材料、粉末材料、絲狀材料等。按化學(xué)性能分類可分為樹脂類材料、石蠟材料、金屬材料、陶瓷材料及其復(fù)合材料等。按成型方法分類可以分為液態(tài)材料（SLA、光敏樹脂）、固態(tài)粉末（SLS；非金屬，如蠟粉、塑料粉、覆膜陶瓷粉、覆膜砂等；金屬粉，如覆膜金屬粉）、固態(tài)片材（LOM、紙、塑料、陶瓷箔、金屬鉑+粘結(jié)劑）、固態(tài)絲材（FDM、蠟絲、ABS 絲、PLA 絲、尼龍絲等）。由此可見，只要滿足打印條件的材料都可以用來打印，近日還出現(xiàn)用巧克力或奶油作為打印材料打印食物的案例。

2）打印時間短。傳統(tǒng)意義上對物件的生產(chǎn)主要是通過機(jī)械加工或者模具脫模來實現(xiàn)，而3D 打印可以直接塑形，所以減少了大量的時間。而對于復(fù)雜的形體，3D 打印更能發(fā)揮其優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的脫模很難實現(xiàn)復(fù)雜形體的塑造。

3）打印成本相對較低。3D 打印成本低主要分三個方面：

一是打印材料本身的價格不高，以1 kg 的國產(chǎn)PLA 材料為例，現(xiàn)在市面上的售價在100 元左右；

二是材料損耗小，傳統(tǒng)機(jī)械加工或者模具脫模方法必然有不必要的材料損耗；

黃酮含量測定：取1 mL樣液于25 mL比色管中，用70%乙醇補(bǔ)充至12.5 mL，加入1.0 mL 5%亞硝酸鈉溶液，靜置5 min后加入1.0 mL 10%硝酸鋁，6 min后加入5 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，搖勻，用70%乙醇稀釋至刻度，靜置10 min，在510 nm波長下測吸光值[12]。

三是3D 打印材料多可以回收利用，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)專門的轉(zhuǎn)化機(jī)器，將已經(jīng)使用過的材料重新融化拉絲生產(chǎn)出新的材料，這樣就充分降低了3D 打印的成本。

4）自由設(shè)計的表達(dá)。3D 打印技術(shù)能夠以便捷的方式制造出許多傳統(tǒng)加工方法無法加工出的作品，來滿足不同用戶的設(shè)計需求。尤其是一些非線性造型的表達(dá)，3D 打印技術(shù)可以達(dá)到手工和傳統(tǒng)的技術(shù)所無法達(dá)到的精度和速度。這樣的便捷性對設(shè)計思維的表達(dá)提供了新的方式。

3D 打印技術(shù)概念 3D 打印技術(shù)即“快速成型技術(shù)”，專業(yè)名稱為“增材制造”，是將設(shè)計好的作品轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計圖后，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來將真實物體打印建造出來。這項技術(shù)最早在1984年由美國人Charles Hull 發(fā)明，當(dāng)時尚處于萌芽狀態(tài)，未能正式生產(chǎn)和應(yīng)用。經(jīng)過30 多年的發(fā)展，該技術(shù)逐漸在珠寶、工業(yè)設(shè)計、建筑、土木工程等各種領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]。

3D 打印技術(shù)特點 3D 打印技術(shù)最顯著的特點莫過于生產(chǎn)物件無需機(jī)械加工或者模具脫模，能夠直接通過設(shè)計的圖紙模型生成任何形狀的物件，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，主要有以下特點。

3D 打印技術(shù)的建筑應(yīng)用 3D 打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用除了上海10 棟實際建筑的案例外，還有一些概念性的嘗試案例。如2011年3月，Materialse 公司打印出一個微細(xì)的工廠模型，他們將植物燃?xì)夤綥inde AC 的微縮工廠縮小模型完全逼真地打印制作出來；2013年3月，荷蘭建筑師與意大利發(fā)明家合作，利用沙子和無機(jī)黏合劑打印出一個6 m×9 m 的建筑框架，然后用纖維強(qiáng)化混凝土進(jìn)行填充；美國南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克·霍什內(nèi)維斯一直在研究3D 打印的建造技術(shù)，目前他能夠利用這種打印技術(shù)在不到20 小時的時間內(nèi)建造一幢面積2500 平方英尺（約232 m2）的建筑[2]。由這些案例可以看到，3D 打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用既有模型也有實物，已經(jīng)貫穿了建筑從設(shè)計到建造的全過程。

2 3D 打印技術(shù)在建筑設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用可能

新的技術(shù)為教育教學(xué)帶來新的理念和方法，那么3D 打印技術(shù)的應(yīng)用能給建筑設(shè)計教學(xué)帶來什么？

美國教育學(xué)家埃德加·戴爾（Edgar Dale）在1946年提出“經(jīng)驗之塔”教育理論，他將人們學(xué)習(xí)的經(jīng)驗比作一座三層的金字塔，從塔頂?shù)剿追謩e是抽象經(jīng)驗、觀察經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗。所謂抽象經(jīng)驗是學(xué)習(xí)者通過語言和文字等抽象符號獲取抽象知識，如閱讀以文字為主的教科書；觀察經(jīng)驗是指學(xué)習(xí)者通過對真實事物的觀察而獲取的，如現(xiàn)場觀摩、旅行參觀、觀看動態(tài)影像等；實踐經(jīng)驗是指學(xué)習(xí)者從實踐活動中獲取的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，如參與活動、制作模型等[3]。

目前的建筑設(shè)計課程，學(xué)習(xí)者完成的過程一般包括對任務(wù)書的學(xué)習(xí)、查找資料、參觀調(diào)研、完成表達(dá)?？此仆瓿闪藢W(xué)習(xí)過程的“經(jīng)驗之塔”，但是忽略了建筑是一個實實在在的物體這一事實。由于建筑造價的昂貴，不可能在教學(xué)中完成對整棟建筑的施工過程，因此，最后的表達(dá)還是處于相對抽象的圖紙層面。雖然有時在造型推敲或者專門的模型課上，可以手工制作模型，但它不夠精確，且需要消耗大量的時間，給建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生本就繁重的課業(yè)增加了負(fù)擔(dān)，有時甚至完成不了預(yù)期的目標(biāo)。

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)為建筑設(shè)計課程“經(jīng)驗之塔”的完善提供了可能和支撐。當(dāng)今時代的建筑設(shè)計課程，尤其是高年級課程，在各種電腦軟件出現(xiàn)和進(jìn)步的情況下，最后提交的成果多為數(shù)字化的成果，如電腦軟件的建模和電腦的出圖。3D 打印為數(shù)字時代的表達(dá)提供了一個實體“建造”的可能，為設(shè)計課程的“經(jīng)驗之塔”提供了觀察和實踐經(jīng)驗的支撐。3D 打印技術(shù)可以將學(xué)習(xí)者的數(shù)字化模型直接準(zhǔn)確地制作出來，此過程為學(xué)習(xí)者提供了觀察的經(jīng)驗；另一方面，3D 打印技術(shù)為學(xué)習(xí)者在抽象的經(jīng)驗和觀察經(jīng)驗之后，提供了直接制作的可能，在數(shù)字化建模之后，快速準(zhǔn)確地“建造”出自己的建筑。

3 3D 打印技術(shù)在建筑設(shè)計課程中應(yīng)用的探索

經(jīng)過對3D 打印技術(shù)在建筑設(shè)計教學(xué)中的分析，可以看出其在設(shè)計課程中的應(yīng)用是很有意義的。因此在教學(xué)實踐中以興趣小組的模式做了一次模擬嘗試和探索。在一次太陽能充電站的概念性設(shè)計課上，對一組學(xué)生進(jìn)行了3D 打印技術(shù)的培訓(xùn)，讓他們在設(shè)計中應(yīng)用此技術(shù)。設(shè)計課程的內(nèi)容如下。

設(shè)計背景 隨著電動車（電動自行車及混合動力汽車）的逐漸普及，中途充電成為一項困難的事情。為了解決電動車充電問題，市政部門設(shè)想用簡便的方式建造一座充電站。

設(shè)計目標(biāo) 充電站面積控制在10 m2以內(nèi)；外觀美觀大方，結(jié)構(gòu)結(jié)實耐用。

概念基礎(chǔ) 此組學(xué)生的設(shè)計概念：在炎炎夏日的室外，人們最向往的地方是樹蔭，太陽能充電站以樹蔭為出發(fā)點，給人們營造舒適的休憩環(huán)境；以發(fā)芽的小樹為形態(tài)基礎(chǔ)，將形態(tài)轉(zhuǎn)化為充電站的形態(tài)，考慮結(jié)構(gòu)與美觀。設(shè)計完成方案如圖1 所示，以一顆發(fā)芽的小樹為基礎(chǔ)，提取小樹的形態(tài)，然后根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的要求優(yōu)化形態(tài)，再通過計算機(jī)建模，最后將建筑模型打印出來。下面可以進(jìn)行進(jìn)一步的深入推敲。

建模打印 此組學(xué)生將設(shè)計想法轉(zhuǎn)化為打印模型的路線過程如圖2 所示。

在初步的概念想法產(chǎn)生之后，利用三維軟件建立設(shè)計模型，然后將模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)換軟件中，將模型切片處理后，再導(dǎo)入3D 打印服務(wù)器內(nèi)，最后通過打印機(jī)打印模型（圖3）。

觀察驗證 在這樣的打印過程中，學(xué)習(xí)者可以清晰地觀察到整個造型生成的過程，在整個模型打印完畢后學(xué)習(xí)者還可以對模型進(jìn)行觀察和驗證。3D 打印技術(shù)為學(xué)生檢查與修正設(shè)計中的問題提供了條件。比如在此次概念設(shè)計中，學(xué)生考慮要完成整體曲線造型的概念，對柱體進(jìn)行修改，把均勻圓柱體的支撐主柱改變設(shè)計為變截面柱體，縮小了柱頭的截面，但在模型中忘記了修改與柱子連接的相應(yīng)構(gòu)件。因此在3D 打印過程后，學(xué)生對模型進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有縫隙，柱子和葉片并沒有完全連接。

從這次僅耗時數(shù)小時的設(shè)計建模打印過程中，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計中的缺陷，對原計算機(jī)模型進(jìn)行了修正，完善概念設(shè)計。而如果采用手工制作模型，僅制作過程至少就要數(shù)天，而且無法精確完成曲線的制作，更談不上去檢查驗證。

4 思考與總結(jié)

從以上課程設(shè)計中可以看出，3D 打印技術(shù)在設(shè)計課程中應(yīng)用是可行的，而且非常省時和便捷。在3D 打印技術(shù)不斷進(jìn)步、設(shè)計工具不斷更新的時代，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計課程更是有一定意義的。

提供了更便捷和準(zhǔn)確的造型推敲手段，為復(fù)雜模型的制作提供了可能 單體建筑物或者城市設(shè)計中的造型問題是建筑設(shè)計的一個重要部分，當(dāng)今時代建筑的造型已經(jīng)向著非線性的趨勢發(fā)展，手工模型的制作已不能滿足非線性復(fù)雜造型的精確表達(dá)，而3D 打印技術(shù)目前可以為一些精確的模型制作提供可能。

增加了課堂的趣味性和參與性，提高了學(xué)習(xí)者的積極性，鍛煉了動手操作能力 從教育的角度來看，建筑設(shè)計比起其他專業(yè)課程是一種動手性較強(qiáng)的課程，學(xué)生需要得到教師大量的指導(dǎo)，同時能夠提升課堂的趣味性和參與性是對教師的必然要求。隨著高校的擴(kuò)招和建筑專業(yè)師資有限的矛盾的不斷加深，設(shè)計課上教師和學(xué)生一對一交流的時間在逐漸縮短，很多學(xué)生可能會因此失去學(xué)習(xí)的興趣。那么，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用為增加課堂的趣味性和參與性提供了新的契機(jī)，新鮮的事物以及計算機(jī)的應(yīng)用能夠吸引信息時代的年輕人，提高他們的積極性，使他們能夠積極主動地參與到設(shè)計課堂上來減輕教師的壓力，并且在實際操作中鍛煉動手能力，開發(fā)建筑設(shè)計中的自主創(chuàng)造性。

通過接觸新技術(shù)開發(fā)學(xué)生思維和創(chuàng)造能力 當(dāng)今時代數(shù)字化的建筑設(shè)計已經(jīng)開始出現(xiàn)，可以想象數(shù)字化在不遠(yuǎn)的將來即將成為建筑設(shè)計的一種重要的方式甚至主要的手段。那么將3D 打印技術(shù)引入建筑設(shè)計教學(xué)中來，和BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等數(shù)字化的設(shè)計軟件對接，可以使學(xué)生接觸到最新的技術(shù)，將他們的思維和創(chuàng)造能力進(jìn)行充分開發(fā)。

為其他基礎(chǔ)課程提供了教學(xué)輔助工具 縱觀整個建筑教育，除了主干的設(shè)計課程之外還有很多重要的基礎(chǔ)理論課，如建筑史、建筑結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)造等。在這些課程中有很多的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造節(jié)點需要學(xué)習(xí)者去了解和掌握。在傳統(tǒng)的課堂上中，只能通過二維界面的圖例和教師抽象的講解使學(xué)習(xí)者去想象出具體的做法，有時學(xué)習(xí)者不能很好地通過空間想象構(gòu)建出這些做法。而3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)可以為這些課程的教學(xué)提供便利的輔助。一方面，教師可以建模打印出這些具體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造作為課程的教具，使學(xué)生有直觀的認(rèn)識，或者將打印生成過程演示給學(xué)生看；另一方面，在這些課程中還可以布置一些讓學(xué)生自己建模并打印出結(jié)果的作業(yè)，使學(xué)生獲得親自動手做的經(jīng)驗，加深他們的印象。

降低了教與學(xué)的成本 建筑學(xué)專業(yè)本科階段的學(xué)制現(xiàn)在一般都是五年，無論是從學(xué)制還是具體的課程上，建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生都要付出很多的努力，尤其是設(shè)計課程，課程結(jié)束時要完成大量的圖紙繪制工作。因此對建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生來講，需要把大量的時間和精力集中到“設(shè)計”的學(xué)習(xí)中來，而非完成最終的圖紙或作業(yè)，這一點很重要。3D打印技術(shù)的引入可為學(xué)生在模型制作時節(jié)省大量的時間成本，將他們從大量的體力勞動中解放。另外，現(xiàn)在的手工制作課上學(xué)生還需要購買大量的制作材料，這也增加了教學(xué)的經(jīng)濟(jì)成本，而且這些材料大多是一次性的，做完模型還會剩余很多邊角料。而3D 打印技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以完成材料的重復(fù)使用，這也為教學(xué)經(jīng)濟(jì)成本的節(jié)約提供了可能。

通過這次嘗試，看到3D 打印技術(shù)在建筑設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用的可能。隨著時代的發(fā)展，3D 打印技術(shù)也將不斷完善和成熟，將有更廣闊的應(yīng)用前景。作為建筑教育者，需要不斷關(guān)注這種技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，不斷提高自己了解和掌握新技術(shù)的能力，嘗試將最新的技術(shù)引入到教學(xué)中來，不斷更新完善課程教學(xué)模式，使3D 打印技術(shù)更好地為建筑設(shè)計教學(xué)服務(wù)。

[1]李不言,楊麗.3D 打印技術(shù)[J].印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化,2013(5):8-11.

[2]賀穎.當(dāng)建筑裝飾遇上3D 打印技術(shù)[J].商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展,2013(9):227.

[3]焦麗珍.神奇的“經(jīng)驗之塔”:視聽教學(xué)法之理論[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2012,22(6):126.