3D打印機(jī)在高校土木工程教學(xué)中的應(yīng)用探討★

張 萍 閆 宇 李 苗 劉翰然 賈 杰

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

3D打印機(jī)在高校土木工程教學(xué)中的應(yīng)用探討★

張 萍1閆 宇1李 苗2劉翰然1賈 杰1*

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)合3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從課程教學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽和科學(xué)研究三方面，分析了3D打印技術(shù)應(yīng)用于土木工程教學(xué)中的可行性，并總結(jié)了推廣3D打印機(jī)會遇到的諸多困難，指出3D打印機(jī)可以應(yīng)用于土建模型，同時(shí)能滿足教學(xué)用具、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽模型的建立等需求。

3D打印機(jī)，土木工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽，教學(xué)

0 引言

3D打印技術(shù)在20世紀(jì)80年代橫空出世以來，一直受到人們的密切關(guān)注，3D打印的節(jié)材、節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)高度契合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)它還具有制作精度高，制作周期短，個(gè)性化制作等優(yōu)點(diǎn)。通過3D打印技術(shù)來構(gòu)建土木工程模型，似乎可以改變土木工程模型的諸多缺陷，成為未來的發(fā)展趨勢。3D打印技術(shù)依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在高端制造、教育、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，顯示出令人振奮的發(fā)展前景[1]。

在學(xué)習(xí)以及參加各種創(chuàng)新活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)體模型的建立對抽象復(fù)雜的土木工程知識的學(xué)習(xí)有很重要的作用?；诖?，分析3D打印機(jī)在高校土木工程教學(xué)中的應(yīng)用有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 3D打印在教學(xué)應(yīng)用上的研究現(xiàn)狀

隨著3D打印技術(shù)逐步受到人們的倍加重視，國內(nèi)外已經(jīng)開始著手于3D打印在教育領(lǐng)域如何應(yīng)用的研究。英國教育部在2012年—2013年在21所高校開展了為期一年的課程教學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)，并為每所高校提供了關(guān)于3D打印機(jī)使用的技術(shù)指導(dǎo)和優(yōu)秀師資。美國開展了MENTOR項(xiàng)目計(jì)劃，旨在美國高校推廣3D打印機(jī)的使用，引起學(xué)生在設(shè)計(jì)、制造和理論科學(xué)等方面的興趣，有利于激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和提高創(chuàng)新能力。3D打印機(jī)的龍頭企業(yè)Stratasys推出一款專用于高等教育中的產(chǎn)品——object30睿智，它可以為師生提供技術(shù)輔導(dǎo)和沖擊性的制作體驗(yàn)[2]。

國內(nèi)眾多高校也在教學(xué)和科研中逐步引進(jìn)了3D打印機(jī)，在全國第九屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)模型制作明確要求部分節(jié)點(diǎn)要應(yīng)用3D打印機(jī)所制作的節(jié)點(diǎn)，這極大地促進(jìn)了3D打印機(jī)在各高校范圍內(nèi)的推廣使用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海分校)張繼春老師采用熔融沉積快速成型技術(shù)制作出擁有多種技術(shù)的改良3D打印機(jī)。北京航空航天大學(xué)利用鈦合金材料和3D打印機(jī)生產(chǎn)具有承載力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

2 3D打印機(jī)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)今，高等教育的成功就意味著源源不斷的人才輸送和更多高端技術(shù)人才的涌現(xiàn)。因此，在如今新的教學(xué)理念之下，選擇正確的教學(xué)方法是十分必要的。3D打印機(jī)的發(fā)展為土木工程教學(xué)提供了新形勢和新挑戰(zhàn)，如何將3D打印機(jī)應(yīng)用于土木工程的教學(xué)中是亟需解決的問題，主要包括如下幾個(gè)方面。

2.1 3D打印機(jī)在教學(xué)課程中的應(yīng)用

由于土木工程學(xué)科本身的難度較大和過于抽象的傳統(tǒng)教學(xué)方法，平面的圖片、動(dòng)畫無法給予學(xué)生視覺上的直觀感受。3D打印機(jī)可以將抽象、不易描繪和想象的物體打印出來，更加逼真形象的結(jié)構(gòu)物可以引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的理解能力、實(shí)現(xiàn)了良好的教學(xué)效果。

2.1.1 力學(xué)

以材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)為代表專業(yè)力學(xué)系列課程對土木工程學(xué)科教學(xué)的重要性不言而喻。當(dāng)今3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為力學(xué)教學(xué)提供了新領(lǐng)域和新挑戰(zhàn)。例如：對于平面桿件體系的幾何組成分析，可以將桿件和節(jié)點(diǎn)打印出來，并組裝成模型，進(jìn)一步講授自由度、瞬變體系、常變體系的主要特點(diǎn)，并比較不同的靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)的模型，真正理解判斷結(jié)構(gòu)是否靜定的方法。另外，在傳授結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的課程時(shí)，可以將不同自由度的剛架和簡支梁通過3D打印機(jī)形成實(shí)物，再施加動(dòng)荷載，研究單、多自由度結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)以及單、多自由度在簡諧荷載和任意荷載作用下的受迫振動(dòng)的振型變化。因此，3D打印機(jī)在力學(xué)教學(xué)上的應(yīng)用是多方面的，有很大的推廣潛力。

2.1.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程學(xué)科最基本的專業(yè)課程，針對該課程公式系統(tǒng)性差、構(gòu)造要求多、實(shí)踐性強(qiáng)、抽象難懂的特點(diǎn)，可以應(yīng)用3D打印機(jī)來改良教學(xué)方法。例如：對于混凝土梁中箍筋、縱筋、彎起筋的復(fù)雜構(gòu)造形式、螺旋箍筋柱的截面形式、應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的錨具構(gòu)造形式均可以通過3D打印機(jī)來形成實(shí)物，在講授課程中展示以便于學(xué)生牢固地掌握課程的核心內(nèi)容。

2.1.3 土木工程施工

土木工程施工是土木工程學(xué)科中的一門專業(yè)主干課和基礎(chǔ)課，現(xiàn)階段課堂教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生缺乏生活經(jīng)驗(yàn)，沒有建立起對施工機(jī)具和工藝的感性認(rèn)識，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足社會需求導(dǎo)向性人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

因此，運(yùn)用3D打印技術(shù)來改進(jìn)該課程的教學(xué)手段和方法迫在眉睫。例如：

1)可以將單斗挖土機(jī)的四種形式：正鏟、反鏟、拉鏟、抓鏟的簡易模型通過3D打印機(jī)形成實(shí)物，并根據(jù)實(shí)體模型形象地描述每種挖土機(jī)的作業(yè)方式和適用范圍。

2)可以將鋼筋混凝土灌注樁鉆頭形式：回轉(zhuǎn)鉆、沖抓鉆、沖抓錘、潛水鉆的具體構(gòu)造用3D打印實(shí)物來體現(xiàn)，讓學(xué)生可以深入了解實(shí)際工程中灌注樁的詳細(xì)施工流程。

3)可以通過3D打印機(jī)打印出簡易的腳手架模型，內(nèi)部組成包括立桿、縱橫向水平桿、剪刀撐、扣件、腳手板等，這樣可以形象地讓學(xué)生了解到腳手架的具體結(jié)構(gòu)和每個(gè)部件的作用[3]。

2.1.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程。為了培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工人才，如何高效率地讓學(xué)生深入地理解鋼結(jié)構(gòu)略有抽象的基本知識，結(jié)合3D打印機(jī)的教學(xué)方法是該課程有意義的嘗試。具體應(yīng)用實(shí)例和方法如下：

1)鋼結(jié)構(gòu)連接及構(gòu)造的抽象是學(xué)生感覺鋼結(jié)構(gòu)難學(xué)的關(guān)鍵原因。利用3D打印實(shí)物來展示焊縫和螺栓的具體連接構(gòu)造將會使學(xué)生對該部分的知識原理有清晰的認(rèn)識，有利于學(xué)生課后習(xí)題練習(xí)的順暢和知識系統(tǒng)的建立；

2)運(yùn)用3D打印機(jī)將簡易的鋼結(jié)構(gòu)單層廠房模型打印出來，使得廠房結(jié)構(gòu)的各部件形式更加直觀地顯現(xiàn)出來，有利于提高學(xué)生的課程設(shè)計(jì)整體效果。

2.2 3D打印機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中的應(yīng)用

2015年10月在昆明理工大學(xué)舉辦全國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中，要求部分裝配式橋梁需用3D打印出的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件連接，這意味著簡易的3D打印技術(shù)開始進(jìn)入大學(xué)生的視野。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽旨在提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。隨著3D打印技術(shù)即將風(fēng)靡土木工程行業(yè)，以3D打印機(jī)為主要使用工具作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽的主題會在不久的將來實(shí)現(xiàn)。

目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽主要以竹條、木條、膠水為制作材料，存在制作耗時(shí)長、膠水中化學(xué)成分過多等缺點(diǎn)。運(yùn)用3D打印機(jī)可以明顯縮短設(shè)計(jì)制作時(shí)間，3D打印模型的預(yù)建立可以來判斷此方法是否可行。目前，3D打印混凝土技術(shù)作為一門正在興起的新型應(yīng)用技術(shù)，既有自密實(shí)混凝土無需振搗的優(yōu)點(diǎn)，也有噴射混凝土便于制造繁雜構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，為未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽提供了更多的可能性[4]。因此，3D打印機(jī)的應(yīng)用有利于激發(fā)學(xué)生參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽的熱情和培養(yǎng)更多尖端的設(shè)計(jì)人才。

2.3 3D打印機(jī)在土木工程科學(xué)研究中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)因其技術(shù)的優(yōu)越性而日趨流行，但畢竟3D打印技術(shù)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域還只是處于初步階段，所以大量的前期研究工作急需高校師生去從事。

具體研究方面包括：1)研究3D打印構(gòu)件材料的性質(zhì)和力學(xué)性能，尋找適用性最強(qiáng)的3D打印材料；2)研究3D打印構(gòu)件是否有徐變特性以及抗腐蝕的性能；3)研究3D構(gòu)件之間連接的強(qiáng)度和延性；4)研究3D打印構(gòu)件是否具有殘余應(yīng)力，會對構(gòu)件使用產(chǎn)生不利影響[5]?？傊?，隨著3D打印技術(shù)的不斷完善，針對3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用的科學(xué)研究在高校中將會不斷普及。

3 3D打印機(jī)在教學(xué)普及中遇到的困難

目前3D打印在教學(xué)中普及正處于探索研究發(fā)展的階段，因此在普及3D打印機(jī)的過程中不可避免地會存在一些問題：1)經(jīng)濟(jì)造價(jià)問題：3D打印機(jī)市場上價(jià)格在4 000元～200 000元左右，對于在高校內(nèi)廣泛普及還需要一定的時(shí)間；2)設(shè)計(jì)軟件問題：電腦中建筑模型的設(shè)計(jì)不可或缺，使高校學(xué)生熟練掌握一門軟件非常有必要；3)原材料問題：用于科學(xué)研究的混凝土等材料絕大多數(shù)具有高強(qiáng)度和合適外加劑的要求，這是亟待解決的問題。

4 結(jié)語

文章結(jié)合了3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，總結(jié)了現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并主要探討了3D打印機(jī)在高校土木工程教學(xué)中的應(yīng)用，分別從課程教學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽和科學(xué)研究三個(gè)方面進(jìn)行討論，并舉例說明3D打印機(jī)在課程教學(xué)方面的可行性。最后總結(jié)了目前推廣3D打印機(jī)所存在的一些問題?？傊?D打印機(jī)在高校土木工程教學(xué)中的應(yīng)用具有很大的推廣潛力。

[1] 李小麗,馬劍雄,李 萍,等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動(dòng)化儀表,2014(1):1-5.

[2] 王 萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育(綜合版),2013(8):83-87.

[3] 劉宗仁.土木工程施工[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4] 張大旺,王棟民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)發(fā)展[J].硅酸鹽通報(bào),2015,6(34):1583-1588.

[5] 陶雨濛,張?jiān)品?陳以一,等.3D打印技術(shù)在土木工程中的展望[J].鋼結(jié)構(gòu),2014,8(29):1-8.

Abstract: According to the present situation of 3D printer application, the paper points out the feasibility of three aspects’ application including classroom instruction, structure design competition and scientific research. Besides, the paper summarizes many difficulties in promoting 3D printer, points out 3D printer can be applied to civil engineering model and meets the demand of educational affiliation and structure design competition.

Key words: 3D printer, civil engineering, structure design competition, teaching

On application of 3D printer in teaching of civil engineering of colleges★

Zhang Ping1Yan Yu1Li Miao2Liu Hanran1Jia Jie1*

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.MechanicalandElectricalEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

2016-03-16★：東北林業(yè)大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201510225059)

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 閆 宇(1995- )，男，在讀本科生； 李 苗(1995- )，女，在讀本科生； 劉翰然(1995- )，男，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

1009-6825(2016)15-0229-02

G642.0

A