解密3D打印设计

来源：UDG联创
作者：Jiapei Tao




疫情期间，由上海某企业驰援湖北咸宁的15套3D打印隔离屋，让网友们直呼666。
15套隔离屋仅耗时24小时全部完工，整体受力均匀，抗风抗震，具有保温隔热的效果。



内部更是配有空调、卫生间、淋浴设施等，完全满足病人单独隔离的需要，有效填补医院“一床难求”的医疗空缺。完善的配备更是让一些网友们表示：“让我每天住在里面都可以！”



关于3D打印，人们听得很多，也看得很多，却始终对这一黑科技一知半解。

究竟3D打印是如何工作的？3D打印技术又是如何被应用于建筑/景观设计的？在此，我们将对其进行初步解密。



什么是3D打印？

3D打印（3D Printing），又称“增材制造”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 简言之，构成3D打印的四大要素：数字模型+打印设备+特殊材料+逐层叠加。 记住这个公式，配合下面的动图，我们便能清晰地理解——3D打印实质是一种将物体（数字模型）分解成多个二维切面，再通过逐层打印切面、逐层粘结，最终实现由2D向3D转化的成型逻辑。



公式的另外两个重要元素：特殊材料、打印设备，则决定了技术的应用范围与推广能力，而这两者恰恰又是相互关联的。
譬如，就设计领域而言，3D打印技术早已在大部分小尺度设计中得到普遍运用。工艺品、家具、首饰、服装，经常能见到3D打印的产品。


3D打印的陶瓷花瓶，@ Zhu Ohmu


3D打印的首饰，@ Giulio Iacchetti


3D打印的集群纤维服装，@ Daniel Widrig


这类产品结构相对简单，通常采用金属、陶瓷、塑胶、纤维等常规材料，加上产品本身尺寸较小，对打印设备的要求相对较低。
一台用于生产小型工艺产品的3D打印机，仅3000美元便能买到。因此，小尺度3D打印的进一步推广，甚至家用化，是一个必然且顺理成章的趋势。




国内首批3D打印房屋，张江高新青浦园区，2014
但对于建筑、景观构筑物这类大尺度设计而言，3D打印变得不再那么容易。 用于建筑物的材料对强度、耐火、保温、防水等均有较高要求，同时又要满足3D打印时能快速喷涂、粘结、成型的需求，材料研究一直是制约3D打印建筑发展的重要因素。目前，国内常用的3D打印建筑材料为高标号水泥，玻璃纤维。 专用的建筑材料，意味着设备必须具有特殊的打印喷头，同时，建筑物本身的大体量，决定了3D建筑的打印设备也将巨大无比——据悉，上述用于隔离屋的3D打印机，占地面积足有一个篮球场那么大，高度足有三层楼高。 因此，3D打印在建筑/景观设计领域的应用，目前还处在相对初级的阶段。人们也将在探索出更优质的材料、更集约的设备、更先进的打印模式的方向上做出更多努力。



关于建筑的几种基础3D打印模式


D-Shape打印机与石质建筑物，@ Enrico Dini, Edited by writer

2010年，意大利籍教授Enrico Dini发明了世界上第一台以细骨料和胶凝料为打印材料的数字打印机，名为D-Shape，可以用建筑材料打印出高4m的建筑物。

这台打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒沙子可逐渐铸成人造砂岩，通过层层黏合物和沙子结合，将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，最终形成石质建筑物。




“轮廓工艺”原理示意

2012年，美国南加州大学比洛克教授研究出“轮廓工艺”（Contour Crafting），能在24小时内打印出232㎡的两层楼房。这一工艺原理与传统造砖极其相似，由一个巨型的三维挤出设备挤出混凝土等建筑材料，依靠齿轮传动装置沿着已知路径，即建筑轮廓，层层构筑基础与墙壁。


激光烧结技术制成的3D房屋模型, @ Softkill Design

同年在英国，Softkill Design工作室研究出激光烧结技术，并制作了1：33的原型3D房屋模型。这个模型由30个不需要任何粘结材料的精细纤维片组成一个整体的悬臂结构。其中纤维的半径为0.7mm，能够实际形成建筑元素，如结构，家具，楼梯，外墙等，并具有灵活的变化纹理。
用这种方式打印出的房屋重量轻，强度高，结构优，实际生产时将组成单元打印好，再运输到现场进行安装。激光烧结技术为3D打印房屋提供了更多形式可能。 此外，国内外科学家也在不断研究着更为先进的3D打印技术以用于房屋建造，但就目前市场而言，轮廓工艺、D-Shape以及以此为基础的衍生技术，仍是较为主流的打印模式。



3D打印设计实例


3D打印在建筑/景观设计中的应用，基本可以分为三大类： 一． 建筑装饰二． 3D打印构件单元+人工装配三． 整体3D打印


第一种3D打印建筑装饰，市场基本已经成熟。运用3D打印技术可以实现一些复杂的建筑表皮、装饰细部，并且较人工操作更为高效精准。目前在我国，上海世博会大会堂、凤凰国际传媒中心、广州歌剧院等大型项目中，都局部运用了3D打印技术。


北京草莓大会场馆的3D打印立面，@ DADA Architectural Design + Planning


第二种3D打印构件单元+人工装配，即在工厂打印好预制模块，运输到现场进行人工搭建，是一种较常规施工更省时节料，而较整体3D打印则更为经济的半自动化手段。




雷宅茶亭，@ 张雷联合建筑事务所

2018年，张雷联合建筑事务所在位于浙江桐庐的“雷宅”项目中，大胆尝试了3D打印技术，应用于雷宅前的“茶亭”。 3D打印茶亭延续了“雷宅”本身的“混凝土空心砌块”砌筑逻辑，用PLA材料三维打印出标准化砌块单元，并在表明覆以精细的镂空纹样。通过镂空花砖各自不同的透明性，创造出在夜晚具有渐变效果的独特立面。


茶亭分解图与现场装配，@ 张雷联合建筑事务所

组成3D茶亭的400个30厘米见方单元，在异地耗时一个月打印完成，再由当地两位毫无经验的建造者在村民帮助下三天组装完成。整个过程将建造活动对当地环境的干扰降至最低。 3D茶亭超越现代的风格，与延续当地文脉的古朴老宅形成强烈反差的同时，统一的砌筑逻辑却又模糊了现代与传统的界线；

通过数字化高精度控制生产的3D元件，与人工操作的拼装工程之间，又微妙消除了数字技术与传统技艺的对立。




新加坡空气网亭，@ AirMesh Pavilion

新加坡空气网亭，则是世界上第一个运用3D打印技术制造出的零件所组装成的不锈钢景观构筑物。 设计通过前期数字计算，保证复杂造型下的每块金属网都能通过链接元件无缝结合。精确的计算，加上3D打印节点内部的螺纹，更方便了通过隐藏在钢筋中的螺栓进行组装，所有构件仅需要5个人耗时2天便可拼装完成。


3D打印的链接元件，@ AirMesh Pavilion

空气网亭的各拼接单元并不重复规则，全得益于3D打印的精准控制，以突破传统框架系统的模数限制，为设计带来了近乎无限的几何自由。 当然，考虑到生产成本，该网亭采用了打印元件+人工拼接的半自动化模式，而不是使用3D技术打印整个结构，在快速组装、经济合理与形式自由间取得了合理的平衡。


3D打印混凝土砖，@ Rael San Fratello Architects

值得一提的是，在“3D打印构件单元+人工装配”的模式下，人们可以对构件单元做出更为大胆有趣的尝试，相较整体3D打印，实则给与了设计者更多自由。 譬如Rael San Fratello Architects设计的这款3D打印混凝土砖，告别传统呆板的砖，变成盛有绿植的容器，还能根据需求制作成任意尺寸，自由拼接在建筑表皮，实现绿色建筑。



第三种整体3D打印，更多运用了上述提到的D-Shape、轮廓工艺以及其他更先进的打印技术，实现从原材料到建筑物的一次成型。


3D打印的都市小屋，@ Ossip van Duivenbode

DUS Architects于2016年在阿姆斯特丹打造了一间完全由3D打印而成的都市小屋，在一处工业区空地中变为迷你的庇护所。
面积8平方米,体量25立方米的小屋包含了迷你游廊和室内空间，沙发可以展开形成两张单人床，实现了功能齐全的“微型住房”，非常适合现代的居住需求或者灾害频发的地区。



3D打印的都市小屋，@ Ossip van Duivenbode

都市小屋同样实现了一次成功的“可持续住房解决方案的实际研究”——小屋通过黑色生物材料进行3D打印，该材料可以被彻底回收，并重新被用于打印。 “实验室的下一目标是采用室内开发的3D打印技术，去建造需求不断增长的可持续订制打印住房，以满足全球范围不断崛起的城市扩展。”


滴水湖畔 云亭，@ 陈颢 林边 林钰琼

2017年上海城市空间艺术季上，同济大学协同创盟国际，首次运用MP材料，实现了整体3D打印的结构功能化展亭——云亭。 “云亭”采用的打印材料为特殊纤维的热塑性高分子材料，因极强的韧性有助于表达复杂的形态，同时具有较高的强度，易于加工。



云亭夜景，@ 陈颢 林边 林钰琼 “云亭”采用了创新式的大尺度空间打印模式，将形体抽象为空间网格，再通过带有6轴机器臂的打印设备，进行网格打印建造。  由于空间打印对挤出头的出料速度有严格控制，使得打印速度远远低于层积打印。尽管如此，这种大尺度空间打印技术，仍将在复杂空间结构、异形模板等方面拥有广阔的应用前景。


3D打印步行桥，@ 清华大学建筑学院 2019年，目前全球最大规模的混凝土3D打印步行桥在上海宝山落成。该步行桥全长26.3米，宽度3.6米，采用单拱结构承受荷载，其强度可满足站满行人的荷载要求。


桥身打印过程，@ 清华大学建筑学院

步行桥的打印运用了徐卫国教授团队自主开发的混凝土3D打印系统技术，该系统由数字建筑设计，打印路径生成，操作控制系统，打印机前端，混凝土材料等创新技术集成，具有工作稳定性好、打印效率高、成型精度高、可连续工作等特点。 整体桥梁工程的打印用了两台机器臂3D打印系统，共用450小时打印完成全部混凝土构件。与同等规模的桥梁相比，它的造价只有普通桥梁造价的三分之二，标志着我国3D混凝土打印建造技术进入世界先进水平。




迪拜政府大楼，@ ApisCor

而就在不久之前，全世界面积最大的3D打印建筑——迪拜政府大楼建成了。 建筑高达9.5米，面积640平方米，采用ApisCor最新的打印设备，直接现场完成所有结构打印，无需任何额外的组装工作，仅需3个工人和配套的机器装置，并适合在恶劣的气候条件下运行。 项目标志着整个混凝土3D打印行业再次向前迈进了一大步。”


3D打印之于设计的未来

综上，3D打印技术结合数字化设计，应用于景观建筑设计，具有集约资源、高效生产、精准控制等优势，是智能化社会发展的必然趋势，而决定其发展及推广的关键因素，仍然是打印材料及打印设备的升级。 就拿青浦园区的国内首批3D打印房屋来说，曾有专家质疑，该技术采用的“玻璃纤维”对人体呼吸系统并不友好，而另一个主要材料“高标号水泥”，则无法回收利用。开发出更环保、更高效、更经济的材料，是打开3D打印建筑市场的关键。 当然，人们对于3D打印建筑材料的探索，也的确从未放慢过脚步。


3D打印城市计划，@ The New Raw

譬如在荷兰和希腊进行的打印城市计划（Print Your City），由厂家提供先进的机械臂和回收设备，鼓励市民们将回收的生活塑料垃圾通过3D打印转变为定制的城市家具。 旨在借由这一公众试验计划，试探在更大领域使用环保材料进行3D打印的可能。



4D打印材料

以及，时下更为先进的4D打印材料：无需任何外力操作，材料便能够直接进行结构变形与组装，实现“以物造物”的尖端黑科技。 ——3D打印的未来，可能性无限。

撰文_Jiapei Tao| 编辑_WOW君
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