【论文】3D打印技术在规划建筑领域中的应用初探

本文是中国建筑设计院王帅规划师和中国科学院自动化研究所沈震研究员联合发表的文章。南极熊小编整理，供大家阅读。
文章主要介绍了在城乡规划与建筑相关行业同样面临产业转型和深度变革之时，3D打印技术能否从某些角度为规划建筑行业的发展带来启示，或者在某些方面推动其转型发展，值得去探索与尝试。作为两种技术领域的交叉结合，将着重从3D打印技术的发展、行业变革需求、规划建筑领域的应用、模型制作流程、前景与挑战等几个方面展开论述，并提出未来发展的路径与措施建议。

3D打印规划建筑领域的技术应用

应用特征

一、行业变革需求

全球经济的转型发展和我国改革开放的持续深入使我国的社会经济发展呈现出了“新常态”的局面，这种新常态既延续了以往的精髓和主脉，又推陈出新，适应了新时代的发展和需求，即传承与变革。在这种大的背景之下，城乡发展方式以及城乡规划也显露出了新的特征，并不断地以创新的姿态迎接新的挑战。转型发展迫在眉睫，无论是区域还是节点、城市还是乡村、编制还是管理、设计还是建设都在进行着诸多新的探索与尝试，归纳起来主要体现在以下四个方面：

（1）区域战略的升级
改革开放的深入加快了我国走出去的步伐，也促进了我国全球战略的形成与完善。作为其根本的区域战略更突显其重要地位，并迅速升级为国家战略。而跨区域发展与区域协调则成为其重要的内容之一，如：“一带一路”战略、长江经济带战略等。

（2）城乡关系的转变
新型城镇化的推进和经济的快速发展改变了原有的城乡关系，使城市与乡村不再是两个孤立的个体，城乡统筹战略已成为大势所趋。随着户籍改革与土地改革的深入，城进乡退的局面在逐步地消失，和谐、可持续的城乡关系正在慢慢形成。同时，传统村落的保护与发展已上升至国家层面，受到各界的广泛关注，也将成为规划建筑领域的一项重要议题和研究内容。

（3）编制技术的发展
科学技术是第一生产力，城乡规划与建筑的编制作为一项综合性的技术是在充分利用、结合其他相关技术的基础上逐步完善的。每一次新技术的革新和运用都会使其换发新的活力，如：ARCGIS在规划中的应用，AEC系统或BIM系统在建筑中的运用。随着工业4.0、新工业革命、“智本主义”和大数据时代的到来，城乡规划与建筑的编制技术也面临着新的发展与创新。在面临增量规划向存量规划转变、探索新的乡村建设方法和多规合一等诸多问题与挑战之时，3D打印技术作为一项辅助的工具与技术无疑可以在详细规划编制、城市设计、建筑设计与施工管理等方面提供极大的帮助。它可以简便、快捷地使二维方案实现真正的三维可视化，并使设计师完整、科学地形成创意构思。

（4）管理体制的创新
城乡规划管理体制的变革与创新一直是近些年行业内讨论的重要话题，涉及规划编制方法、审批、建设管理、监督机制等诸多方面，许多专家、学者也提出了较为合理的措施和建议，但实际操作中收效甚微，这与我国的法制体系和行政体制由较大关系。目前，我国的规划管理体系只接受二维图件的审批（效果图和数据化模型虽然看起来是三维，但实质上仍然是二维空间），也仅利用二维图件和条文指标进行规划建设管理，在面对经验不足的管理者和缺乏相关知识的公众时，显露出了较大的弊端，由于缺乏全面、形象的感知，也容易造成对方案的误判。因此，可否借鉴建筑信息模型BIM系统（或AEC系统）进行三维可视化的实时管理，连接3D打印系统进行模型输出，并在报规、报建时提供三维信息，便于进行全面、实时、直观的规划与建设管理。

二、技术结合层面

（1）规划领域
3D打印技术可在控制性详细规划、修建性详细规划、城市设计、规划管理四个层面进行广泛的应用。主要体现在复杂地形的建立、设计师方案构思与团队讨论、设计师与甲方的沟通、展示沙盘、三维可视化的规划管理等方面。

（2）建筑领域
3D打印技术可在设计师方案构思与团队讨论、设计师与甲方的沟通、建筑信息模型BIM系统、建筑建造以及传统建筑的维护与修缮等诸多方面进行广泛应用。目前，除了方案设计与沟通以外，在实体建筑建造方面，3D打印也已完成了初步的试验和探索，在完善了相关法律法规之后，有望实现规模化生产。针对灾后应急安置房的建设，也可以使用特殊的3D打印机进行整体建筑的打印，实现快速、低成本、安全的建设，满足灾后安置点的需求。在传统建筑的维护与修缮方面，由于构件复杂，3D打印更能突显其优势。
除此之外，还可以应用在规划建筑项目招投标、多方案对比以及城市模型与建筑模型纪念品等方面。

实用建筑

一、突出优势
在实用建筑建造方面，3D打印确实有快速、整体、经济、便捷等优点，尤其是在建筑装饰上，可以私人定制各种个性化的装饰方案和物品摆件，不失为未来发展的一大趋势。具体优势如下：
（1）结构坚固
由于可以实现整体打印， 3D打印出来的建筑可以看做是一个“零件”，各部分是一个整体，而不像传统建筑是由众多零部件构成的，因此，它的抗冲击能力要比传统建造的建筑要更强。
（2）方案灵活
由于3D打印可实现任意形状的建筑制作，这给设计师的创意构思留下了极大的发挥空间，设计方案也更加的灵活自由，富于艺术感，也可以设计出更加复杂的细节，如镂空造型和异形建筑。
（3）高效环保
此外，在建造时间、成本控制、环保性、节能方面，3D打印建筑都比传统的建筑具有一定的优势。它可以极大地节约资源，因为3D打印建筑不产生任何扬尘，也不产生建筑垃圾。

二，建筑主体

2013年1月，荷兰建筑师JanjaapRuijssenaars与意大利发明家Enrico Dini（D-Shape 3D打印机发明人）合作，计划打印出一些包含砂子和无机粘合剂的6×9（米）的建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充。最终的成品建筑会采用单流设计，由上下两层构成。名为“Landscape House”，又称“莫比乌斯环”建筑。
2015 年1 月18 日，在召开的以“3D打印新绿色建筑”为主题的全球发布会上，盈创向世界宣布打印出了全球最高3D 打印建筑5+ 地下1层楼住宅和全球首个带内装、外装一体化3D 打印1100m2精装别墅，并在苏州工业园正式亮相。
至今，3D打印建筑共发展了三种工艺，分别是轮廓工艺、混凝土打印和D型工艺。

三种打印工艺对比

                        轮廓工艺                   混凝土打印                            D型工艺
工艺                         挤压成型                      挤压成型                            3D打印
是否使用模板             否                               否                                        否
使用材料          使用砂浆制作轮廓，
                     胶凝材料作为填充             高性能打印混凝土       含有氧化镁的粉末

粘合剂          不需要                                     不需要                         氯化镁水溶液
喷嘴直径             15mm                               9mm-20mm                      0.15mm
喷嘴数量          1                                              1                                     6300
单层厚度             13mm                         6mm-25mm                      4mm-6mm
抗压强度             未知                         100MPa-110MPa                      235MPa-242MPa
抗折强度                未知                12MPa-13MPa                         14MPa-19MPa

目前，3D打印建筑物有以下三种技术路线；
（1）整体打印
这种打印方式的特点就是一次成型，整个建筑相当于一个零部件，从头至尾一气哼成，打印出的建筑也加耐冲击、牢固，但这也要求3D打印机的体积要比建筑的大一圈，这也限制了打印建筑的高度和规模，因为体积越大，精度就越难控制。
（2）组装打印
这种打印建筑的方式类似于模块化生产，先将建筑的各个零部件打印好，再到现场进行组装，算是3D打印的半自动化，后期仍然需要大量的人工，在一定程度上增加了成本。
（3）群组打印
多个3D打印机共同作业打印一栋建筑，这样既实现了建筑制造的整体性，又解决了组装打印后期需要人工的问题，但需要3D打印机具备一定的群体协调机制和智能化解决方案。

三、建筑装饰

3D打印建筑内装饰也是3D打印技术在建筑实体建造领域的一项重要应用，甚至已超过了建筑主体的建造被逐渐运用到实际项目中。由于其形态灵活，可以自由发挥设计师的创意构思，设计出传统制作方法无法完成的作品，深受设计师和客户的青睐。主要材料有玻璃纤维增强石膏、特种玻璃纤维增强复合水泥、玻璃钢、可替代石材等。成品包括异形家具、建筑外墙、室内天花吊顶、贴砖等。

实体模型

一、规划建筑方案设计

（1）方案构思阶段
无论是规划设计还是建筑设计，在初始的方案构思阶段，通过二维平面展现三维空间是一件较为困难的事，以往我们会通过软件建模、手工制作模型等方式解决这个问题，但效果往往比较粗糙，而且费时、费力。而3D打印可以完美的解决这个问题，它不仅可以直观地展示三维效果，而且方便、快捷，还可以根据想法随时改变方案，随时打印模型。尤其是在进行大型城市综合体和交通枢纽的设计时，3D打印方案模型可快速、直观地解决很多问题。同时，在异形建筑模型的制作商，3D打印更加随心所欲。

（2）成果完善阶段
随着设计的深入，3D打印方案模型可以呈现出更多的细节，如设施、开敞空间、建筑内部结构等。

（3）项目成果展示
作为最终的成果展示，3D打印模型相比于人工制作模型更快速、经济、结实、省人工，在更新与修改方面也更加方便，而且可以打印成更加微缩版的模型，甚至可以将这些3D打印的微缩模型作为纪念品赠送给甲方或者访客。

二、AEC系统或BIM系统

建筑工程结构AEC系统与建筑信息模型BIM系统在本质上属于同一类系统，它是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。目前，该类系统已被诸多建筑设计公司和建设工程公司使用，广东省以行政令的形式积极进行推广，北京市则发布了BIM的地方性标准《民用建筑信息模型（BIM）设计基础标准》。

随着3D打印技术的发展成熟，AEC系统或BIM系统已与之完美结合，不仅实现了三维数据化展示，还完成了三维实体展示。在城乡规划领域，也可以尝试进行类似系统的应用和探索，尤其是在城乡规划的管理工作上，引入三维规划、建设的管理理念，使报规、报建、建设监督等管理工作更加的系统、直观、准确。

三、复杂地形

在规划与建筑设计中，经常会遇到复杂地形的情况，如山川、河流等，传统的解决方案是通过等高线和CAD地形图的二维平面信息想象三维空间的状态，或者初步建立地形的数据化模型，而这种数据化模型实质上仍然是二维的，使用起来较为蹩脚，人工制作模型又费时、费力，效果还不尽如人意。3D打印就能完美地解决这个问题，它不仅可以将复杂的地形直接打印出来，以便设计师充分的掌握地形信息进行方案设计，还可以在成果完成时将地形和方案成果一同打印出来，更加直观地进行展示。

四、展示沙盘

目前，广泛应用模型沙盘的主要是地方政府的城市规划展览馆和开发商的楼盘，用以展示城市的规划发展蓝图以及楼盘的设计信息，其中包括地形、街道、建筑、绿化、水域、农田、照明等诸多因素，且绝大部分是手工进行模型制作（刻录机等辅助），费时、费力、成本高、易损坏。如果利用3D打印机进行模型沙盘的制作，可以克服人工制作的所有缺点，快捷、省力、成本低、坚固，还利于模型的更换。

3D打印规划建筑模型

3D打印规划建筑模型的流程主要包括三维模型制作、模型文件处理、快速成型打印、模型后期处理四个关键步骤。由于不同技术路线、不同材质、不同精度、不同品牌的3D打印机在工作原理、原材料、具体操作等方面都各有不同，下文就以中科院团队研发的国内比较先进的“十维科技”10D125/50系列3D打印机为例进行分析，该机器采用先进的DLP技术（数字光处理技术），详细参数如下：

10D125/50系列3D打印机参数

                                 10D125                10D50                10D50L
应用                      工业设计、电子          珠宝、牙科       珠宝、牙科
XY精度          125μm                               50μm                   50μm
Z精度       50μm/100μm                      25μm                   25μm
打印体积       160*100*200mm       64*40*200mm          96*54*200mm
外形尺寸       300*240*800mm       300*240*800mm       400*400*800mm

一、三维模型制作

目前，制作三维数据化模型的工具软件较多，下文仅以3dsmax为例，对制作过程中需要注意的一些问题进行说明。至于模型的详细制作过程和方法，此处不做详解。

（1）细节比例
对于打印体积160mm*100mm*200mm的建筑模型来说，相当于将实体建筑缩小几百倍，建筑的所有构建也同比例缩小几百倍。如果我们用实际尺寸做所有建筑细节，那么同比例缩小后，打印出来的细节可能就会非常的细小，根据3D打印机的原理，如果模型过薄或过细，将不满足力学要求，局部细节会出现变形，甚至根本打印不出来。要保证3D打印成品模型的质量，它的每一个细节都要大于0.5mm，最好在1mm以上。在3dsmax制作数据化模型时，就要对细节进行适当的加粗、加大处理，或者降低细节的密度，使细节简化，如繁密的窗格等。

（2）无缝模型
3D打印是一种增材制造，原理可以概括为“堆积”。因此，它要求所有的面都不能单独存在，即不能存在悬空面。在3dsmax进行数据化三维建模时，要将建筑所有的面都连接起来，尤其是内外墙与屋顶，实现模型的无缝化。否则，打印出来的模型在缝隙部位就会出现错误，影响成品效果。

（3）支撑变形
为了能完成“堆积”，对于跨度较大的面，在打印前，处理软件会生成类似于柱子的支撑（这个支撑在后期可以去掉），以符合力学原理，减轻变形。但是，在支撑部位会有微小的变形，叫伞降效应。在3dsmax进行建筑三维建模时，最好将建筑实际的内墙和结构一并建立起来，因为符合实际力学要求的建筑结构一般也会符合3D打印，这样就减少了辅助支撑的需求，更利于后期处理。

（4）输出格式
3dsmax建模结束后，需要将文件以.STL格式输出，以便进行接下来的处理和打印工作。同时，在建模和文件输出时，要尽量保持较高的精度，因为数据模型的精度会直接影响到成品的效果。

二、模型文件处理

（1）模型检查
将数据化.STL模型文件加载入打印软件中，对模型进行大小比例、无缝化等检查，确保模型文件无误，尤其是要注意细节的厚度和粗细问题。

（2）支撑处理
利用软件可以为模型文件增加辅助的支撑，并调整支撑的半径和间距，以确保模型的顺利打印。支撑就如同是实体建筑的柱子，使模型作为整体完成一次性打印。但作为辅助部件，在打印后需要将其去掉，因此，支撑越少越好。在进行加支撑处理时，可以不停地变换模型摆放的方位和角度，以最少支撑状态进行打印。对于一般建筑而言，外形近似于方正形态，可以按照正常位进行打印；对于异形建筑或解构主义建筑，要适当变换体位进行打印。

（3）切片处理
切片处理就是将模型文件转化成3D打印可以执行的代码，一般使用0.1mm厚度切片进行操作，并可在无底模型下面增加一个0.1mm的底平面。

三、快速成型打印

根据模型的大小和复杂程度，打印时间在一小时到几小时不等。如果想要得到较大的成品或保留较多的细节，可以事先将建筑模型进行分块处理，即分成几个部分分别进行打印，最后将打印好的诸多部分组装到一起，形成最终成品。这种手法可以得到较大的成品模型，展示较多的细节，但相对较为繁琐。

【论文】3D打印技术在规划建筑领域中的应用初探

四、模型后期处理

模型打印结束后，需将多余的支撑剪掉，并做初步的打磨。这时的模型仍略显粗糙，接下来可以利用特制的化学液对模型进行浸泡或喷雾处理，得到光滑的表面，但光滑处理可能会损坏某些细节。最后，对成品模型进行着色。

前景展望与挑战

一、发展潜力

目前，3D打印仍是一项年轻的技术，发展至今也仅有几十年的时间，整体上仍处于技术完善和产业发展的初期阶段，却在诸多领域都取得了革命性的突破，可谓发展前景巨大，而新型材料的进步又给3D打印技术的发展插上了腾飞的翅膀。在规划建筑领域，3D打印将会有更加广泛的应用和影响。

（1）方案设计方面
3D打印技术的应用使规划建筑设计师省去了许多繁杂的设计流程，也使得方案构思更加的直观、自由，各专业领域的设计师可以在一个三维模型中共同完成方案的设计，便于团队讨论和协作。未来，3D打印机也许会让许多的设计师和建造工人失业，因为只要拥有了一个方案模型，任何人都可以利用3D打印机直接将建筑打印出来。同时，3D打印也解放了建筑的外形，使异形建筑的设计和建造变得随心所欲，这也催生了新的建筑结构设计方法和新的行业规范标准。

（2）建筑材料方面
3D打印技术不仅是对规划建筑设计和建造方式的变革，在建筑材料方面也是一项革新。多维材料、复合材料、化学材料、职能材料等特殊材料替代了以往的砖石、水泥等，也拥有更高的性能和质量。随着新型材料的不断涌现，3D打印建筑将会变得更加丰富多彩。

（3）市场需求方面
3D打印技术十分适合于紧急住房和贫困群体居住。未来研发出来的打印机，能真正造出适合人居住的房子，在遭受自然灾害后，造房机能快速打印出房子，而且能自动安装各种设施，在功能和强度方面都优于救灾帐篷和活动板房。在城市规划领域，除了设计层面的需求外，在模型沙盘的展示、可视化三维管理系统的建立等方面都将有十分广阔的应用。

二、发展瓶颈

3D打印技术和相关产业在短时期内获得了飞速的发展，但在某些方面仍然面临着诸多挑战，如打印材料和打印成本的限制与成品安全性的担忧。因此，短期内，3D 打印技术不可能完全替代传统建筑方式，一种较大的可能是新技术与传统工艺互为补充【12】。要想实现更加广泛的应用，3D打印技术仍需要在以下几个方面实现突破：

（1）完善功能
目前，民用级3D打印机的功能仍较为单一，一般只能使用一种颜色或一种材料进行打印，精度一般，且多数机型仅是针对某一特定领域或行业设计，用途较为单一。工业级3D打印机功能较多，精度较高，但价格昂贵，由于受技术发展的限制，功能也非十分完善。未来，应不断完善设备的功能，扩展适用的领域，提高打印精度，满足更加广泛的需求。

（2）降低成本
3D打印技术的未来之路必定是朝着大众化、工业化的方向发展，高成本是其前进道路上的重大障碍。目前，工业级的3D打印机价格高达几百万元，民用级的由于技术差异也是几万到几十万不等，这使得3D打印对于大众化市场来说仍是可望而不可及，国内诸多3D照相馆的亏损就是有力的证明。因此，进一步降低成本，使之真正进入大众化的消费领域是3D打印面临的重大难题。

（3）健全体制
困扰3D打印技术大规模产业化发展的一个关键问题就是容易被盗版的缺憾，需建立相应的知识产权保护体系，以利于产业的健康发展。同时，由于3D打印技术革新了传统的设计方式、建造材料和建造方式，甚至是建筑的结构和外形，在法律、法规、标准等方面也存在较大的漏洞和缺失，亟待完善。

总结

3D打印作为一项新兴的技术和产业将会在模型制作、实体建造、可视化管理等方面促进规划建筑行业的转型发展和变革。随着技术的逐步完善和产业链的有序建立，它将以更加低廉的成本、丰富的功能、可靠的保障进入我们的领域，使设计师的构思更加自由、方案更加科学、成果更加直观、管理更加高效。在实体建筑领域，3D打印技术的发展将使大规模个性化的建造成为可能，并创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，这将会带来全球建造业经济的重大变革，在低成本建筑和灾后临时安置点的建造上有望率先获得大规模应用。总之，3D打印技术在规划建筑领域的运用会更加的广阔，它将在某些方面有助于规划建筑行业实现华丽的转身。

打印建筑模型赏析

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