三維打印模式對建筑設計的影響 于雷
本刊 2013-06-20 16:34:28
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三維打印模式對建筑設計的影響 于雷
三維打印的熱潮正在滾滾而來。不消說媒體上鋪天蓋地的宣傳，號稱對制造業(yè)的顛覆，單是不少建筑師，也已經思忖著買臺三維打印機打出自己參數化的設計了。但除了做個模型，它還能不能改變設計手段，改變建造方式，改變設計思路？
三維打印技術（3D Printing Technology）的概念產生于上個世紀70年代，但是在最近幾年才真正紅火起來。這一方面是因為技術的開源使某些技術公司無法再秘密持有先進的技術和理念，同時發(fā)達的信息網絡也使人們能夠從多個角度和層次尋求這種技術在各個領域的適用性，數字技術在逐漸形成一個全領域的支持平臺等種種原因。但真正促銷這種概念的主因，還是全球性資源的緊張和人力成本的提高，從而產生了對更有效的生成及生產方式的訴求，數控CNC技術（Computer NumericalControl）和機器人技術（Robotics）正是在這種環(huán)境下得到了快速的發(fā)展。三維打印技術是數控C N C技術的一個重要組成部分。它采用加法的原則把數字模型轉換成物理模型——簡單易懂地表述，就是對計算機模型在水平方向進行相同單位的剖切處理，用打印的方式在垂直方向上逐層疊加得到的數據，最終生成物理性的實體。這其實同蓋樓的方式一樣，只不過是采用了“打印澆筑”的方式。
理論上來說，三維打印技術可以生成各種復雜的實體及空間形態(tài)，其實事實上也是這樣。這是一種簡單但是效果驚人的生成模式，它使原來具有一定爭議的“精妙數字模型”能夠被快速地生成實體原型，提供進一步測試和優(yōu)化的可能性，對于傳統(tǒng)的工業(yè)時代的加工技術來說，這是不可思議的。比如設計生產一個構件，在過去流程中往往需要經過圖紙化設計，現在計算機“物理化”模型（Feature Based Model）已經取代了圖紙化階段，可是如果用傳統(tǒng)加工方式生產數據模型，仍然需要很多步驟，并累計很多材料和人工的成本。更嚴重的是，由于傳統(tǒng)加工方式在工藝上有局限性，使得設計階段需要考慮很多限制因素，束縛了設計思維的自由發(fā)散。
三維打印快速成型的意義正是跳過了傳統(tǒng)成型工藝的很多步驟，達到“點到點”的直接生成方式，也就是從設計直接到產品的方式。如果人們抱怨打印的速度太慢，有時候需要幾個小時或者幾天的時間，那么對比一下用常規(guī)方式生成所需要的周期，“快速成型”的意義就不言而喻了。從精度上看，C N C技術的成熟應用，使得打印的精度可以控制到微米的級別，這更是手工加工方式難以企及的。
作為建筑設計師，如果單純從技術的角度出發(fā)使用三維打印技術，就會如同我們當年把計算機模型作為表現圖繪制的一個步驟一樣，未免顯得狹隘。既然現在運用計算機三維模型已經成為一種標準的工作方式，那么隨著三維打印等快速成型技術的普及，三維實體生成也會成為設計過程的一個必要階段。在整個設計過程中增加的三維實體生成階段所帶來的益處，可以簡單地從以下幾個角度理解。
方案角度
除了草圖、表現圖等手段，在設計階段需要使用物理模型對概念方案進行推敲。雖然計算機三維模擬技術已經達到很成熟的階段，但使用二維的圖形手段來表達三維實體和空間，是業(yè)界的普遍現象，很難具有真實性并提高確定性。同時，現在的設計成果及發(fā)展過程越來越復雜，用一般的模型制作手段很難精確和有效地還原數字模型，也需要消耗大量的人力和物力。使用三維打印機，則可以非常有效地解決上述問題，并且可以通過快速成型，反復地推敲方案。現在市面上已經出現了很多為設計工作室而生產的桌面級三維打印機，可以將辦公室一角迅速轉換成一個24小時不停工作的“模型作坊”。設計師第二天一早就可以根據打印出來的模型，討論前一天的工作成果，這無疑是一種提高設計質量和效率的有效輔助方式。
構造角度
在目前的設計流程中，非標準化構件的設計過程一般是漫長而復雜的，往往由于時間成本的限制，無法有效且合理地解決問題，而采取讓步的態(tài)度。同時由于要經過很多加工工序，中間需要同各種工藝部門進行信息轉換，使設計在制作實物的過程中或多或少地受到損失，并且消耗大量資金。所以，采取非標準化設計往往一開始就被無法控制預算的問題所困擾，設計師也因為忌憚于復雜的流程而望而卻步。可以說，是工業(yè)革命的標準化生產體系，限制了設計的自由發(fā)揮。
數字化模型可以在現有技術的基礎上解決大部分上述問題，如模擬現實并進行物理化性能分析，但是從模型空間到實體的轉化過程仍然存在銜接問題，因為現有加工方式在一定程度上還無法完成復雜制作。三維打印等C N C加工技術正好彌補了這個斷層，使設計師及工程師能夠和制造（F a b r i c a t i o n）直接發(fā)生關系，從而最大化地實現設計追求。大尺寸的三維打印機已經面世，德國的制造商研發(fā)的機器，打印尺寸可達2m×2m×6m，打印精度更在0.1m m以內，使得很多構件都可以實現足尺寸輸出。而且在材料上也有很多突破，如采用尼龍或金屬進行燒灼式打印，或采用橡膠材料進行噴涂固化式打印等。也許很快，三維打印成品將不再僅僅是設計工作室內的陳列品了。
加工及施工配合角度
一般來說，非標準化構件仍需要進行批量制造，以滿足建造中數量上的要求。對于這種情況，可將多次優(yōu)化后的三維打印成品直接作為翻模的母體，投入批量生產的流程，既降低了開模的成本，也提高了開模的效率和成功率。另外，對于現有構筑物進行替換和升級時，也可以通過三維掃描的手段，將物理條件導入數字模型空間，從而生成更合理有效的兼容性構件。用三維打印輸出測試后，可以用澆筑的工藝準確地加工成品，一般來講能夠做到一次性升級成功。同樣，施工的時候也可以用三維打印手段生成構造示范模型，使施工方更精確地理解構造方式，降級返工的幾率。對于正在迅速發(fā)展的工廠預制建造模式來說，三維打印等C N C生產方式更是錦上添花。可以設想一下，也許很快“定制式”建造方式會形成新的時尚和巨大的潛在市場。這一切都將在數字生成和加工技術環(huán)境下得到迅速催化。
現在，有主流媒體在散布數字技術支
持下的“第三次工業(yè)革命”概念，其中三維打印技術和機器人技術扮演著重要的角色。也許用“革命”二字會顯得敏感和激進，使不了解這方面情況的人士產生逆反情緒。 但是從實用的角度來講，這些數字加工技術的確會逐漸滲透到從設計到生產的各個層次。這一方面是為了滿足對社會及自然資源使用效率的更高訴求，另一方面也得益于人們對產品設計更加個性化的需要。設計和生產模式都將逐漸進化，以適應市場的需求。如果回顧一下這10年來計算機輔助設計技術的普及，不難得出推論：隨著三維打印機的普及，耗材成本的下降及用戶操作界面的簡化，三維打印技術將會像家用電器一樣，成為我們生活的一部分；而對于設計師來說，它更是一種有力的輔助手段，使設計和生產實踐更加緊密地聯系起來。
作者為建解建筑車間主持建筑師，同時也在清華大學參數化設計研究中心（LCD）、瑞士蘇黎士理工學院（ETH）擔任參數化設計教學工作
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