三維打印模式對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響 于雷
本刊 2013-06-20 16:34:28
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三維打印模式對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響 于雷
三維打印的熱潮正在滾滾而來(lái)。不消說(shuō)媒體上鋪天蓋地的宣傳，號(hào)稱對(duì)制造業(yè)的顛覆，單是不少建筑師，也已經(jīng)思忖著買臺(tái)三維打印機(jī)打出自己參數(shù)化的設(shè)計(jì)了。但除了做個(gè)模型，它還能不能改變?cè)O(shè)計(jì)手段，改變建造方式，改變?cè)O(shè)計(jì)思路？
三維打印技術(shù)（3D Printing Technology）的概念產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)70年代，但是在最近幾年才真正紅火起來(lái)。這一方面是因?yàn)榧夹g(shù)的開源使某些技術(shù)公司無(wú)法再秘密持有先進(jìn)的技術(shù)和理念，同時(shí)發(fā)達(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)也使人們能夠從多個(gè)角度和層次尋求這種技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的適用性，數(shù)字技術(shù)在逐漸形成一個(gè)全領(lǐng)域的支持平臺(tái)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(chǎn)生了對(duì)更有效的生成及生產(chǎn)方式的訴求，數(shù)控CNC技術(shù)（Computer NumericalControl）和機(jī)器人技術(shù)（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(shù)是數(shù)控C N C技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。它采用加法的原則把數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成物理模型——簡(jiǎn)單易懂地表述，就是對(duì)計(jì)算機(jī)模型在水平方向進(jìn)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(shù)據(jù)，最終生成物理性的實(shí)體。這其實(shí)同蓋樓的方式一樣，只不過(guò)是采用了“打印澆筑”的方式。
理論上來(lái)說(shuō)，三維打印技術(shù)可以生成各種復(fù)雜的實(shí)體及空間形態(tài)，其實(shí)事實(shí)上也是這樣。這是一種簡(jiǎn)單但是效果驚人的生成模式，它使原來(lái)具有一定爭(zhēng)議的“精妙數(shù)字模型”能夠被快速地生成實(shí)體原型，提供進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化的可能性，對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)時(shí)代的加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，這是不可思議的。比如設(shè)計(jì)生產(chǎn)一個(gè)構(gòu)件，在過(guò)去流程中往往需要經(jīng)過(guò)圖紙化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)“物理化”模型（Feature Based Model）已經(jīng)取代了圖紙化階段，可是如果用傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，仍然需要很多步驟，并累計(jì)很多材料和人工的成本。更嚴(yán)重的是，由于傳統(tǒng)加工方式在工藝上有局限性，使得設(shè)計(jì)階段需要考慮很多限制因素，束縛了設(shè)計(jì)思維的自由發(fā)散。
三維打印快速成型的意義正是跳過(guò)了傳統(tǒng)成型工藝的很多步驟，達(dá)到“點(diǎn)到點(diǎn)”的直接生成方式，也就是從設(shè)計(jì)直接到產(chǎn)品的方式。如果人們抱怨打印的速度太慢，有時(shí)候需要幾個(gè)小時(shí)或者幾天的時(shí)間，那么對(duì)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(shù)的成熟應(yīng)用，使得打印的精度可以控制到微米的級(jí)別，這更是手工加工方式難以企及的。
作為建筑設(shè)計(jì)師，如果單純從技術(shù)的角度出發(fā)使用三維打印技術(shù)，就會(huì)如同我們當(dāng)年把計(jì)算機(jī)模型作為表現(xiàn)圖繪制的一個(gè)步驟一樣，未免顯得狹隘。既然現(xiàn)在運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維模型已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的工作方式，那么隨著三維打印等快速成型技術(shù)的普及，三維實(shí)體生成也會(huì)成為設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)必要階段。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中增加的三維實(shí)體生成階段所帶來(lái)的益處，可以簡(jiǎn)單地從以下幾個(gè)角度理解。
方案角度
除了草圖、表現(xiàn)圖等手段，在設(shè)計(jì)階段需要使用物理模型對(duì)概念方案進(jìn)行推敲。雖然計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很成熟的階段，但使用二維的圖形手段來(lái)表達(dá)三維實(shí)體和空間，是業(yè)界的普遍現(xiàn)象，很難具有真實(shí)性并提高確定性。同時(shí)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)成果及發(fā)展過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，用一般的模型制作手段很難精確和有效地還原數(shù)字模型，也需要消耗大量的人力和物力。使用三維打印機(jī)，則可以非常有效地解決上述問(wèn)題，并且可以通過(guò)快速成型，反復(fù)地推敲方案�，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了很多為設(shè)計(jì)工作室而生產(chǎn)的桌面級(jí)三維打印機(jī)，可以將辦公室一角迅速轉(zhuǎn)換成一個(gè)24小時(shí)不停工作的“模型作坊”。設(shè)計(jì)師第二天一早就可以根據(jù)打印出來(lái)的模型，討論前一天的工作成果，這無(wú)疑是一種提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的有效輔助方式。
構(gòu)造角度
在目前的設(shè)計(jì)流程中，非標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程一般是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的，往往由于時(shí)間成本的限制，無(wú)法有效且合理地解決問(wèn)題，而采取讓步的態(tài)度。同時(shí)由于要經(jīng)過(guò)很多加工工序，中間需要同各種工藝部門進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，使設(shè)計(jì)在制作實(shí)物的過(guò)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)往往一開始就被無(wú)法控制預(yù)算的問(wèn)題所困擾，設(shè)計(jì)師也因?yàn)榧蓱動(dòng)趶?fù)雜的流程而望而卻步�？梢哉f(shuō)，是工業(yè)革命的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)體系，限制了設(shè)計(jì)的自由發(fā)揮。
數(shù)字化模型可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上解決大部分上述問(wèn)題，如模擬現(xiàn)實(shí)并進(jìn)行物理化性能分析，但是從模型空間到實(shí)體的轉(zhuǎn)化過(guò)程仍然存在銜接問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)有加工方式在一定程度上還無(wú)法完成復(fù)雜制作。三維打印等C N C加工技術(shù)正好彌補(bǔ)了這個(gè)斷層，使設(shè)計(jì)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(guān)系，從而最大化地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)追求。大尺寸的三維打印機(jī)已經(jīng)面世，德國(guó)的制造商研發(fā)的機(jī)器，打印尺寸可達(dá)2m×2m×6m，打印精度更在0.1m m以內(nèi)，使得很多構(gòu)件都可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)行燒灼式打印，或采用橡膠材料進(jìn)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(shè)計(jì)工作室內(nèi)的陳列品了。
加工及施工配合角度
一般來(lái)說(shuō)，非標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件仍需要進(jìn)行批量制造，以滿足建造中數(shù)量上的要求。對(duì)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(chǎn)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(duì)于現(xiàn)有構(gòu)筑物進(jìn)行替換和升級(jí)時(shí)，也可以通過(guò)三維掃描的手段，將物理?xiàng)l件導(dǎo)入數(shù)字模型空間，從而生成更合理有效的兼容性構(gòu)件。用三維打印輸出測(cè)試后，可以用澆筑的工藝準(zhǔn)確地加工成品，一般來(lái)講能夠做到一次性升級(jí)成功。同樣，施工的時(shí)候也可以用三維打印手段生成構(gòu)造示范模型，使施工方更精確地理解構(gòu)造方式，降級(jí)返工的幾率。對(duì)于正在迅速發(fā)展的工廠預(yù)制建造模式來(lái)說(shuō)，三維打印等C N C生產(chǎn)方式更是錦上添花�？梢栽O(shè)想一下，也許很快“定制式”建造方式會(huì)形成新的時(shí)尚和巨大的潛在市場(chǎng)。這一切都將在數(shù)字生成和加工技術(shù)環(huán)境下得到迅速催化。
現(xiàn)在，有主流媒體在散布數(shù)字技術(shù)支
持下的“第三次工業(yè)革命”概念，其中三維打印技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)扮演著重要的角色。也許用“革命”二字會(huì)顯得敏感和激進(jìn)，使不了解這方面情況的人士產(chǎn)生逆反情緒。 但是從實(shí)用的角度來(lái)講，這些數(shù)字加工技術(shù)的確會(huì)逐漸滲透到從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的各個(gè)層次。這一方面是為了滿足對(duì)社會(huì)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加個(gè)性化的需要。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)模式都將逐漸進(jìn)化，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。如果回顧一下這10年來(lái)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的普及，不難得出推論：隨著三維打印機(jī)的普及，耗材成本的下降及用戶操作界面的簡(jiǎn)化，三維打印技術(shù)將會(huì)像家用電器一樣，成為我們生活的一部分；而對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，它更是一種有力的輔助手段，使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐更加緊密地聯(lián)系起來(lái)。
作者為建解建筑車間主持建筑師，同時(shí)也在清華大學(xué)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究中心（LCD）、瑞士蘇黎士理工學(xué)院（ETH）擔(dān)任參數(shù)化設(shè)計(jì)教學(xué)工作
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