简析3D打印在园林设计中的应用
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摘 要：随着园林设计理念与计算机技术的发展，当前园林设计中出现了越来越多具有曲线、非线性、有机形态的作品。这些作品在进行施工建造时常会遇到曲线部分难以建造以及施工误差过大的问题。针对这样的问题，在现代多学科技术背景下，3D打印很大程度上可以给出一定的优化方案。从3D打印在园林设计及施工过程的应用出发，简析其所具有的优势与不足。
关键词：园林设计;3D打印;应用
3D打印技术又被称为增材制造技术，是近20年来多学科技术水平发展共同作用下产生的新型先进制造技术。其基于增材制造材料可控逐点堆积的原理，逐步实现“材料——设计——制造”一体化的过程。[1]借助精准的计算机建模以及材料制造过程中的准确计算，3D打印技术能很好地控制曲面异形物体的加工成型。
随着现代园林设计理论的发展，许多园林设计师倾向于选择与自然场地形态关联更为密切的有机曲线作为自己的设计语言。在这样的设计理念之下，园林小品的形态越来越偏向于自然的非线性形态。3D打印在非线性设计的园林小品设计中拥有广阔的应用前景。
1 3D打印技术在园林设计中的优点
1.1 施工精确、曲面平滑
由于3D打印的基础是依据计算机生成的三维数据，通过程序计算进而转换为打印头、喷嘴或其他成型加工技术的控制方案[1]，其对于曲面构件的生产加工精度非常高，与传统的手工成型的加工方法相比，在制造精度上有着相当大的优势。
对于存在多阶非线性曲面的园林建造而言，利用3D打印技术可以实现对园林建造构件的精准施工控制，使其拥有对自然曲面有更好的表达能力，建成效果与场地环境的呼应更加和谐，同时也更准确地表达了设计师的设计意图。
实际应用方面，在上海科普公园，来自清华大学建筑学院的团队利用机械臂3D打印混凝土平台完成了世界最大的3D打印的步行桥，如图1、2所示。桥身由诸多混凝土3D打印成型的构件拼接而成，其表面模拟水面涟漪状的波纹造型栩栩如生，曲面塑造极其平滑，用传统模板混凝土浇筑方法很难达到如此的效果。
1.2 为园林设计提供新思路
新的生产建造技术必然会给设计者带来新的设计思路，提供更便捷高效的设计方法。园林设计师长久以来习惯于基于传统施工加工技术下的园林设计，设计方法也多依赖二维图纸。3D打印技术因其对异形构件加工具有极大的优势，为设计师提供了更多建造的可能性，在一定程度上拓宽了设计师的思想。在面对园林场地设计时，可以以一种更加整体的、积极的态度对自然空间作出回应，而不用过多地拘泥于设计能否最终实施。从而为现代园林设计提供更多的设计可能性，以更多的施工可行性推动设计可能性。
3D打印技术还为园林设计提供了更多更便捷直观的设计方法。基于增材制造技术对三维模型的精准控制，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）建筑系LVML实验室利用这一特点研发出一套沙盒系统来辅助设计过程，如图3所示。
其原理是利用已有的三维场地信息数据，借助3D打印技术对目标场地进行负模的制造。然后将其倒扣在盛满粘性可塑沙的工作台中，将粘性沙塑造为目标场地的形状。[3]这样完成的场地模型有两方面的优势。一是由3D打印技术制作的负模十分精准，得到的场地模型准确度也很高，设计师可以在此基础上准确地进行规划设计。二是用粘性沙制作的场地模型易于塑性，设计师可以根据其设计自由修改地形。若设计师希望复原原始场地，其只需将负模重新倒扣即可。这样的三维场地的呈现，比起二维图纸对需要园林设计师处理大量复杂的场地信息而言，无疑是一种非常便捷直观准确的设计方法。
1.3 节约材料
3D打印不同于传统的机加工减材制造，其制造生产过程是自下向上层层堆叠完成的，无需刀具或模具对原材料的加工。这样很大程度上节约了原材料在生产过程中的损耗问题，提高了生产材料的利用率。
2 3D打印技术在园林设计中的不足
2.1 加工成本高
在工程实施的过程中，成本是至关重要的因素。对于3D打印应用于园林施工而言，虽然其拥有许多传统制造工艺难以企及的优点，但在现阶段施工条件下，加工成本普遍高于传统减材制造的生产方法。其主要原因有2点：一是当前3D打印并未是一种市场上普遍推广的生产方法，所以不论是从产业的规模化还是行业的标准化上都还处于不太完善的阶段。[4]二是3D打印对生产原料的要求较苛刻，价格高于同类普通材料。以3D打印混凝土為例，为了保持混凝土在没有内部钢筋作为支撑时的强度要求，需要在其中加入适当比例的玻璃纤维以增强其整体的强度，而且混凝土中各类骨料的比例也需精准控制才能满足3D打印的成型要求。
2.2 加工时间长
由于3D打印的原理是原材料自下而上层层堆叠而成，所以相比于模具完备的传统制造工艺而言，在当前的加工工艺之下，其生产速度较慢。加之产业工人的熟练度不同，在使用3D打印生产时，需要充分考虑到生产效率对工程进度的影响。
2.3 加工构件大小规模受限且需要二次加工
由于受到3D打印设备有效作业面大小制约，其单次可加工的构建规模有限。所以在进行大体积构件加工时，需要将目标构件分成若干个打印大小范围内的构件，同时需要考虑到各部分构件之间的连接问题及连接后接缝处的处理，以达到理想的状态。
此外，在园林中常见的3D打印类型为熔融沉积成型（FDM）或混凝土3D打印，这2种类型的3D打印方式使其成品表面均会有一层一层的纹理，尤其是混凝土3D打印的表面通常十分粗糙。若所需的制造成品对于表面的光滑度较高，用3D打印制作的产品必需进行表面的处理，使其满足平整度的要求。
3 结语
园林的设计以及施工过程是一个基于场地进行规划设计再回归落实于场地的过程[3]。3D打印作为一种新型的设计与生产技术，以其良好的非线性曲面塑造能力更好地实现了园林设计对场地的回应，给予了园林设计师从新的角度来审视园林设计，推动了园林设计及施工技术的发展。（收稿：2019-08-16）
参考文献：
[1]李涤尘，贺健康，田小永，等.增材制造：实现宏微结构一体化制造[J].机械工程学报，2013，49（6）：129-135.
[2]Pia Fricker，Christophe Girot， Georg Munkel. How to Teach ’New Tools’ in Landscape Architecture in the Digital Overload [J].Computation and Performance，2014，（2）：546-553.
[3]冯潇，王文韬.计算机辅助建造技术（CAM）在风景园林规划设计阶段的应用探索[J].风景园林，2016（2）：20-25.
[4]杜宇雷，孙菲菲，原光，等.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2014，29（1）：20-24.
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