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2013-06-20 16:34:28
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三维打印模式对建筑设计的影响 于雷
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三维打印模式对建筑设计的影响 于雷
三维打印的热潮正在滚滚而来。不消说媒体上铺天盖地的宣传，号称对制造业的颠覆，单是不少建筑师，也已经思忖着买台三维打印机打出自己参数化的设计了。但除了做个模型，它还能不能改变设计手段，改变建造方式，改变设计思路？
三维打印技术（3D Printing Technology）的概念产生于上个世纪70年代，但是在最近几年才真正红火起来。这一方面是因为技术的开源使某些技术公司无法再秘密持有先进的技术和理念，同时发达的信息网络也使人们能够从多个角度和层次寻求这种技术在各个领域的适用性，数字技术在逐渐形成一个全领域的支持平台等种种原因。但真正促销这种概念的主因，还是全球性资源的紧张和人力成本的提高，从而产生了对更有效的生成及生产方式的诉求，数控CNC技术（Computer NumericalControl）和机器人技术（Robotics）正是在这种环境下得到了快速的发展。三维打印技术是数控C N C技术的一个重要组成部分。它采用加法的原则把数字模型转换成物理模型——简单易懂地表述，就是对计算机模型在水平方向进行相同单位的剖切处理，用打印的方式在垂直方向上逐层叠加得到的数据，最终生成物理性的实体。这其实同盖楼的方式一样，只不过是采用了“打印浇筑”的方式。
理论上来说，三维打印技术可以生成各种复杂的实体及空间形态，其实事实上也是这样。这是一种简单但是效果惊人的生成模式，它使原来具有一定争议的“精妙数字模型”能够被快速地生成实体原型，提供进一步测试和优化的可能性，对于传统的工业时代的加工技术来说，这是不可思议的。比如设计生产一个构件，在过去流程中往往需要经过图纸化设计，现在计算机“物理化”模型（Feature Based Model）已经取代了图纸化阶段，可是如果用传统加工方式生产数据模型，仍然需要很多步骤，并累计很多材料和人工的成本。更严重的是，由于传统加工方式在工艺上有局限性，使得设计阶段需要考虑很多限制因素，束缚了设计思维的自由发散。
三维打印快速成型的意义正是跳过了传统成型工艺的很多步骤，达到“点到点”的直接生成方式，也就是从设计直接到产品的方式。如果人们抱怨打印的速度太慢，有时候需要几个小时或者几天的时间，那么对比一下用常规方式生成所需要的周期，“快速成型”的意义就不言而喻了。从精度上看，C N C技术的成熟应用，使得打印的精度可以控制到微米的级别，这更是手工加工方式难以企及的。
作为建筑设计师，如果单纯从技术的角度出发使用三维打印技术，就会如同我们当年把计算机模型作为表现图绘制的一个步骤一样，未免显得狭隘。既然现在运用计算机三维模型已经成为一种标准的工作方式，那么随着三维打印等快速成型技术的普及，三维实体生成也会成为设计过程的一个必要阶段。在整个设计过程中增加的三维实体生成阶段所带来的益处，可以简单地从以下几个角度理解。
方案角度
除了草图、表现图等手段，在设计阶段需要使用物理模型对概念方案进行推敲。虽然计算机三维模拟技术已经达到很成熟的阶段，但使用二维的图形手段来表达三维实体和空间，是业界的普遍现象，很难具有真实性并提高确定性。同时，现在的设计成果及发展过程越来越复杂，用一般的模型制作手段很难精确和有效地还原数字模型，也需要消耗大量的人力和物力。使用三维打印机，则可以非常有效地解决上述问题，并且可以通过快速成型，反复地推敲方案。现在市面上已经出现了很多为设计工作室而生产的桌面级三维打印机，可以将办公室一角迅速转换成一个24小时不停工作的“模型作坊”。设计师第二天一早就可以根据打印出来的模型，讨论前一天的工作成果，这无疑是一种提高设计质量和效率的有效辅助方式。
构造角度
在目前的设计流程中，非标准化构件的设计过程一般是漫长而复杂的，往往由于时间成本的限制，无法有效且合理地解决问题，而采取让步的态度。同时由于要经过很多加工工序，中间需要同各种工艺部门进行信息转换，使设计在制作实物的过程中或多或少地受到损失，并且消耗大量资金。所以，采取非标准化设计往往一开始就被无法控制预算的问题所困扰，设计师也因为忌惮于复杂的流程而望而却步。可以说，是工业革命的标准化生产体系，限制了设计的自由发挥。
数字化模型可以在现有技术的基础上解决大部分上述问题，如模拟现实并进行物理化性能分析，但是从模型空间到实体的转化过程仍然存在衔接问题，因为现有加工方式在一定程度上还无法完成复杂制作。三维打印等C N C加工技术正好弥补了这个断层，使设计师及工程师能够和制造（F a b r i c a t i o n）直接发生关系，从而最大化地实现设计追求。大尺寸的三维打印机已经面世，德国的制造商研发的机器，打印尺寸可达2m×2m×6m，打印精度更在0.1m m以内，使得很多构件都可以实现足尺寸输出。而且在材料上也有很多突破，如采用尼龙或金属进行烧灼式打印，或采用橡胶材料进行喷涂固化式打印等。也许很快，三维打印成品将不再仅仅是设计工作室内的陈列品了。
加工及施工配合角度
一般来说，非标准化构件仍需要进行批量制造，以满足建造中数量上的要求。对于这种情况，可将多次优化后的三维打印成品直接作为翻模的母体，投入批量生产的流程，既降低了开模的成本，也提高了开模的效率和成功率。另外，对于现有构筑物进行替换和升级时，也可以通过三维扫描的手段，将物理条件导入数字模型空间，从而生成更合理有效的兼容性构件。用三维打印输出测试后，可以用浇筑的工艺准确地加工成品，一般来讲能够做到一次性升级成功。同样，施工的时候也可以用三维打印手段生成构造示范模型，使施工方更精确地理解构造方式，降级返工的几率。对于正在迅速发展的工厂预制建造模式来说，三维打印等C N C生产方式更是锦上添花。可以设想一下，也许很快“定制式”建造方式会形成新的时尚和巨大的潜在市场。这一切都将在数字生成和加工技术环境下得到迅速催化。
现在，有主流媒体在散布数字技术支
持下的“第三次工业革命”概念，其中三维打印技术和机器人技术扮演着重要的角色。也许用“革命”二字会显得敏感和激进，使不了解这方面情况的人士产生逆反情绪。 但是从实用的角度来讲，这些数字加工技术的确会逐渐渗透到从设计到生产的各个层次。这一方面是为了满足对社会及自然资源使用效率的更高诉求，另一方面也得益于人们对产品设计更加个性化的需要。设计和生产模式都将逐渐进化，以适应市场的需求。如果回顾一下这10年来计算机辅助设计技术的普及，不难得出推论：随着三维打印机的普及，耗材成本的下降及用户操作界面的简化，三维打印技术将会像家用电器一样，成为我们生活的一部分；而对于设计师来说，它更是一种有力的辅助手段，使设计和生产实践更加紧密地联系起来。
作者为建解建筑车间主持建筑师，同时也在清华大学参数化设计研究中心（LCD）、瑞士苏黎士理工学院（ETH）担任参数化设计教学工作
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