3D打印技術在規劃建筑領域中的應用初探
時間：2016-01-25 11:20 來源：南極熊3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
對于《3D打印技術在規劃建筑領域中的應用》，當然只是“初探”，因為現在的3D打印技術可以說是仍處在初步發展的時期，今天的研究也只是起到拋磚引玉的作用，希望日后能與大家進行深入的研究和探討。
從題目中可以看的出，作者研究的是兩項技術的結合，那么為什么要將3D打印技術與規劃建筑技術進行結合呢？也就是本次研究的背景。
規劃建筑行業作為文化創意產業可以稱得上是真正的智本主義，在經歷了快速城鎮化浪潮和城鎮建設粗放式增長后，我們迎來了工業4.0和大數據時代，這是個快速變革的時代，轉型的方向有很多，著眼點也各有不同，如多規合一、存量規劃、創新鄉村建設和規劃體制變革等，但有時我們也需要跳出行業看發展，站在圈外談變革。從未來著眼，3D打印技術也許真的會為我們帶來一場顛覆性的革命，重新定義規劃建筑行業。
去年的8月21日，李克強總理攜副總理、國務委員、各部部長、央企、金融機構負責人等主持召開國務院專題講座，專門討論加快發展3D打印等問題，這表明，3D打印技術的發展已上升至國家層面，受到高度重視。
準備從以下七個方面來探討這個話題。既要立足于現實需求，更要著眼于未來發展。
3D打印技術的學名叫快速成型技術，它的原理說白了就是通過XYZ軸將物體堆疊出來，與傳統制造方式最大的不同點，它是增材制造，幾乎不浪費一點材料，而傳統制造方式是減材制造。
比如我想做一個頭盔模型，那么我需要一塊剛好能將頭盔容納下的立方體材料，將多余的材料去掉，剩下的才是頭盔模型，那么這些去掉的材料就浪費了。
由于3D打印是一體成型，不需要任何組裝程序，所以也節省了時間。同時，由于它完全是機器操作，極大地節省了人力，精度還比人工高、失誤率也比人工低很多。
對于企業而言，材料、時間、人力都是成本，降低成本、提高效益恰恰是一個企業永恒的話題。
立體平板印刷技術是最早誕生的3D打印的技術路線，兩年后，第一臺3D打印機出世，大概十年后，相對成熟的技術體系形成，可以看出，這項技術的歷史比較短，但發展十分迅猛，目前正處在穩步爬升的時期。
8月4日，美國FDA（食品藥品監督管理局）批準了首款3D打印的抗癲癇藥物SPRITAM（左乙拉西坦）速溶片，就是圖上的這款藥物。
美國一位槍械發燒友用3D打印機打出一部槍并累計射擊二百余次。
3D打印技術與規劃建筑技術的結合主要體現在兩個層面，其中之一就是我們常接觸的實體模型。一直以來我們都是靠手工來制作模型的，并且多數是在成品階段。
相比之下，3D打印模型要更加堅固、精細、準確、快速、成本低，最關鍵的是方便，再也不用往模型公司跑了。而且這種模型打印可以貫穿項目的各個階段，推敲方案、完善細節、成果展示等，最后還可以作為紀念品送給甲方，相信甲方一定喜歡。
3D打印模型真正的優勢在打印復雜地形和異形建筑上。像這種山地地形、復雜的鋼構架建筑和曲面弧線較多的異形建筑，手工制作費時、費力，還很難做到精確，但3D打印就可以做到非常的精細、精確，這也是3D打印技術最突出的優勢之一。
3D打印與規劃建筑相結合的另一個層面就是實用建筑打印。大家可能會有兩個疑問：一個是有沒有必要，另一個是到底行不行。
千百年來，人類都是用雙手來蓋房子的，無論哪個國家、哪個朝代都是如此，從未變過，那為什么現在就要變呢？在座的各位一定深有體會，無論你是生活在鄉村還是城市，房子都是一生當中的大事，為什么是大事？原因之一就是貴！一個農民蓋一座民宅幾乎會耗掉他一輩子的積蓄，其實城市也差不多。另一個原因是費時還費事，一棟民宅需要木瓦匠幾十號人干上一兩個月，城市的期房至少要等上一兩年。而且，受現有的材料、結構限制，建筑的結構、外形缺乏個性。
然而，這些問題在不久的將來會被3D打印技術迎刃而解，由于是一體化成型，不受現有的結構和材料的限制，建筑的空間、結構和形態會更加的自由，幾乎不需要施工人員，節省了時間和人力，成本自然就降下來了。還有一點就是節能環保，因為3D打印建筑不會產生任何的揚塵，也不會產生任何建筑垃圾。
不僅可以打印建筑主體，還可以打印室內裝飾品，如石膏吊頂、桌椅、擺件等。
關于打印工藝和技術路線這里就不具體展開了，我的論文里有詳細的解釋。這里特別提一下，年初的時候盈創公司3D打印了一棟5層住宅和一棟1100平方米的精裝別墅，隨后萬科的老總王石也表示萬科的研發中心也將要用3D打印。
除了打印建筑以外，還可以3D打印市政管道、園林景觀小品等設施。
在此特別說明一下，目前國內外3D打印建筑的材料多半是以現有建材為主、加以粘合劑等形成的混合物。打印出的建筑是否對人身體有害、是否堅固、是否抗震、是否保暖防潮等都有待檢測。同時，還要考慮地基和屋頂的問題。
對于現階段而言，使用最多的可能還是模型打印這一塊，所以這里簡單講一下打印過程和需要注意的事項。
在建模階段一定要要注意模型各個部分、零件、面的厚度和比例，因為打印模型相當于把實物等比例縮小，如果模型的面過薄或者過細，就很有可能打印不出來，這個時候就要適當的對面進行加厚，對窗格、欄桿、柱子進行加粗處理，保證打印出來的厚度不小于0.5毫米，真正意義上的點、線、面只存在于軟件當中，現實中是不存在的，也是不可能打印出來的，這點要注意。
其實，3D打印機的精度是沒有問題的，我們用的這臺3D打印機最小精度可以達到50微米，理論上什么模型都可以打印出來，但物體都會受到重力的作用，太細、太薄的物體即便是打印出來了，它自己也支撐不了自己，會彎曲變形，甚至斷裂，這就好比是頭發絲，因為太細了，所以立不住。
同時屋頂和墻面一定要連接在一起，保證是無縫模型。在對模型文件處理的時候，需要加支撐，打印結束后再將支撐去掉。
全彩打印在技術上是沒問題的，只不過成本會提高很多，性價比不高，所以現在常用的還是單色打印，后期可以手工上色，也不麻煩。這個別墅打印出來是半透明的，旁邊這張是上了乳白色漆的，對比一下。
關于3D打印機，國內的市場剛起步，比較混亂，有點劣幣驅逐良幣的感覺。最終選擇了這款中科院研發的機器，性價比非常的高。現在北大口腔醫院已經在用這款機器打印牙齒了，還有珠寶商和電子元件廠商也在用，也建立了長期的合作關系。
這次原本準備了中國建筑設計院建筑七室的五個最新的設計作品，五個項目方案和打印模型，也都是方案比較特殊的，能體現3D打印特點的。但由于時間關系，有些項目正處在方案的過程階段，沒有形成相對完整的成果和模型。有些是投標方案，現階段還在保密，所以，今天只帶來了這個相對比較完整的方案，呼和浩特市昭君博物院提升擴建方案。
這個方案的主題是和，外形上最復雜的部分是頂部的木架構，呈網格狀大面積排開，這種木構架與建筑主體的結合也是一個復雜點，3D打印的效果和效率還是不錯的。
這兩個模型其實不大，寬度10厘米，右面這個長20厘米，最長可以打出30厘米，我們認為這個尺度比較合適，性價比也比較高，如果再大的話，速度就會降低，成本也會提高。
對前景的展望一定是基于現實的，但也一定是高于現實的，還是那句老話：前途是光明的，道路是曲折的。有人也許會提出質疑，說3D打印真的能顛覆我們這個行業嗎？我現在不敢給予肯定的回答，我想第一臺大型計算機誕生的時候沒有幾個人看好它，又大、又笨，可能連它的設計者也沒想到幾十年后會變得這么小巧、快速、方便、普及。下面我就通過未來的三個場景來加以描繪。
前景展望場景一：農民伯伯李老漢，他要蓋房子，如果用現在的方法他要請十來個木瓦匠，干上一個多月才能完工，但未來就不這么麻煩了。首先，李老漢在網上商城挑選了一個民宅模型，并付款、下載下來，然后呢，他租了一臺3D打印機，并購買了打印材料，最后一步，連接打印機開始打印。無需任何人工，一體成型。
前景展望場景二：我國某地發生八級地震，各級展開搶險救援。如果是現在，運過去的一定是好多帳篷，但帳篷遮風避雨效果很差，而且也不防潮保暖，又不堅固，災后用完了也沒法再利用，就變成了垃圾。災后重建一般需要一到兩年時間，帳篷絕非最佳選擇。未來只需運過去幾臺3D打印機，就地取材直接打印出臨時安置房，災后再用特殊的降解劑分解，低成本、高效率、又環保。
前景展望場景三：小張是一名設計師，城市規劃師、建筑師、室內設計師、景觀設計師、平面設計師等等吧，都可以。如果是現在的話，他的生活一定跟熬夜趕圖、甲方催圖、不停地改圖這些情景密不可分，沒時間約會，沒時間陪家人，年紀輕輕未老先衰等等。但作為未來的設計師小張，他的生活不是這樣子的，他的生活是快樂的，為什么呢？比如有個開發商想要開發個小區，他通過網絡商城找到設計師小張，小張呢就做了一個小區的方案模型，然后開發商支付寶付款，ok！當然，到了那個時候報規、報建也不用那么復雜了，一個模型就ok了。然后，開發商將這個模型連上3D打印機，一個小區就這么打印出來啦！
為了實現剛才設想的場景，仍然有很多事情要做。
第一點就是完善功能。目前的3D打印技術還沒有做到什么材料都能打、什么效果都能打，未來一定要逐步實現多材料打印、全彩打印，突破體積限制，真正實現納米級打印，并大幅提高打印速度。現在3D打印模型的速度是每小時400cm3，打印建筑的速度是每小時10m2。建筑材料方面也需要不斷地革新，多維材料、復合材料、化學材料、智能材料等特殊材料將替代以往的磚石、水泥等，也會擁有更高的性能和質量。
第二點就是降低成本。需要進一步降低機器成本還有材料成本。
第三點就是健全體制。如果按照現有的體制，設計師小張的快樂生活肯定不會實現，需要一套全新的法規、標準來定義、評價、規范3D打印建筑這種革命性的技術行為。
不僅僅是在建筑領域，其他方面也是一樣的，比如槍支。我們國家是嚴格管控槍支的，但隨著3D打印的普及，問題就來了——我有一個槍支的模型數據，還有一臺3D打印機，那我就隨時隨地都可以打印槍支，而且金屬槍、塑料槍都可以，國家怎么監管？如果被恐怖分子利用了呢？他再打印出幾千條槍，組建個軍隊，這麻煩事可大了！所以，管理體制、監管體制一定要隨著發展而改變。
3D打印作為一項革命性的技術將在模型制作、實體建造等方面促進規劃建筑行業的轉型發展和變革。未來，它將以更加低廉的成本、豐富的功能、可靠的保障進入我們的領域，使大規模個性化的建造成為可能，并在低成本建筑和災后臨時安置點的建造上有望率先獲得大規模應用。
對于3D打印技術這個新事物，隨著這項技術的發展成熟，它在規劃建筑領域的應用會更加廣闊，在此也誠邀對這方面感興趣或者有需求的同仁們，聯系作者，一道進行深入的研究和探討！謝謝大家！
作者簡介：
王帥，1986年生，遼寧沈陽人，現今30歲，漢族。2012年畢業于沈陽建筑大學城市規劃與設計專業，碩士研究生學歷，英語六級，中國共產黨員。
現工作于中國建筑設計院•城鎮規劃設計研究院，任工種負責人一職，主要從事城市規劃與設計以及國家部委課題研究工作。目前，參與研究的科技部“十二五”國家科技支撐計劃課題包括：《傳統村落規劃改造及功能綜合提升技術集成與示范》、《鄉村社區環境優化建設關鍵技術研究》等。
2015年，在中國科學院自動化研究所研究員沈震等人的協助下，撰寫的《3D打印技術在規劃建筑領域中的應用初探》一文被中國城市規劃年會收錄。
從題目中可以看的出，作者研究的是兩項技術的結合，那么為什么要將3D打印技術與規劃建筑技術進行結合呢？也就是本次研究的背景。
規劃建筑行業作為文化創意產業可以稱得上是真正的智本主義，在經歷了快速城鎮化浪潮和城鎮建設粗放式增長后，我們迎來了工業4.0和大數據時代，這是個快速變革的時代，轉型的方向有很多，著眼點也各有不同，如多規合一、存量規劃、創新鄉村建設和規劃體制變革等，但有時我們也需要跳出行業看發展，站在圈外談變革。從未來著眼，3D打印技術也許真的會為我們帶來一場顛覆性的革命，重新定義規劃建筑行業。
3D打印技術的學名叫快速成型技術，它的原理說白了就是通過XYZ軸將物體堆疊出來，與傳統制造方式最大的不同點，它是增材制造，幾乎不浪費一點材料，而傳統制造方式是減材制造。
比如我想做一個頭盔模型，那么我需要一塊剛好能將頭盔容納下的立方體材料，將多余的材料去掉，剩下的才是頭盔模型，那么這些去掉的材料就浪費了。
由于3D打印是一體成型，不需要任何組裝程序，所以也節省了時間。同時，由于它完全是機器操作，極大地節省了人力，精度還比人工高、失誤率也比人工低很多。
對于企業而言，材料、時間、人力都是成本，降低成本、提高效益恰恰是一個企業永恒的話題。
立體平板印刷技術是最早誕生的3D打印的技術路線，兩年后，第一臺3D打印機出世，大概十年后，相對成熟的技術體系形成，可以看出，這項技術的歷史比較短，但發展十分迅猛，目前正處在穩步爬升的時期。
8月4日，美國FDA（食品藥品監督管理局）批準了首款3D打印的抗癲癇藥物SPRITAM（左乙拉西坦）速溶片，就是圖上的這款藥物。
美國一位槍械發燒友用3D打印機打出一部槍并累計射擊二百余次。
3D打印技術與規劃建筑技術的結合主要體現在兩個層面，其中之一就是我們常接觸的實體模型。一直以來我們都是靠手工來制作模型的，并且多數是在成品階段。
相比之下，3D打印模型要更加堅固、精細、準確、快速、成本低，最關鍵的是方便，再也不用往模型公司跑了。而且這種模型打印可以貫穿項目的各個階段，推敲方案、完善細節、成果展示等，最后還可以作為紀念品送給甲方，相信甲方一定喜歡。
3D打印模型真正的優勢在打印復雜地形和異形建筑上。像這種山地地形、復雜的鋼構架建筑和曲面弧線較多的異形建筑，手工制作費時、費力，還很難做到精確，但3D打印就可以做到非常的精細、精確，這也是3D打印技術最突出的優勢之一。
千百年來，人類都是用雙手來蓋房子的，無論哪個國家、哪個朝代都是如此，從未變過，那為什么現在就要變呢？在座的各位一定深有體會，無論你是生活在鄉村還是城市，房子都是一生當中的大事，為什么是大事？原因之一就是貴！一個農民蓋一座民宅幾乎會耗掉他一輩子的積蓄，其實城市也差不多。另一個原因是費時還費事，一棟民宅需要木瓦匠幾十號人干上一兩個月，城市的期房至少要等上一兩年。而且，受現有的材料、結構限制，建筑的結構、外形缺乏個性。
然而，這些問題在不久的將來會被3D打印技術迎刃而解，由于是一體化成型，不受現有的結構和材料的限制，建筑的空間、結構和形態會更加的自由，幾乎不需要施工人員，節省了時間和人力，成本自然就降下來了。還有一點就是節能環保，因為3D打印建筑不會產生任何的揚塵，也不會產生任何建筑垃圾。
不僅可以打印建筑主體，還可以打印室內裝飾品，如石膏吊頂、桌椅、擺件等。
關于打印工藝和技術路線這里就不具體展開了，我的論文里有詳細的解釋。這里特別提一下，年初的時候盈創公司3D打印了一棟5層住宅和一棟1100平方米的精裝別墅，隨后萬科的老總王石也表示萬科的研發中心也將要用3D打印。
除了打印建筑以外，還可以3D打印市政管道、園林景觀小品等設施。
在此特別說明一下，目前國內外3D打印建筑的材料多半是以現有建材為主、加以粘合劑等形成的混合物。打印出的建筑是否對人身體有害、是否堅固、是否抗震、是否保暖防潮等都有待檢測。同時，還要考慮地基和屋頂的問題。
對于現階段而言，使用最多的可能還是模型打印這一塊，所以這里簡單講一下打印過程和需要注意的事項。
在建模階段一定要要注意模型各個部分、零件、面的厚度和比例，因為打印模型相當于把實物等比例縮小，如果模型的面過薄或者過細，就很有可能打印不出來，這個時候就要適當的對面進行加厚，對窗格、欄桿、柱子進行加粗處理，保證打印出來的厚度不小于0.5毫米，真正意義上的點、線、面只存在于軟件當中，現實中是不存在的，也是不可能打印出來的，這點要注意。
其實，3D打印機的精度是沒有問題的，我們用的這臺3D打印機最小精度可以達到50微米，理論上什么模型都可以打印出來，但物體都會受到重力的作用，太細、太薄的物體即便是打印出來了，它自己也支撐不了自己，會彎曲變形，甚至斷裂，這就好比是頭發絲，因為太細了，所以立不住。
同時屋頂和墻面一定要連接在一起，保證是無縫模型。在對模型文件處理的時候，需要加支撐，打印結束后再將支撐去掉。
全彩打印在技術上是沒問題的，只不過成本會提高很多，性價比不高，所以現在常用的還是單色打印，后期可以手工上色，也不麻煩。這個別墅打印出來是半透明的，旁邊這張是上了乳白色漆的，對比一下。
關于3D打印機，國內的市場剛起步，比較混亂，有點劣幣驅逐良幣的感覺。最終選擇了這款中科院研發的機器，性價比非常的高。現在北大口腔醫院已經在用這款機器打印牙齒了，還有珠寶商和電子元件廠商也在用，也建立了長期的合作關系。
這次原本準備了中國建筑設計院建筑七室的五個最新的設計作品，五個項目方案和打印模型，也都是方案比較特殊的，能體現3D打印特點的。但由于時間關系，有些項目正處在方案的過程階段，沒有形成相對完整的成果和模型。有些是投標方案，現階段還在保密，所以，今天只帶來了這個相對比較完整的方案，呼和浩特市昭君博物院提升擴建方案。
這個方案的主題是和，外形上最復雜的部分是頂部的木架構，呈網格狀大面積排開，這種木構架與建筑主體的結合也是一個復雜點，3D打印的效果和效率還是不錯的。
這兩個模型其實不大，寬度10厘米，右面這個長20厘米，最長可以打出30厘米，我們認為這個尺度比較合適，性價比也比較高，如果再大的話，速度就會降低，成本也會提高。
對前景的展望一定是基于現實的，但也一定是高于現實的，還是那句老話：前途是光明的，道路是曲折的。有人也許會提出質疑，說3D打印真的能顛覆我們這個行業嗎？我現在不敢給予肯定的回答，我想第一臺大型計算機誕生的時候沒有幾個人看好它，又大、又笨，可能連它的設計者也沒想到幾十年后會變得這么小巧、快速、方便、普及。下面我就通過未來的三個場景來加以描繪。
前景展望場景二：我國某地發生八級地震，各級展開搶險救援。如果是現在，運過去的一定是好多帳篷，但帳篷遮風避雨效果很差，而且也不防潮保暖，又不堅固，災后用完了也沒法再利用，就變成了垃圾。災后重建一般需要一到兩年時間，帳篷絕非最佳選擇。未來只需運過去幾臺3D打印機，就地取材直接打印出臨時安置房，災后再用特殊的降解劑分解，低成本、高效率、又環保。
前景展望場景三：小張是一名設計師，城市規劃師、建筑師、室內設計師、景觀設計師、平面設計師等等吧，都可以。如果是現在的話，他的生活一定跟熬夜趕圖、甲方催圖、不停地改圖這些情景密不可分，沒時間約會，沒時間陪家人，年紀輕輕未老先衰等等。但作為未來的設計師小張，他的生活不是這樣子的，他的生活是快樂的，為什么呢？比如有個開發商想要開發個小區，他通過網絡商城找到設計師小張，小張呢就做了一個小區的方案模型，然后開發商支付寶付款，ok！當然，到了那個時候報規、報建也不用那么復雜了，一個模型就ok了。然后，開發商將這個模型連上3D打印機，一個小區就這么打印出來啦！
為了實現剛才設想的場景，仍然有很多事情要做。
第一點就是完善功能。目前的3D打印技術還沒有做到什么材料都能打、什么效果都能打，未來一定要逐步實現多材料打印、全彩打印，突破體積限制，真正實現納米級打印，并大幅提高打印速度。現在3D打印模型的速度是每小時400cm3，打印建筑的速度是每小時10m2。建筑材料方面也需要不斷地革新，多維材料、復合材料、化學材料、智能材料等特殊材料將替代以往的磚石、水泥等，也會擁有更高的性能和質量。
第二點就是降低成本。需要進一步降低機器成本還有材料成本。
第三點就是健全體制。如果按照現有的體制，設計師小張的快樂生活肯定不會實現，需要一套全新的法規、標準來定義、評價、規范3D打印建筑這種革命性的技術行為。
不僅僅是在建筑領域，其他方面也是一樣的，比如槍支。我們國家是嚴格管控槍支的，但隨著3D打印的普及，問題就來了——我有一個槍支的模型數據，還有一臺3D打印機，那我就隨時隨地都可以打印槍支，而且金屬槍、塑料槍都可以，國家怎么監管？如果被恐怖分子利用了呢？他再打印出幾千條槍，組建個軍隊，這麻煩事可大了！所以，管理體制、監管體制一定要隨著發展而改變。
對于3D打印技術這個新事物，隨著這項技術的發展成熟，它在規劃建筑領域的應用會更加廣闊，在此也誠邀對這方面感興趣或者有需求的同仁們，聯系作者，一道進行深入的研究和探討！謝謝大家！
作者簡介：
王帥，1986年生，遼寧沈陽人，現今30歲，漢族。2012年畢業于沈陽建筑大學城市規劃與設計專業，碩士研究生學歷，英語六級，中國共產黨員。
現工作于中國建筑設計院•城鎮規劃設計研究院，任工種負責人一職，主要從事城市規劃與設計以及國家部委課題研究工作。目前，參與研究的科技部“十二五”國家科技支撐計劃課題包括：《傳統村落規劃改造及功能綜合提升技術集成與示范》、《鄉村社區環境優化建設關鍵技術研究》等。
2015年，在中國科學院自動化研究所研究員沈震等人的協助下，撰寫的《3D打印技術在規劃建筑領域中的應用初探》一文被中國城市規劃年會收錄。
(責任編輯：admin)
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