快速原型在建筑模型中的应用研究

段康容

（西南科技大学工程技术中心，四川 绵阳 621010）

0 引言

一个好的建筑物实体模型对公司竞标时赢得项目具有重要的作用，同时建筑模型制作也是建筑设计课程的重要教学内容之一。目前建筑模型的制作基本上还是传统的手工方式,无法制作复杂的曲面外形等。手工制作过程大致如下：首先模型制作者阅读图纸和熟悉图纸,为了搞清设计者意图和要求,必须弄清建筑平面和各立面的关系、各层平面与各立面凹凸的增减关系,构思设计和拟定制作方案;然后采用ABS塑料、有机玻璃板、纸、草等材料配以钩刀、手术刀、锉刀、砂纸、镊子、空压机、喷枪等手工工具进行制作。其制作速度慢、成本高，难以满足急需模型的加工,并且对制作人员的要求也较高,需具备一定的艺术素养和相应的加工操作技术。随着劳动力成本的提高,加工成本也越来越高;同时，设计与制作存在脱节。一方面,由于建筑设计者一般不是自己亲手制作模型,而是由专门的模型制作师进行制作,这就造成模型制作师往往难以完全领略设计师的意图,另一方面,使得设计师也不能及时地根据模型的满意程度进行修改设计。

随着快速原型技术应用的成熟，快速原型技术慢慢深入到了各行各业的新奇产品开发，其应用的广泛性，也被誉为第三次工业革命的领航者。快速原型技术运用于建筑模型的制造可以有效地克服上述传统制作模式的局限。

1 快速原型技术基本原理

快速原型(Rapid Prototyping,RP)技术是20世纪90年代发展起来的，集机械工程、CAD、反求工程技术、数控技术和新材料等技术最新成果为一体的零件原型制造技术。它不同于传统切削加工技术中的刀具或磨具，将工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做减法，逐渐达到图样的技术要求，而是采用数字化方法，将离散的材料一层一层逐渐累积做加法，来达到图样技术的要求。由于它利用零件的CAD模型数据直接生成产品原型，因此可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种快捷、高效、低成本的实现手段。随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，快速成型技术已经得到广泛应用。

2 使用快速成型技术打印建模模型的优点

由于建筑设计的日益复杂，传统的模型制作已经不能满足设计师的需求。在国外，快速原型技术已经成为建筑设计师不可缺失的工具。使用快速成型技术打印建模模型，可以达到以下目标：

2.1 赢得项目

赢得建筑项目虽然有很多途径，但我们大多数时候必须自己去争取它们。当开始一个新的项目的时，为了更好的交流，首先必须不理清自己的想法。传统的二维图纸数量较大，不利于思路的整理。一个三维打印模型在这点上是非常实用的。虽因为一般来说，人们需要花费大量的时间看图纸以了解一项建筑设计。而通过平面图纸想像出建筑的三维形象的能力却往往需要大量的训练和经验才能获得。虽然建筑的三维效果图非常直观但它仅仅只是作品最后的外观照片而已，容易使建筑设计师的想法定形，反而失去了更多的改进空间。一个三维打印模型恰好可以实现在项目设计过程中实时交流想法并改进的优点，这是与客户沟通的过程中是非常必要的。

2.2 初步设计之整体规划

一个建筑物不可能自己矗立起来，它总是有背景的。即使它矗立在空旷的土地之上，这片土地也是它的背景。一项好的设计必然是将此考虑在内，并且对此做出处理。因此在城市初步设计阶段，设计师必须充分考虑好这些。做到这点的一条非常好的途径就是通过3D打印技术制作建筑全景式模型，比如可以随意转换组合的模型。这样做的优点在于，你只需要通过不同的组合来改变设计规划，不需要反复从头开始。如图1所示。

图1 可以组合的建筑群模块

2.3 建设细节规划

随着建筑项目的进度，3D模型的性质也变了。之前已经确定了初步的宏观想法，紧接着便要优化细节了。室内设计往往涵盖了硬件、表面材料和装饰材料。设计师通常需要使用3D打印机制作出1：1的等比例的专门设计的室内特征模型（如图2所示），作为向客户展示并确认设计是否真的符合客户心意的方式。

图2 建筑中室内细节之一墙灯

2.4 提升教学效果

建筑模型制作作为培养学生三维空间想象力、造型设计能力和动手能力的必修课程,是师生进行方案讨论、体形分析、细部推敲等过程的重要手段。学生在这一阶段的学习中,一方面通过对建筑模型的空间组成分析,使学生对建筑空间得到进一步认识;另一方面通过模型的制作,能够培养学生建筑设计的空间思维意识和方法,建立从二维的平面设计到三维的立体空间设计的思维方法的转换。在构思的每一个阶段中,建筑模型对开拓设计思维、变换设计手法、提高设计认识起着积极的作用。

3 设备选择与建筑模型制作

目前市场上的快速原型设备的种类很多，按照工艺分类，可以分为五种：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法、三维立体打印和熔融沉积制造法。不管是哪种快速成型技术，都有其优势所在，建筑的快速成型可以根据实际情况选择一种或多种工艺来完成，以尽可能地仿制原物的材质、颜色和外形，再加上一定的后处理，如着色、搭建等，即可完成最接近真实的建筑模型。

在选择成型设备的时候需要对各方面的技术参数进行综合的考虑。

1）成型速度：快速原型设备的成型速度是选择的一个重要的因素，目前市场所有的这类设备对于建筑模型来说都要数小时。对于上班族的建筑设计师而言，可以利用晚上通宵的时间来制作设计的模型。因此成型的速度可以不用过多的考虑。

2）成型的精度：成型的速度和精度是一对不可调和的矛盾。作为展示交流用的建筑模型来说对精度的要求一般不高，大多数的设备均能够满足。

3）设备分辨率：分辨率不同于精度，它决定了设备所能制造出的最小细节。因为建筑模型都是等比例缩小，所以，尺寸比较小的细节特征很有可能因为制作模型的设备的分辨率低而丢失掉，进而严重影响了公司的竞标等。所以选择设备的时候尽可能的选择分辨率高的设备。目前市场上的分辨率高的设备可以达到小于0.1mm。

4）色彩：如果在制造成型的时候能一起把建筑物外表的颜色也一起呈现出来将是非常完美的设备。目前的各种工艺设备中只有三维立体打印能够真正的实现空间不同点的不同颜色制造。然而它可以拥有的调色板还是非常有局限性的，与我们所需要的色彩有偏差。色彩相差甚远的模型显然是不能拿给客户交流用。此外，在建筑设计模型上，一种颜色代表一种材料。通常我们为一个项目做出模型，之后的讨论一般都是围绕设计本身的可塑性而不是什么材料。色彩只会使我们的讨论分心。所以虽然我们仍然希望彩打的功能，但是它在我们寻找合适的快速成型机的过程中还是显得不那么重要了。

用快速原型技术制作建筑模型的步骤如下：

（1）使用三维建模软件如3D MAX等设计建筑数字模型（如图3所示）。设计时需要注意法线的方向、最小墙体厚度、最小细节尺寸。确定最小物体的边界尺寸大于10mm*10mm*10mm，确保物件体积大于0.25立方厘米。

（2）导出为stl格式的文件。

（3）按楼层分层制作或者整体制作，如图4所示。

（4）去除支撑材料。

（5）增加强度，上色等。

制作一个模型需要的设备可能不止一种，因为每种设备都有自己的优势所在。图5为著名建筑的旅游纪念品，其建筑基地采用熔融挤压技术制作，建模结构使用SLS技术制作，屋顶采用3DP技术制作，多种技术发挥各自优势，协同合作，挖掘出建筑设计领域的无限潜力。

图3 独栋别墅三维设计效果图

图4 按楼层进行快速原型制造

图5 著名建筑的快速原型纪念品

4 结语

建筑模型是竞标时取得项目与否的关键之一，是与客户交流成功的保障。传统手工制作建筑模型不仅时间周期长、成本高，而且也设计者之间存在严重脱节。基于快速原型技术的建筑模型制作可以分楼层的、整体的进行成型，省去手工的麻烦，制作非常复杂的建筑模型，而且可以利用下班的时间让机器自动的制造，提高制作效率和降低制作人力成本。

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