夯实建筑设计教学的经验之塔——3D 打印技术及其在建筑设计教学中的应用

◆文博 叶红雨

作者：文博，三江学院建筑学院助教、助理工程师，研究方向为建筑技术（210012）；叶红雨，东南大学建筑学院（210000）。

2014年4月，上海某公司运用3D 打印技术在24 个小时的时间内建造出10 幢房屋，令人惊奇的是这些建筑的墙体均是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”层层“打印”出来的。

从这条新闻中可以看到对建筑设计的几点启示：

1）3D 打印技术在建筑行业已经开始应用；

2）10 幢建筑的建造仅仅用了24 个小时，这种建造方法带来更快捷的速度；

3）“打印”出这10 幢建筑墙体的材料是建筑垃圾经过加工处理后生产的“油墨”，为绿色设计提供了新型建材；

4）传统的建造模式直接影响设计的思路，而3D 打印技术的应用为建筑设计提供了更多的可能。

基于上述启示，可以看出3D 打印技术给建筑建造及设计过程带来很多变化。站在建筑教育者的角度，有必要了解这项新技术，并且尝试在设计教学中运用这项技术对相关课程进行改革和完善，使其为课堂服务，开发出学生无限的创造性。

1 3D 打印技术的概念、特点及建筑应用

1）材料种类多。能够进行3D 打印的材料，按物理状态分类可以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝状材料等。按化学性能分类可分为树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料及其复合材料等。按成型方法分类可以分为液态材料（SLA、光敏树脂）、固态粉末（SLS；非金属，如蜡粉、塑料粉、覆膜陶瓷粉、覆膜砂等；金属粉，如覆膜金属粉）、固态片材（LOM、纸、塑料、陶瓷箔、金属铂+粘结剂）、固态丝材（FDM、蜡丝、ABS 丝、PLA 丝、尼龙丝等）。由此可见，只要满足打印条件的材料都可以用来打印，近日还出现用巧克力或奶油作为打印材料打印食物的案例。

2）打印时间短。传统意义上对物件的生产主要是通过机械加工或者模具脱模来实现，而3D 打印可以直接塑形，所以减少了大量的时间。而对于复杂的形体，3D 打印更能发挥其优势，而传统的脱模很难实现复杂形体的塑造。

3）打印成本相对较低。3D 打印成本低主要分三个方面：

一是打印材料本身的价格不高，以1 kg 的国产PLA 材料为例，现在市面上的售价在100 元左右；

二是材料损耗小，传统机械加工或者模具脱模方法必然有不必要的材料损耗；

黄酮含量测定：取1 mL样液于25 mL比色管中，用70%乙醇补充至12.5 mL，加入1.0 mL 5%亚硝酸钠溶液，静置5 min后加入1.0 mL 10%硝酸铝，6 min后加入5 mL 1 mol/L氢氧化钠溶液，摇匀，用70%乙醇稀释至刻度，静置10 min，在510 nm波长下测吸光值[12]。

三是3D 打印材料多可以回收利用，现在已经出现专门的转化机器，将已经使用过的材料重新融化拉丝生产出新的材料，这样就充分降低了3D 打印的成本。

4）自由设计的表达。3D 打印技术能够以便捷的方式制造出许多传统加工方法无法加工出的作品，来满足不同用户的设计需求。尤其是一些非线性造型的表达，3D 打印技术可以达到手工和传统的技术所无法达到的精度和速度。这样的便捷性对设计思维的表达提供了新的方式。

3D 打印技术概念 3D 打印技术即“快速成型技术”，专业名称为“增材制造”，是将设计好的作品转化为三维设计图后，通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将真实物体打印建造出来。这项技术最早在1984年由美国人Charles Hull 发明，当时尚处于萌芽状态，未能正式生产和应用。经过30 多年的发展，该技术逐渐在珠宝、工业设计、建筑、土木工程等各种领域得到应用[1]。

3D 打印技术特点 3D 打印技术最显著的特点莫过于生产物件无需机械加工或者模具脱模，能够直接通过设计的图纸模型生成任何形状的物件，与传统的生产工艺相比，主要有以下特点。

3D 打印技术的建筑应用 3D 打印技术在建筑中的应用除了上海10 栋实际建筑的案例外，还有一些概念性的尝试案例。如2011年3月，Materialse 公司打印出一个微细的工厂模型，他们将植物燃气公司Linde AC 的微缩工厂缩小模型完全逼真地打印制作出来；2013年3月，荷兰建筑师与意大利发明家合作，利用沙子和无机黏合剂打印出一个6 m×9 m 的建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充；美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯一直在研究3D 打印的建造技术，目前他能够利用这种打印技术在不到20 小时的时间内建造一幢面积2500 平方英尺（约232 m2）的建筑[2]。由这些案例可以看到，3D 打印技术在建筑中的应用既有模型也有实物，已经贯穿了建筑从设计到建造的全过程。

2 3D 打印技术在建筑设计教学中的应用可能

新的技术为教育教学带来新的理念和方法，那么3D 打印技术的应用能给建筑设计教学带来什么？

美国教育学家埃德加·戴尔（Edgar Dale）在1946年提出“经验之塔”教育理论，他将人们学习的经验比作一座三层的金字塔，从塔顶到塔底分别是抽象经验、观察经验和实践经验。所谓抽象经验是学习者通过语言和文字等抽象符号获取抽象知识，如阅读以文字为主的教科书；观察经验是指学习者通过对真实事物的观察而获取的，如现场观摩、旅行参观、观看动态影像等；实践经验是指学习者从实践活动中获取的学习经验，如参与活动、制作模型等[3]。

目前的建筑设计课程，学习者完成的过程一般包括对任务书的学习、查找资料、参观调研、完成表达。看似完成了学习过程的“经验之塔”，但是忽略了建筑是一个实实在在的物体这一事实。由于建筑造价的昂贵，不可能在教学中完成对整栋建筑的施工过程，因此，最后的表达还是处于相对抽象的图纸层面。虽然有时在造型推敲或者专门的模型课上，可以手工制作模型，但它不够精确，且需要消耗大量的时间，给建筑学专业学生本就繁重的课业增加了负担，有时甚至完成不了预期的目标。

3D 打印技术的出现为建筑设计课程“经验之塔”的完善提供了可能和支撑。当今时代的建筑设计课程，尤其是高年级课程，在各种电脑软件出现和进步的情况下，最后提交的成果多为数字化的成果，如电脑软件的建模和电脑的出图。3D 打印为数字时代的表达提供了一个实体“建造”的可能，为设计课程的“经验之塔”提供了观察和实践经验的支撑。3D 打印技术可以将学习者的数字化模型直接准确地制作出来，此过程为学习者提供了观察的经验；另一方面，3D 打印技术为学习者在抽象的经验和观察经验之后，提供了直接制作的可能，在数字化建模之后，快速准确地“建造”出自己的建筑。

3 3D 打印技术在建筑设计课程中应用的探索

经过对3D 打印技术在建筑设计教学中的分析，可以看出其在设计课程中的应用是很有意义的。因此在教学实践中以兴趣小组的模式做了一次模拟尝试和探索。在一次太阳能充电站的概念性设计课上，对一组学生进行了3D 打印技术的培训，让他们在设计中应用此技术。设计课程的内容如下。

设计背景 随着电动车（电动自行车及混合动力汽车）的逐渐普及，中途充电成为一项困难的事情。为了解决电动车充电问题，市政部门设想用简便的方式建造一座充电站。

设计目标 充电站面积控制在10 m2以内；外观美观大方，结构结实耐用。

概念基础 此组学生的设计概念：在炎炎夏日的室外，人们最向往的地方是树荫，太阳能充电站以树荫为出发点，给人们营造舒适的休憩环境；以发芽的小树为形态基础，将形态转化为充电站的形态，考虑结构与美观。设计完成方案如图1 所示，以一颗发芽的小树为基础，提取小树的形态，然后根据建筑结构的要求优化形态，再通过计算机建模，最后将建筑模型打印出来。下面可以进行进一步的深入推敲。

建模打印 此组学生将设计想法转化为打印模型的路线过程如图2 所示。

在初步的概念想法产生之后，利用三维软件建立设计模型，然后将模型导入转换软件中，将模型切片处理后，再导入3D 打印服务器内，最后通过打印机打印模型（图3）。

观察验证 在这样的打印过程中，学习者可以清晰地观察到整个造型生成的过程，在整个模型打印完毕后学习者还可以对模型进行观察和验证。3D 打印技术为学生检查与修正设计中的问题提供了条件。比如在此次概念设计中，学生考虑要完成整体曲线造型的概念，对柱体进行修改，把均匀圆柱体的支撑主柱改变设计为变截面柱体，缩小了柱头的截面，但在模型中忘记了修改与柱子连接的相应构件。因此在3D 打印过程后，学生对模型进行观察，发现该区域有缝隙，柱子和叶片并没有完全连接。

从这次仅耗时数小时的设计建模打印过程中，学生很快发现自己设计中的缺陷，对原计算机模型进行了修正，完善概念设计。而如果采用手工制作模型，仅制作过程至少就要数天，而且无法精确完成曲线的制作，更谈不上去检查验证。

4 思考与总结

从以上课程设计中可以看出，3D 打印技术在设计课程中应用是可行的，而且非常省时和便捷。在3D 打印技术不断进步、设计工具不断更新的时代，将3D 打印技术应用于建筑设计课程更是有一定意义的。

提供了更便捷和准确的造型推敲手段，为复杂模型的制作提供了可能 单体建筑物或者城市设计中的造型问题是建筑设计的一个重要部分，当今时代建筑的造型已经向着非线性的趋势发展，手工模型的制作已不能满足非线性复杂造型的精确表达，而3D 打印技术目前可以为一些精确的模型制作提供可能。

增加了课堂的趣味性和参与性，提高了学习者的积极性，锻炼了动手操作能力 从教育的角度来看，建筑设计比起其他专业课程是一种动手性较强的课程，学生需要得到教师大量的指导，同时能够提升课堂的趣味性和参与性是对教师的必然要求。随着高校的扩招和建筑专业师资有限的矛盾的不断加深，设计课上教师和学生一对一交流的时间在逐渐缩短，很多学生可能会因此失去学习的兴趣。那么，3D 打印技术的应用为增加课堂的趣味性和参与性提供了新的契机，新鲜的事物以及计算机的应用能够吸引信息时代的年轻人，提高他们的积极性，使他们能够积极主动地参与到设计课堂上来减轻教师的压力，并且在实际操作中锻炼动手能力，开发建筑设计中的自主创造性。

通过接触新技术开发学生思维和创造能力 当今时代数字化的建筑设计已经开始出现，可以想象数字化在不远的将来即将成为建筑设计的一种重要的方式甚至主要的手段。那么将3D 打印技术引入建筑设计教学中来，和BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等数字化的设计软件对接，可以使学生接触到最新的技术，将他们的思维和创造能力进行充分开发。

为其他基础课程提供了教学辅助工具 纵观整个建筑教育，除了主干的设计课程之外还有很多重要的基础理论课，如建筑史、建筑结构、建筑构造等。在这些课程中有很多的结构形式、构造节点需要学习者去了解和掌握。在传统的课堂上中，只能通过二维界面的图例和教师抽象的讲解使学习者去想象出具体的做法，有时学习者不能很好地通过空间想象构建出这些做法。而3D 打印技术的出现可以为这些课程的教学提供便利的辅助。一方面，教师可以建模打印出这些具体的结构和构造作为课程的教具，使学生有直观的认识，或者将打印生成过程演示给学生看；另一方面，在这些课程中还可以布置一些让学生自己建模并打印出结果的作业，使学生获得亲自动手做的经验，加深他们的印象。

降低了教与学的成本 建筑学专业本科阶段的学制现在一般都是五年，无论是从学制还是具体的课程上，建筑学专业的学生都要付出很多的努力，尤其是设计课程，课程结束时要完成大量的图纸绘制工作。因此对建筑学专业学生来讲，需要把大量的时间和精力集中到“设计”的学习中来，而非完成最终的图纸或作业，这一点很重要。3D打印技术的引入可为学生在模型制作时节省大量的时间成本，将他们从大量的体力劳动中解放。另外，现在的手工制作课上学生还需要购买大量的制作材料，这也增加了教学的经济成本，而且这些材料大多是一次性的，做完模型还会剩余很多边角料。而3D 打印技术现在已经可以完成材料的重复使用，这也为教学经济成本的节约提供了可能。

通过这次尝试，看到3D 打印技术在建筑设计教学中应用的可能。随着时代的发展，3D 打印技术也将不断完善和成熟，将有更广阔的应用前景。作为建筑教育者，需要不断关注这种技术的发展状况，不断提高自己了解和掌握新技术的能力，尝试将最新的技术引入到教学中来，不断更新完善课程教学模式，使3D 打印技术更好地为建筑设计教学服务。

[1]李不言,杨丽.3D 打印技术[J].印刷质量与标准化,2013(5):8-11.

[2]贺颖.当建筑装饰遇上3D 打印技术[J].商品与质量·建筑与发展,2013(9):227.

[3]焦丽珍.神奇的“经验之塔”:视听教学法之理论[J].现代教育技术,2012,22(6):126.