3D打印技术在古建筑模型中的实验设计与分析

许飞进， 李昌鹏， 张霄霄

(南昌工程学院 土木与建筑工程学院， 南昌 330099)

0 引 言

3D打印技术是制造业中冉冉升起的一颗新星，被称为“具有划时代意义的制造技术”,是第三次工业革命的关键技术[1]。其次，古建筑的保护问题仍未得到有效的解决，随着工人工资的增加，古建筑维修成本提高，古建筑的保护难度加大，一些地方县级文物建筑无足够经费维修。另一方面，导师制的核心是要在教师和学生之间建立一种导学关系，要求针对学生的个性差异，因材施教。此处结合教师的国家级及省级研究课题进行，将研究引入非课程的3D打印研究当中[2-7]。课题组此前在三维扫描[8]、3D打印[9]上已有前期积累，本次研究将3D打印技术与古建筑结合，用Autodesk 3DsMax软件对古建筑建立三维虚拟模型，再导入切片软件进行3D打印得到古建筑可拆卸结构模型，尝试利用3D打印技术去探索古建筑保护的前瞻性问题。

1 古建筑现存问题

古建筑包括官式建筑与乡土建筑。古建筑大多是由木构架搭接而成，而木材这一材质本身在一定的程度上受到了自然条件因素的限制，木材容易发生腐朽、虫蛀，造成木构件不同程度、类别的损伤。经过数百年的风吹雨打，许多古建筑都出现不同程度上的损坏,甚至直接失去原本样貌，仅存留无法研究的残骸(见图1)。宫殿、坛庙等官式建筑容易得到政府的重视，且由于其在管理上具有便利性，利于政府的保护工作，因而得到了较好的维护[10]。而乡土建筑则不然，大多散落于乡村，地理位置较偏僻，不利于政府的统一管理，保护情况差，许多古建筑都难以避免被拆毁的命运。另一方面，古建筑工匠建造技艺的传承也出现了断层现象，年轻一代大多已不愿继承老一代匠人的技艺，有些建造技艺已后继无人，严重影响了古建筑的保存，这些问题都亟需人们去解决，3D打印技术有可能成为古建筑保护的一个突破口。作为21世纪最具发展潜力的新兴技术之一,3D打印在制造行业内正兴起一股热潮。在2013年，中国3D打印产业已纳入国家的发展战略项目[11]。从早期以一个高科技的概念在人们的观念中，逐步进入了人们的生活世界，并对社会已经造成了一定程度上的改变。

图1 古建保存现状

2 3D打印技术在古建筑模型中的实验

早期对古建筑结构的研究，往往是通过实地的调研与测绘，绘制详细的平面、立面、剖面图等，再对其进行研究分析。而传统的二维图纸最大的缺陷在于其不能够完整表达出建筑的整体构架，不能给人以直观体会。3D打印实体模型实验则较好地弥补二维图像在这方面研究的不足。

2.1 3D打印的流程

3D打印的主要流程：古建筑营造技艺研究→实地调研与测绘→ CAD绘制较为精确的古建筑测绘图→建立虚拟的三维建筑模型→制作3D打印模型。

2.2 3D打印的实验步骤——以江西万寿宫会馆戏台建筑为例

(1) 在深入了解古建筑的结构的前提下，展开对古建筑的实地调研，对古建筑进行现场测绘，测量建筑数据，拍摄大量结构及细部照片，并采访工匠询问当地的一些特殊建造技艺(见图2)。

(2) 调研测绘之后，依据现场测绘的图纸与测量数据对测绘的建筑进行CAD图的绘制(平面图、立面图、屋顶俯视图，中轴剖面图(见图3)、横断面图等)。

图2 实地调研

图3 会馆戏台及看棚测绘剖面图

(3) 将绘制完成的CAD导入Autodesk 3DsMax软件进行三维虚拟模型的建立(见图4)。整体模型制作完毕后，为了实现后阶段模型的可拆卸，本阶段还需将建筑内部各个构件(柱础、柱子、梁、枋等)拆分开，对其榫卯搭接处进行单独的制作与处理。

图4 会馆戏台及看棚效果图

(4) 把制作好的单独构件分别导入Crube切片软件中进行分层处理，再将处理后的文件导入3D打印机(本次研究过程中模型打印比例的设置为1∶10)进行打印。打印完成后各构件需进行后期处理并贴上命名标签及分类(见图5)，防止将古建筑各部位构件混淆，便于最后的整体组装。

(5) 根据测绘图纸事先确定好的每个构件、柱础、柱子、梁的位置，将构件分为几部分进行拼接，再一榀一榀地组装起来(见图6、7)。

2.3 3D打印古建筑模型的问题及解决方案

通过实践操作中，对3D打印古建筑模型总结如下：

(1) 该模型是由多个打印构件拼装而成，所有构件都是一个个单独打印。打印前，需要将每一个构件进行命令、列表，在打印完后，贴上标签，否则后期组装模型会出现混乱。

图5 会馆戏台模型构件编号

图6 拼接会馆戏台模型

图7 会馆戏台部分构件组装展示

(2) 模型导入前，需要对模型构件的榫卯结构加以调整修改。一般情况下，模型左右是对称一致的，只需对单边的构件更改，复制二份打印即可。但需注意的是有些榫卯构件并不对称，进行镜像与复制时要加以注意。

(3) 导入crube切片软件中，由于熔融沉积成形技术在支撑运算方式以及打印时间和消耗材料不一样。需要调整模型的x、y、z轴方向，找到一个合适的支撑数量和较少的材料消耗，以及用时最短的方位来进行打印。

(4) 打印前一定要记住先调平，再打印，否则很有可能出现刻板情况，有损打印机喷头。如调平后底座的打印仍然出现问题，需选择手动调整z轴。

(5) 若打印较大模型，边界出现刻板情况，多次调平无法解决，则有可能是下方钢架高度不一致，需联系相关技术人员前来调整。

(6) 打印柱子时，如柱子的高宽比过大，加上打印机的轻微颤抖，柱子在3D打印过程中很有可能发生倒塌，需将柱子进行分段打印，打印结束后可进行粘接。

(7) 在合适的温度下进行3D打印，一般为10～30 ℃左右，最好是20 ℃左右，天气太冷会导致出丝即凝，容易出现翘边和乱线等情况。

2.4 实验中导师制的作用

作为导师，本身需要掌握足够的专业技能、动手能力、理论知识。这就促使导师不断地去增加、更新自己的知识储备。及时了解本专业最前沿的科学理论，从而迅速掌握本专业最新的发展动向，开阔了视野，提高了能力。同时，带领学生积极开展研究训练活动，让学生参与创新性实验计划[12]。本实验开始前，导师组织学生到古建筑现场进行调研，并与当地工匠接触，深入了解古建筑的细部拼接特点，在实验计划实施前发现问题，尽可能减少实验实施中出现的故障，使同学在实验中受益。

3 结 语

3D打印技术是将三维模型用3D打印机打印出一个与三维模型相同的实物，它的迅速发展对整个社会产生了巨大积极意义，这对于古建筑来说也是福音，对古建筑的保护与发展起到了重大的作用。一是改变古建筑保护与修缮方式。由上述实验可知，现存古建筑多少会有不同程度上的损坏，运用3D打印技术可以将损坏的构件通过精确测量、构建模型，最终将所需构件使用木材材料打印成实体，将相应部件进行替换。[13]。二是改变成简洁而形象的教学方法。古建筑梁架结构大多处于屋面楼板上方，且有遮尘板的遮挡，学生很难观察到建筑的梁架结构。其次，古建筑内部光线昏暗，且往往无人打扫清理，灰尘厚厚一层。梁思成在调查五台山佛光寺大殿时，说到：……照像的时候，蝙蝠见光惊天，秽气难耐，而木材中又有千千万万的臭虫，工作至苦[14]。而3D打印的可拆卸结构模型则能够让学生只需在宽敞明亮的教室中，便可以清楚直观地了解古建筑的营造方式[15]，不仅绕过了测绘时期的一些难点，节省了大量的学习时间，更进一步提升了学生们的学习效率。并且3D打印这一新兴科技与古建筑教学科研相结合，能极大地提高年轻人对传统文化的兴趣。

此外，运用3D打印技术可强化传统营造的技艺传承。同时，还可以进一步提高经济效益与社会效益。3D打印技术可将建立好的构件模型仍储存在电脑中，在后续制造甚至是批量生产中，只需重新把之前的模型文件数据导入3D打印机中便可，提高了工作效率，降低了人工劳动比例和劳动力所占的成本[16]。

但是，通过由以上的分析及实践操作可知，3D打印技术运用尚不成熟，且在使用过程中也暴露出了一些问题[17]，如打印周期过长、耗材种类单一；打印的质量与精度达不到要求，打印出来的材料表面粗糙，不够光滑，需花人工进行表面磨光处理等；3D打印技术易在古建筑装饰构件的替换中取得突破，在承力的梁柱构件上进行替换试验还需时日。3D打印有可能面临诸多问题，从而影响该产业的发展，甚至有停滞的风险，如：发展的预期值不理想、技术遭遇突破的瓶颈等。但3D打印与传统制造业相比拥有巨大优势，如减少了传统制造业制作模具的过程、减少人工过程、周期短、复杂物体的制作技术难度大大降低等，在多个领域早已得到积极的响应。在政府和有关政策的大力支持下，3D打印技术从长远的角度来看仍具有广阔的发展前景。

总之，3D打印作为一个新时代新兴技术的产物，对各行各业的生产与发展都将产生积极的影响。古建筑的保护一直是亟待解决的难题，本文通过3D打印技术在古建筑模型中的运用，挖掘其可能发挥的作用与意义，这对未来古建筑的保护、现有古建筑营造技艺的传承、传统文化的宣传与复兴，可起着一定的推动作用。

参考文献(References)：

[1] 李宗义.3D打印技术的应用与发展[J].产业与科技论坛，2017，16(4):44.

[2] 费英勤.学分制下如何实施本科生导师制[N].中国教育报,2007-9-11.

[3] 王 森，本科生导师制实施的必要性与可行性分析[J].中国科教创新导刊，2010(1)：9.

[4] 李亚玲，王东杰.本科生导师制研究性小组合作学习模式研究[J].高教研究,2008,24(4):24-27.

[5] 李亚玲，郡家利，王东杰.我国本科生导师制存在的主要问题与改革思路[J].教育科学文摘,2008(3):72-73.

[6] 张 宇.研究性教学的深层次实施路径思考[J].中国高等教育,2009(12):37.

[7] 石秀丽，杨志慧.本科生导师制教学运行模式实证研究[J].黑龙江教育(高教研究与评估)，2009(11)：37-39.

[8] 贾中.三维扫描带领人类进入非直接认识的三维时代[J].美术教育研究，2016(129)：46.

[9] 贾 中.3D打印新天地——浮雕板[J].美术教育研究，2016(19)：68.

[10] 刘 娇.我国古建筑保护面临的问题及对策分析[J].中华民居，2013(11):104.

[11] 张 云，苏义坤.3D打印建筑的发展与展望[J].山西建筑, 2015,41(34):6.

[12] 何文森，杨华军，江 萍，等.大学生创新实践能力培养[J].实验室研究与探索,2015,34(7):94.

[13] 姜月菊，吕海军，杨晓毅，等. 3D扫描与3D打印技术在破损建筑装饰构件修复中的应用[J].施工技术，2016(45):771-773.

[14] 梁思成.记五台山佛光寺的建筑[J].中国营造学社会刊，1953,7(1-2):15.

[15] 李 青，王 青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013(4)：29-34.

[16] 孙柏林.试析“3D打印技术”的优点与局限[J].自动化技术与应用，2013,32(6):2.

[17] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012(26):3-5.