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3D打印在建筑设计中的应用.rar

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    编号:20181101170526605    类型:共享资源    大小:5.77MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    打印 建筑设计 中的 应用
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    3D 打印技术在建筑建造中的应用——以青西郊野公园游客接待中心为例缪一新北京市建筑设计研究院有限公司miaoyx2007#gmail.com摘要:随着建筑行业工业化水平的进一步提高,以及 BIM 技术的广泛应用,从建筑数据到工程建造的信息流已经打通,虽然其中各个环节还远未成熟,但打印建筑已经成为可能。本文回顾了 3D 打印技术的发展历史,简要介绍目前相对成熟的分层打印技术(Contour Crafting) 。建筑分层打印是一种工业化的建造方式,利用特殊纤维和高强度混凝土,直接生产出需要的建筑构件。因此,也可以理解为不开模的装配式建造,打印的过程便是建造的过程。建筑师在其中扮演的角色非常微妙,一方面 3D 打印赋予了建筑师更强的造型可能性,另一方面,也促使建筑师应用新的建构逻辑,去组织空间材料等建筑要素。本文以游客接待中心的设计为例介绍了分层打印技术在建筑中的应用,并对打印建筑的未来进行展望。关键词: BIM;3D 打印建筑;游客接待中心设计The Application of 3D Printing in Construction: The Design of Qingxi Country Park Reception Miao YixinBeijing Institute of Architecture Designmiaoyx2007#gmail.comAbstract. With the improving industrial level and wide use of BIM technology in architecture, the workflow from model data to engineering and construction were now possible. Though each process may be far from ready, printing architecture is coming true. This paper reviews the historical development of 3D printing, made a brief introduction of CC (Contour Crafting), which is an industrialized building method, by using special fiber and high-strength concrete, to produce building components without templates. Architects now have a very delicate role in it. On the one hand, 3D printing gives architects more possibilities in form, on the other hand, it also raise the task of new structural logic, organization of space, materials, etc. Based on the case of a tourist reception, it introduced the application of 3D printing in architecture and made suggestions on its further development.Keywords. BIM;3D printing architecture;Tourist reception.刘易斯·芒福德(Lewis Mumford,1895-1990)曾指出,人们所使用的工具都是人体及其功能的延伸,例如电话是喉咙的延伸,汽车是脚的延伸,电视是眼睛的延伸等等。然而,他对技术并不盲目崇拜,因为机器固然在特定方面(距离、速度、力量)远超人类,但“即使是最好的机器也只不过是对生命有机体的拙劣模仿” 。3D 打印机便是一个“ 模仿之作”,它想实现从概念到实体的无缝转变。3D 打印建筑的发展1986 年第一台商用 3D 打印的诞生(由 Charles Hull 创办的 3D system 生产),其后打印技术不断发展,打印材料也不断丰富,包括 ABS/PLA 卷材、光敏树脂、尼龙粉末、陶瓷粉末、金属粉末等。以常见的 ABS/PLA 卷材为例,其3D 打印机的基本流程分为切片与打印。切片是指计算机根据材料的单层厚度将数字化模型切割为多层,并通过一定的优化算法,计算出打印机喷头在空间中依次“填充”各层所需移动的轨迹。打印的过程是指打印机根据轨迹文件,将ABS/PLA 材料在预定位置融化并堆积在下方已打印部分之上,待新的材料凝固后又成为上层材料的基础,不断累积,从而实现整体三维造型的目的。其打印成品几何上高度忠实数字模型,且精度可控,其材料强度和性能方面虽然比不上传统工艺,但在模具成本和快速实现方面有显著优势。尽管 3D 打印的概念由来已久,但其进入建筑领域并成为热点却离不开近年来建筑行业内外环境的改变。从建筑业内部看,由于对建筑成本、完成度以及各专业设备配合的需求,以及复杂几何形体的精度要求,建筑图纸表达除几何尺寸表达外,又加上建造信息如材料、产品选型甚至造价估算。二维图纸已无法满足交互的需求,而开始转向三维 BIM 模型( Building Information Modeling) ,BIM 也逐渐成为新的行业标准(目前主要在大型复杂项目中有应用)。这就为打印建筑的提供了数字化模型。从外部环境看,建筑行业需改变能耗高、污染重的现状已成为行业共识,加上人力成本不断提高,倒逼建筑业提高工业化水平。从目前国内外的 3D 打印建筑实践来看,高度一般都是一到二层,对打印材料的强度并没有特别苛刻的要求,作为临时性住房或展览使用完全是可行的。但若希望满足规范要求的结构强度和抗震性能,则对 3D 打印技术体系提出了更高的要求——概念很美,但还不成熟。下图为 3D 打印的微型工作室,建筑是横向打印完成后立起来的,照片中能看出打印填充的痕迹。图 1 3D 打印建筑实例 (图片来源 http://www.yhbm.com/)打印建筑方案构思打印建筑实践的契机来自上海市政府有关建立郊野公园的发展规划。青西郊野公园属于上海市初步规划的 21 座郊野公园之一,位于上海市青浦区西郊的大莲湖畔。与一般城市公园不同,郊野公园以原有自然环境为主体,少量设有服务设施,游客接待中心的功能也是围绕教育、展览和一些简单的餐饮零售业,选址基本不改变原有的村落格局,只是征用了原村集体的一个工厂的建设用地。在设计理念上,3D 打印公司以及政府相关负责人达成共识,一方面要与现有的水、田、树、林、村等乡村机理相适应,另一方面希望能够结合 3D 打印的概念,兼具实验性与示范性。建筑概念的起源来自吴冠中先生的一副水墨画,对江南水乡的元素抽象成为黑色的屋顶与白色的墙体,并对原几何形态进行重构。图 2《 黑白故里 》 吴冠中我们的方案概念“ 连舍” ,取音莲舍镇,继承其文脉,取意村舍相连,继承其形态。连续的屋面一方面是造型需求,另一方面可作为观景平台使用,概念方案形象如下图所示。图 3 概念方案鸟瞰图方案构思时对建造也有所考虑,既然打印混凝土最适合做墙体,那就利用平行的墙体作为承重墙并同时限定空间,如图 4 所示。图 4打印墙体作为承重墙与连续曲面上人屋顶结构体系设想与 3D 打印公司交流后我们了解到,打印机使用“油墨”来自建筑废弃材料,粉碎后作为骨料,加上水泥和纤维调和成为牙膏状混合物。其力学性能接近纯混凝土,承压强度很高,但是不抗拉力,可以作为承重墙,但跨度较大时无法作为楼板和屋顶使用。我们还发现,打印的墙体并不是完全填充的,内部的网格状空腔(见图 2)可以作为建筑设备的路由和填充保温材料以提高墙体的热工性能。图 53D 打印机正在工作 (图片来源:网络)在初设阶段,我们研究了现有打印建筑的结构体系。实例均为单一材料,只是在局部有钢筋网片加强连接,整体的受力比较接近砌块结构(从横放的打印块看,整体性应该强于砌块结构) 。由于对混凝土“ 油墨” 材料还没有完善的性能检测,目前尚无法证明墙体自身的强度满足抗震要求,更不用说上人屋面和楼板,会涉及更不利的抗拉问题。因此,为了满足现行规范,我们需要对其加以发展使具有普遍性,这也是实验和示范的意义所在。我们最开始的思路是在混凝土“油墨” 内植入钢筋,形成钢筋混凝土体系。然而结构工程师认为这是不可行。钢筋混凝土并非简单的钢筋和混凝土的并置,而是利用混凝土的抗压性和钢筋的抗拉性进行协同受力,为此需要保证两者的形变一致。在现浇体系中,钢筋表面的螺纹可以增大与混凝土的接触面积,并且在混凝土凝固前振捣液化,保证浇筑密实,接触充分。这样做的前提是混凝土的流动性较强,需要模具支持。而在 3D 打印作业中,混凝土 “油墨”的流动性较弱,下层基本凝固后才能作为上层的基础,因此无法与钢筋充分接触,协同受力。另一种设想是与轻钢结构、木结构相结合。这其实是将水平构件与竖直构件进行分离,通过承重墙之间的钢(或者木)横梁解决层板的受力问题,重力传递更为清晰,但从打印建筑的概念看不够纯粹,用结构设计师的话来说, “我都不用承重墙,钢柱直接落地多省事”。比较之后,我们认为打印墙体+现浇框架结构是最适合的。与砌块墙类似(图) ,打印混凝土需要构造柱与圈梁加强整体性,不同的是,打印混凝土可以结合的更好。利用打印墙体作为模板,只在构造柱以及梁柱交接位置预留孔洞,现场浇筑后连接成为整体,从材料的整体性和 3D 打印工艺的发展方向看都比较合适的。图 6砌块墙构造柱示意 (图片来源:网络)由于墙体并非现场打印,考虑运到工地的交通限制,墙体本身需进行分段(设计中取 2m 为单块墙宽上线) 。分段处两侧均设计成内凹口,在现场拼接定位后可以直接结合钢筋现浇为构造柱,如下图所示。图 7 打印墙体单元化,并与现浇体系结合 (图片来源:自绘)图 8 楼面屋面的预制梁与水平柱之间的关系(图片来源:自绘)屋面与二层楼板类似,在构造柱的相应高度预留节点与预制钢筋混凝土梁连接,其上铺设预应力混凝土(空心)板作为屋面(楼面) 。屋顶绿化沿等高线方向用打印砖铺设,因为打印砖的上表面可存少量土壤,满足草本植被的生长。图 9 连续屋面铺设的打印瓦作为微型花盆(图片来源:自绘)经过比较方案,我们将打印作为预制墙体以及部分建筑构件(如阳台、窗格)的手段,局部结合现浇结构,可以较好地实现打印建筑的概念,同时满足结构强度要求,这也是 3D 打印可以进一步完善的方向。反思与展望本项目目前尚处于方案深化阶段,对结构体系和施工流程的设想还有待在实践中得到验证和完善,建筑师需要随时结合打印工艺解决具体问题,如钢筋网的铺设、混凝土表面的处理等, 3D 打印的实践将领先于理论,在探索中得到完善。对于 3D 打印技术的前景,不同的人可能会有不同的看法。得出结论之前,我们不妨回顾一下二维打印的历史。印刷机历史较长,最早可以追溯到公元 7世纪的雕版印刷。其后的活字印刷(公元 11 世纪) ,以及当代的孔版印刷、静电印刷和喷墨印刷等,原理基本一致,只是降低了人的工作强度,提高了印刷质量。而打印机的历史较短,则直到 19 世纪末才出现。比较印刷机与打印机,其共同点是在纸质媒介上记录内容,然而,印刷机更侧重数量和质量,打印机更强调内容的表达。侧重点不同,两者对历史的贡献也不同,印刷机的发明促进了文化的交流,知识开始以书籍的形式流动,从某种意义上打破了贵族的知识垄断,推进了民主进程。而打印机从未用于大规模印刷,与其打印一本书,不如直接购买。但是,打印机的发明却促进了二维文本和图像的处理方式从纸面转移到了数字空间,从而间接改变了平面设计行业发展的格局。PS 软件不仅仅是后期处理工具,图层和色彩通道等概念均是数字化艺术独有的工具。某种意义上,在 PS 中引入画笔笔刷形状,可以作为艺术创作工作平台转移的标志。对 3D 打印建筑而言,将来也可能会有类似工业化生产与艺术表达两个方向的分化。工业化生产的方向追求建筑成本的控制,强化打印机的读图能力,以实现从数字模型到生产的自动处理,这对于住宅的产业化是一个有力推动。而在追求艺术表达的方向,打印建筑会有更多的技术难题需要解决,例如对悬挑、特殊造型的适应,以及更高的精度、强度要求,相应也会提高建筑成本。就像打印机无法取代印刷机,这两个发展方向也将同时发展,互为补充。参考文献:[1] 李志国,陈颖,简凡捷,2014,3D 打印建筑材料相关概念辨析,天津建设科技,第 24卷第 3 期,pp.8-12[2] 李福平,邓春林,万晶,2013,3D 打印建筑技术与商品混凝土行业展望,混凝土世界,2013.03, 总第 45 期,pp.28-29[3] 雷泽,梅本,2012,新兴建构图集,中国建筑工业出版社
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