摘要：

現(xiàn)代的城市公共雕塑已經(jīng)成為一種不可或缺的精神文明載體，體現(xiàn)著一個城市的文化內(nèi)涵與品味。針對當今城市化迅速發(fā)展、市場需求量增大、傳統(tǒng)的制造體系逐漸不能滿足現(xiàn)代社會對效率、個性、多樣化等諸多因素需求的情況下，利用新的技術手段，進行標準化，系統(tǒng)化的設計制造成為本文闡述的重點，通過沈陽蒲河生態(tài)走廊區(qū)域公共雕塑設計制造的例子論證新技術在公共雕塑領域的可行性和優(yōu)越性。

關鍵詞：

3D打印 虛擬技術 公共雕塑 產(chǎn)品設計

在當今科技高速發(fā)展的進程中，3D打印和虛擬現(xiàn)實技術憑借著自身高效便捷的特點已經(jīng)滲透到各行各業(yè)的各個領域中。其在制造業(yè)領域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著城鎮(zhèn)化的加快發(fā)展，公共雕塑作為精神載體對其的需求量與日俱增。此時現(xiàn)有的技術手段顯得過于單一。文中通過對虛擬現(xiàn)實技術和3D打印的技術現(xiàn)狀的分析，并將新舊制造方式進行對比，旨在建立一個數(shù)字化智能雕塑系統(tǒng)體系，結合具體案例論證新技術在公共雕塑設計與制造的合理性和有效性。

1.研究背景分析

1，1景觀規(guī)劃對公共雕塑的需求

公共雕塑不僅是一個城市的標志，也是一個城市文化魅力的體現(xiàn)。它能夠讓人們產(chǎn)生領屬感和自豪感。隨著我國城市化的快速推進，舊城改造和新區(qū)建設涌現(xiàn)大量的公共開發(fā)空間。為了營造公共文化、增強空間人文氣息，公共雕塑的需求量不斷增加，這為公共雕塑的發(fā)展提供了廣闊的前景?，F(xiàn)階段我國公共雕塑“一步一景”的設計理念和小型雕塑的普及度與國外發(fā)達國家相比存在這明顯差距，傳統(tǒng)的雕塑制作工藝的方法逐漸不能滿足現(xiàn)代社會講求效率、個性、多樣化特征的市場需求。

1，2虛擬現(xiàn)實與3D打印技術現(xiàn)狀及其應用分析

虛擬現(xiàn)實技術通過模擬使用者的聽覺、觸覺、視覺等感受，讓使用者全方位無限制地去觀察計算機模擬出的虛擬空間，仿佛身臨其境。虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品設計開發(fā)的過程中，設計師可通過虛擬三維環(huán)境對產(chǎn)品的創(chuàng)意、工藝裝配、工藝優(yōu)化進行直觀化、數(shù)據(jù)化、系統(tǒng)化的評價和修改。與傳統(tǒng)的計算機輔助設計相比虛擬現(xiàn)實技術具有交互性、沉浸性、想象性的特點。進而有效地避免_了產(chǎn)品開發(fā)周期長、資源消耗大的缺陷，加快了設計進度，降低了研究成本。虛擬現(xiàn)實技術逐漸成為行業(yè)的主流并廣泛應用在汽車仿真實驗、展示設計、影視制作等方面。例如2013年谷歌發(fā)布了一款增強現(xiàn)實眼鏡GoogleGlass，通過對真實場景的虛擬互動和手勢控制，能讓你分分鐘創(chuàng)造自己的虛擬物體，然后3D打印出來如圖1所示：

3D打印技術采用粉末樹脂或金屬等可黏合材料通過電腦控制采用分層加工方式疊加成型，不僅可以打印微小的物品甚至可以顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)的制造方式。例如美國南加州大學研發(fā)的“輪廓工藝”。它可以在24小時內(nèi)可以打印出2層樓高的房子?！拜喞に嚒逼鋵嵕褪且粋€超級打印機器人，如圖2所示，其外形像一臺懸停于建筑物之上的橋式起重機，兩邊是軌道，而中間的橫梁則是“打印頭”，橫梁可以上下、前后移動，進行X軸和Y軸的打印工作，然后一層一層地將整棟房子打印出來。與傳統(tǒng)房屋建造相比，“輪廓工藝”3D打印技術能夠節(jié)省20%-25%的資金和25%-30%的材料，也節(jié)省了40%-55%人力。

2.虛擬現(xiàn)實與3D打印技術在公共雕塑設計制造中的可行性探索

2，1傳統(tǒng)工藝與新技術制造對比分析

現(xiàn)有的公共雕塑制作流程先是由設計師對雕塑主題的理解構思平面圖，通過平面圖交代場景、地點、主體、面積，然后制作成小樣，接著按原比例制作放大模型，同時進行造型上的修改，然后根據(jù)所用材料選擇澆鑄、鍛造、焊接、雕刻等方法進行制作。這一過程要求設計者反復修改甚至重新制作，同時由于加工手段的因素，一些復雜的形態(tài)也不得不被放棄，造成了設計周期長、成本高、資源消耗大等問題。

虛擬現(xiàn)實技術與3D打印技術同時參與公共雕塑的設計與制造，是技術與藝術的結合。在藝術領域創(chuàng)造者通過虛擬交互手段實現(xiàn)與雕塑作品的互動完成設計、檢測、修復等一系列的工作，同時在技術領域利用三維打印技術能夠更精確更快捷地完成作品的制造，提高了設計者的工作效率，節(jié)約了設計成本，以深圳職業(yè)技術學院圖書館雕塑《思想者》為例，如表1所示，更加直觀的體現(xiàn)出新技術相比現(xiàn)有技術的優(yōu)越性。

2，2公共雕塑3D打印設備設計

2，21公共雕塑3D打印機設計定位

當前，國內(nèi)外的3D打印機分為開放式和封閉式兩種結構類型。由于公共雕塑以景觀作品居多，且尺寸大小不一，根據(jù)行業(yè)的特性，此設計選擇開放式結構。其創(chuàng)新點在于結構的整體性強、拆卸便捷、擴展性大同時采用履帶式設計移動靈活，在復雜的地形條件下也能夠順利地完成工作。通過建立一個三軸交互運動坐標使打印平面每一個點都具有唯一確定的坐標值與其對應，采用整體造型設計避免零件凌亂布置，分別由機身部分、移動部分和工作部分組成。

2.22公共雕塑3D打印機機體結構設計及加工方式

公共雕塑3D打印機整體的設計結構由x組件、Y組件、z平臺組件與工作組件、電路控制部分聯(lián)接組成。x組件是由直線導軌、移動滑塊與工作組件組成。Y組件做整體升降運動，升降運動的精度由控制步進電機與傳輸帶交互完成。

z軸由移動履帶與伸縮直線導軌控制步進電機組成。公共雕塑3D打印機整機如圖3所示。

打印加工方式為：如表2所示從外部存儲設備或者從計算機直接提取得到3D模型，由微控制器（單片機）對模型進行分析建立支撐結構，然后輸出指令控制打印噴頭的溫度，使材料能夠迅速融化并通過驅動電機帶動噴頭進行x、Y、z軸的移動，噴頭在接收到指令后會調(diào)節(jié)噴出材料的多少，每打好一層控制器會讀取下一層參數(shù)再打印下一層，直到最后打印完成。

3.虛擬現(xiàn)實與3D打印技術在具體雕塑的制作與應用

3.1案例總體設計規(guī)劃

沈陽蒲河景觀帶是名副其實的“萬頃生態(tài)濕地”，同時也是七星文化、蒲河文化、滿族文化、現(xiàn)代文化的宜居風情帶。該案例設計選址在蒲河景觀帶中游，如圖4所示。為使雕塑與環(huán)境氣氛相協(xié)調(diào)，此設計以“藤”作為元素，外觀融入了七星文化元素，更能體現(xiàn)區(qū)域發(fā)展的激情與活力。該雕塑采用新的技術手段，來詮釋新技術在公共雕塑設計制作中的可行性與優(yōu)越性。

3，2虛擬現(xiàn)實與3D打印技術下雕塑制作流程

3，21基礎雕塑模型的構建

新技術下雕塑的制作成型不依賴于手工制作，但不代表沒有作品的呈現(xiàn)方式。設計中可以采用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)雕塑中手工制作的方式，將作品轉化成立體模型。此設計采用犀牛軟件來實現(xiàn)模型的構建，在犀牛軟件中將作品創(chuàng)建成型。如圖5所示。這里創(chuàng)建的模型替代傳統(tǒng)雕塑中手工制造的初模階段，僅僅表現(xiàn)出雕塑的立體形態(tài)，具備觀看的效果。此階段沒有確定材質(zhì)和最終尺寸，這一切都需要利用虛擬現(xiàn)實技術通過與環(huán)境的交互體驗最終確定雕塑的信息參數(shù)。

在確定雕塑的基本形態(tài)之后，犀牛軟件將以作品模型導出obj格式文件，該格式便于在接下來的虛擬眼鏡操作中使用。

3.22虛擬現(xiàn)實預覽測試

虛擬交互預覽操作借助谷歌meta眼鏡，其核心是增強現(xiàn)實技術。簡而言之就是把現(xiàn)實世界放到屏幕上的虛擬展示，讓現(xiàn)實的信息更豐富，易于觀察。通過語音、觸控、自動三種模式控制顯示信息取代傳統(tǒng)鼠標、鍵盤、顯示器的操作，讓場景更加真實、有說服力。本公共雕塑虛擬測試步驟：

1首先把基本的模型信息傳輸?shù)組ETA設備中，運行操作界面后根據(jù)蒲河生態(tài)走廊的自然環(huán)境色與雕塑的表面肌理，選擇與其符合的材質(zhì)與色彩參數(shù)。本雕塑材質(zhì)選取為：SLA材料，色彩參數(shù)為C1 M89 Y17 K99；

2通過手指的滑動，轉動到所需要的位置，完成對雕塑各個角度的觀察。更加直觀地優(yōu)化作品的細節(jié)。如圖6所示；

3利用手指的撐開與收攏完成任意的縮放，直至得到一個合適的作品尺寸，本雕塑的打印范圍：5700，5700，700ram。

3.233D打印實物成型

此環(huán)節(jié)中我們借助上章節(jié)所設計的公共雕塑3D打印設備快速成型，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實預測后，將調(diào)整后的3D數(shù)字模型保存為STL文件格式，利用前臺控制軟件PROE對3D模型進行分層處理，分層完成后PROE軟件可以導出被3D打印機識別的CODE控制文件。將CODE文件輸入到3D打印機中，打印機Arduino主板里的固化軟件開始讀取控制文件，在確認設備狀態(tài)正常后，開始控制分層打印。

最終的打印雕塑實物如圖7所示，最終打印參數(shù)：材料為SLA，設置了2層實心層、2圈輪廓、23%填充綠色。打印速度為每分鐘2-4層，成型體積為5700，5700，5700mm，打印精度為10，27，34mm。

4.結論

本文采用理論分析、文獻閱讀、案例分析等研究方法對3D打印技術與虛擬現(xiàn)實技術在公共雕塑制造領域可行性進行了相關探索，通過研究充分體現(xiàn)出新技術在環(huán)境保護、制作周期、降低成本等方面的優(yōu)勢。此外，技術手段雖然取代不了藝術表現(xiàn)，但是完全可以與藝術相互借鑒，配合藝術作品更加完美地呈現(xiàn)。綜上所述，3D打印技術與虛擬現(xiàn)實技術以其獨特的優(yōu)勢非常適合公共雕塑行業(yè)的設計與制造。在我國社會建設飛速發(fā)展對公共雕塑需求量不斷增加的大背景中，新技術下的公共雕塑設計制造會具有更大的潛力與發(fā)展空間。