張慧，贠潔

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

一、研究背景

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的品質(zhì)和審美追求不斷提升，同時(shí)隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)、非線性設(shè)計(jì)等體現(xiàn)時(shí)代精神的個(gè)性化設(shè)計(jì)也備受青睞。景觀小品作為環(huán)境景觀設(shè)計(jì)中的重要組成部分，指園林景觀中體量較小、供人們欣賞和使用的構(gòu)筑物。人們對(duì)景觀小品設(shè)計(jì)性、獨(dú)家定制性等個(gè)性化要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)景觀小品樣式單一，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代人審美需求，并且其制作過(guò)程存在會(huì)產(chǎn)生污染及廢料、使用年限短、廢棄后資源無(wú)法回收利用等問(wèn)題。近年來(lái)新型產(chǎn)業(yè)——3D打印技術(shù)則為傳統(tǒng)景觀小品的創(chuàng)新打開(kāi)了大門(mén)。

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末，至今幾十年的時(shí)間里，3D打印技術(shù)在航空航天、醫(yī)療、教育、建筑、工藝品制造等領(lǐng)域都取得了很大進(jìn)展；3D打印混凝土技術(shù)起源于1997年，主要使用在建筑領(lǐng)域，從其出現(xiàn)至今，世界各地3D打印建筑產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，并為其在景觀小品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。經(jīng)過(guò)幾十年沉淀，當(dāng)前3D混凝土打印的材料、設(shè)備、技術(shù)已經(jīng)足夠支撐景觀小品打印，雖然還有需要完善之處，但基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備。

二、3D打印混凝土技術(shù)原理及其在景觀小品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)分析

（一）3D打印混凝土技術(shù)原理

在3D打印技術(shù)發(fā)展前期并且在特定條件下，3D打印技術(shù)也可被稱為“增材制造”，指通過(guò)材料的逐層累加制造實(shí)體。其打印原理為：前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)備過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建造三維模型，使用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行分片處理，規(guī)劃打印路徑，或是直接使用軟件繪制打印路徑，由3D打印機(jī)按照打印路徑擠出“油墨”，逐層疊加，從而完成打印。

3D打印技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中，有不同種類的3D打印機(jī)與3D打印材料。而在建筑領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)的主要材料為復(fù)合了多種材料的混凝土。3D混凝土打印機(jī)相較于其他材料的打印機(jī)，體積更大，但基本原理大同小異，都是通過(guò)打印機(jī)噴頭在X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)體打印，所以在一定程度上3D混凝土打印機(jī)的大小限制了打印物體的尺寸，即成型空間體積。

3D打印混凝土技術(shù)分為兩種打印方法：混凝土材料逐層擠出疊加方法（例如輪廓工藝）與混凝土結(jié)構(gòu)顆粒床3D打印方法（例如D-shape工藝），前者直接擠出混合好的混凝土材料，后者則通過(guò)噴射粘結(jié)劑到混凝土顆粒床，對(duì)比這兩種3D打印混凝土方法，可以發(fā)現(xiàn)每種方法都存在其優(yōu)缺點(diǎn)?；炷敛牧现饘訑D出方法，其優(yōu)點(diǎn)是成型空間體積大，并且經(jīng)新加坡南洋理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的升級(jí)研究，未來(lái)的混凝土逐層擠出方法或?qū)⒉淮嬖诔叽缦拗?，但該方法?duì)打印構(gòu)件的形體形狀存在諸多要求，具體表現(xiàn)為：傾斜、懸空等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難，打印分辨率較低等?；炷两Y(jié)構(gòu)的顆粒床3D打印工藝其優(yōu)點(diǎn)在于：幾乎不對(duì)打印構(gòu)件的形體形狀施加任何限制，可以輕松實(shí)現(xiàn)傾斜、拱頂、懸空等結(jié)構(gòu)，打印分辨率較高（最小可達(dá)0.1mm），但其缺點(diǎn)在于打印構(gòu)件尺寸受限于顆粒床體積，目前最大的打印體積為D-shape工藝（12×12×10m）。

（二）3D打印混凝土技術(shù)原理及其在景觀小品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)分析

1.實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)的生產(chǎn)方式

圖1 景觀桌數(shù)字化模型與打印成品（自攝）

圖2 四周圍合式景觀小品設(shè)計(jì)圖及打印實(shí)體（自攝）

圖3 以立面為打印底面的景觀小品（自攝）

3D打印混凝土技術(shù)將改變傳統(tǒng)制造過(guò)程的低碳思路，提供一種嶄新的產(chǎn)品綠色生命周期概念，從產(chǎn)品材料來(lái)源、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、維護(hù)，到報(bào)廢回收再利用，其綠色低碳效果貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期。如3D打印混凝土技術(shù)以回收建筑垃圾為原材料，讓廢棄物在建筑工程中得以回收利用，在傳統(tǒng)的景觀施工過(guò)程中，廢料產(chǎn)生無(wú)法避免，且很難進(jìn)行收回再利用，同時(shí)還存在嚴(yán)重的施工環(huán)境揚(yáng)塵、廢氣排放問(wèn)題。3D打印混凝土技術(shù)在打印操作過(guò)程前可通過(guò)測(cè)量數(shù)字化模型計(jì)算出大概的原料用量，并且打印材料來(lái)源于現(xiàn)有的建筑垃圾與工業(yè)垃圾。在打印制作過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵、排放廢氣，是一種綠色生態(tài)的生產(chǎn)方式。

2.設(shè)計(jì)自由與方案快速呈現(xiàn)

傳統(tǒng)制造工藝對(duì)設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生了諸多限制，但在尊重3D混凝土打印機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及3D打印混凝土材料特性的前提下，使用3D打印混凝土技術(shù)制作景觀構(gòu)件，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)非線性等復(fù)雜形體建造，3D打印混凝土技術(shù)可以一定程度上脫離傳統(tǒng)制造方式對(duì)設(shè)計(jì)思維的限制，設(shè)計(jì)師的想法及思路只要能建構(gòu)起三維數(shù)字模型，基本就可以實(shí)現(xiàn)3D打印。

使用3D打印混凝土技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)方案快速呈現(xiàn)。一方面，3D打印混凝土技術(shù)可以直接切片三維數(shù)字化模型進(jìn)行等比打印，只需通過(guò)電腦軟件繪制模型或打印路徑，即可模擬最終打印效果，做到三維數(shù)字化模型與打印實(shí)體所見(jiàn)即所得（圖1）。另一方面，在方案設(shè)計(jì)階段，可以使用該技術(shù)對(duì)三維模型進(jìn)行成比例縮放打印，用于設(shè)計(jì)方案展示以便與客戶進(jìn)行溝通。

3.施工速度快，造價(jià)低

景觀小品傳統(tǒng)制造方法大概分為：材料去除法、直接成型法、結(jié)合加工法。使用傳統(tǒng)制造方式適合大量定制，但也各有弊端，例如材料去除法，即車床、銑床加工，屬于減材制造，加工設(shè)施昂貴且會(huì)產(chǎn)生廢料；直接成型法，即定制模板澆筑制作，適合大量定制，且模板定制費(fèi)用高昂；結(jié)合加工法，例如電焊等方式，需要大量人工進(jìn)行操作，且會(huì)產(chǎn)生廢氣煙塵；并且，傳統(tǒng)制造方式，一般需要多種制造方式相互配合才能完成最終的景觀小品建造。

3D打印混凝土的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)少量定制的同時(shí)保持低成本投入，具體表現(xiàn)為：3D打印混凝土技術(shù)對(duì)復(fù)雜形體精準(zhǔn)把控的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，成本投入只有數(shù)字化模型建設(shè)與混凝土原材料，3D打印混凝土技術(shù)的施工過(guò)程全程自動(dòng)化，無(wú)需制模與人工建造成本，且不會(huì)產(chǎn)生廢料，施工過(guò)程無(wú)需看管，設(shè)置好程序后由3D打印機(jī)自主完成打印。

三、3D打印混凝土技術(shù)在景觀小品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

混凝土材料逐層擠出疊加打印方法相比混凝土結(jié)構(gòu)的顆粒床3D打印方法，其對(duì)數(shù)字化模型要求更高，本節(jié)以國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速的混凝土材料逐層擠出疊加方法為基礎(chǔ)，探討3D打印混凝土技術(shù)在景觀小品設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用。

（一）3D打印混凝土的材料要求與特點(diǎn)

3D打印混凝土技術(shù)所使用的混凝土材料與生活中常用的混凝土稍有不同，它摻雜了附加材料，配比精確，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)需要適宜的流動(dòng)性來(lái)適應(yīng)3D打印。目前各大高校及機(jī)構(gòu)制配的適用于3D打印的混凝土，依據(jù)基材及制配材料不同，抗壓強(qiáng)度從30Mpa到120Mpa不等。使用3D打印混凝土技術(shù)制作景觀構(gòu)件，可以說(shuō)是3D打印建筑研究道路上的衍生物，參照現(xiàn)有的3D打印用混凝土材料強(qiáng)度，3D打印混凝土技術(shù)用來(lái)制作景觀構(gòu)件完全符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印混凝土技術(shù)使用的混凝土材料需要具備適宜的流動(dòng)性，才能保持其在打印過(guò)程中不會(huì)因流動(dòng)性較差而堵塞噴頭或材料擠出時(shí)出現(xiàn)斷續(xù)，也不會(huì)因流動(dòng)性太強(qiáng)而導(dǎo)致模型在打印過(guò)程中坍塌。同時(shí)，3D打印混凝土技術(shù)的打印材料與其他類型的3D打印材料（樹(shù)脂、金屬）不同，混凝土需要一定的凝結(jié)時(shí)間，所以該技術(shù)對(duì)具有懸空結(jié)構(gòu)模型的打印表現(xiàn)能力略顯不足。

（二）3D混凝土打印機(jī)特點(diǎn)與數(shù)字化模型設(shè)計(jì)

在進(jìn)行數(shù)字化模型建設(shè)前，首先要了解3D打印混凝土技術(shù)的打印機(jī)特點(diǎn)。目前常見(jiàn)的3D混凝土打印機(jī)結(jié)構(gòu)有：龍門(mén)式、框架式、機(jī)械臂式，目前的大型3D混凝土打印機(jī)在打印過(guò)程中無(wú)法移動(dòng)位置，所以3D打印混凝土技術(shù)的成型空間體積是固定的，已知最大的3D混凝土打印機(jī)為上海盈創(chuàng)公司自主研發(fā)的巨型三軸龍門(mén)式打印機(jī)，成型空間體積大約為6.6×10×150m。

在目前的實(shí)際應(yīng)用中，3D混凝土技術(shù)無(wú)法在打印過(guò)程中更換或調(diào)節(jié)噴頭大小，運(yùn)動(dòng)原理依據(jù)笛卡爾直角坐標(biāo)系進(jìn)行X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)，打印過(guò)程層層向上疊加直至完成整個(gè)實(shí)體打印，所以3D打印混凝土技術(shù)的“打印筆觸”是等寬的線條。同時(shí)，3D混凝土打印機(jī)打印速度可按照實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整，打印速度不僅會(huì)影響模型打印最終完成時(shí)間，也會(huì)一定程度上影響“打印筆觸”的設(shè)置寬度。

3D混凝土打印機(jī)體積較大，搬運(yùn)不便，所以目前在方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)首先考慮施工地點(diǎn)：一是把3D混凝土打印機(jī)搬運(yùn)至打印地點(diǎn)，在實(shí)地進(jìn)行打印作業(yè)，后續(xù)不需再運(yùn)輸打印構(gòu)件，但需營(yíng)造一個(gè)適合3D混凝土打印機(jī)的工作環(huán)境。二是選擇不搬運(yùn)3D混凝土打印機(jī)，而是在3D混凝土打印工廠或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)進(jìn)行打印作業(yè)，待打印構(gòu)件凝固后進(jìn)行運(yùn)輸，這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮打印構(gòu)件尺寸，以便后續(xù)運(yùn)輸工作。

（三）3D打印混凝土景觀小品關(guān)鍵技術(shù)

1.懸空結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法

使用3D混凝土打印機(jī)制造懸空結(jié)構(gòu)，當(dāng)下技術(shù)有以下三種方法：在打印時(shí)，將懸空部分填充，與打印主體相連一體打印，待混凝土凝固后，裁切懸空部分，例如法國(guó)XtreeE公司與結(jié)構(gòu)公司Artelia和混凝土預(yù)制件公司Fehr Architectural合作制作的3D打印混凝土柱；或是在打印過(guò)程中，使用木板支撐，待混凝土凝固后抽出木板，但此種方法只適用于極少數(shù)情況；或是將模型拆分成適宜打印的塊，即裝配式打印，打印完成后進(jìn)行組裝操作得到成品。

圖4 打印立面紋理（自攝）

2.打印底面選擇與編織表皮設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

打印物體的打印底面選擇是設(shè)計(jì)的第一步，打印底面選擇會(huì)影響兩個(gè)層面。

一是打印物呈現(xiàn)方向，不同功能的景觀構(gòu)件需要不同的打印底面選擇，例如花壇、花缽、樹(shù)池這種需要四周圍合的景觀小品（圖2），大多以XY面為底面逐層向上打印。景觀椅、景觀桌等打印底面選擇較為自由（如圖3是以立面為打印底面的景觀小品），但應(yīng)根據(jù)混凝土材料強(qiáng)度問(wèn)題考慮打印底面，現(xiàn)有的3D打印用混凝土復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度良好，但它的抗折強(qiáng)度略顯不足，從5Mpa到30Mpa不等，所以在進(jìn)行打印底面選擇時(shí)，應(yīng)盡量避免易折彎面受力。

二是打印紋理方向，現(xiàn)有的3D打印混凝土技術(shù)存在打印立面紋理（圖4）。打印紋理與打印底面平行，當(dāng)選擇XY面為打印底面時(shí)，打印紋理平行于XY面逐層增加。打印紋理的存在可以為我們提供一種新的設(shè)計(jì)思路——“編程式”設(shè)計(jì)，在原有的打印路徑中加入規(guī)律的曲線變化，從而形成豐富的立面復(fù)雜效果，例如柏林Studio 7.5與法國(guó)XtreeE合作制造的3D打印混凝土編織椅。

打印紋理的設(shè)計(jì)可分為兩種方法：一是直接對(duì)打印路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)及繪制。二是建造整體模型時(shí)考慮立面紋理并進(jìn)行立體模型繪制，在打印時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)切片自動(dòng)規(guī)劃打印路徑。

3.大尺度景觀小品實(shí)現(xiàn)方法——裝配式

當(dāng)需打印物體超出成型空間體積時(shí)，或是打印地點(diǎn)不設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)需要搬運(yùn)時(shí)，一般需要將大尺度的景觀小品整體模型進(jìn)行拆分。進(jìn)行模型拆分時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）確認(rèn)拆分塊最大體積，嚴(yán)格保持在3D混凝土打印機(jī)成型空間體積內(nèi)，或是保持在方便運(yùn)輸?shù)倪m宜尺寸范圍內(nèi)。（2）確認(rèn)打印底面與打印紋理方向，每個(gè)拆分塊的打印紋理方向最好保持一致，以追求最佳的視覺(jué)效果。（3）當(dāng)涉及到“卡扣”結(jié)構(gòu)（塊與塊之間的卡槽）時(shí)注意混凝土材料溢出范圍。（4）拆分時(shí)注意整體模型的穩(wěn)定及穩(wěn)固。

（四）數(shù)字化模型建構(gòu)及打印方法

3D打印混凝土技術(shù)的數(shù)字化模型建構(gòu)可以分為兩種方式：一是直接建構(gòu)三維的整體模型，二是直接繪制打印路徑，即路徑建設(shè)。

無(wú)論是路徑建設(shè)或三維模型建設(shè)，在建設(shè)前都應(yīng)先確認(rèn)好以下幾點(diǎn)：（1）3D打印混凝土技術(shù)的筆觸較寬，在進(jìn)行數(shù)字化模型建設(shè)前，先確定“打印筆觸”寬度，筆觸定寬直接影響到模型尺度與精度，所以應(yīng)嚴(yán)格按照筆觸定寬進(jìn)行模型建設(shè)或路徑建設(shè)。（2）確認(rèn)打印底面，決定打印物體呈現(xiàn)方向與紋理方向。（3）確認(rèn)成型空間體積與打印地點(diǎn)，是否涉及搬運(yùn)問(wèn)題及拆分模型問(wèn)題。

三維模型建設(shè)可使用CAD、3DMAX等軟件進(jìn)行制作，制作完成后一般導(dǎo)出STL格式，導(dǎo)入整體模型至切片軟件（這里以目前比較常見(jiàn)的切片軟件Cura為例），將模型旋轉(zhuǎn)至打印底面向下?tīng)顟B(tài)，設(shè)置打印筆觸定寬（走線寬度）等參數(shù)，導(dǎo)入3D混凝土打印機(jī)進(jìn)行打印操作，最后等待打印構(gòu)件凝固。

路徑建設(shè)可使用CAD直接繪制二維圖，與三維模型建設(shè)不同的是，三維模型建設(shè)繪制的是打印物體邊線，而路徑建設(shè)需繪制打印路徑中心線，繪制完成后將CAD文件導(dǎo)入3D混凝土打印機(jī)進(jìn)行打印操作，等待打印構(gòu)件凝固。

四、3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用于景觀小品設(shè)計(jì)展望

3D打印混凝土技術(shù)盡管在景觀小品設(shè)計(jì)中取得了一定成就，但還有許多方面的問(wèn)題有待解決和提高，當(dāng)前主要體現(xiàn)在以下方面：

1.在景觀的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用中，對(duì)混凝土材料提出更高要求，3D打印建筑對(duì)混凝土材料的強(qiáng)度及可打印性要求較高，景觀領(lǐng)域?qū)Σ牧系男误w塑造能力要求較高，如何調(diào)配出一款在流動(dòng)性適宜的同時(shí)做到建設(shè)性優(yōu)良、可塑性高的混凝土材料將成為一項(xiàng)持續(xù)性的研究課題。

2.成型空間體積限制的突破?，F(xiàn)有的3D混凝土打印機(jī)，固定后可移動(dòng)范圍有限，這限制了打印構(gòu)件尺寸和打印范圍。近年來(lái)，已經(jīng)有高校推出了可移動(dòng)式的小型3D混凝土打印機(jī)，大型可隨意移動(dòng)的3D混凝土打印機(jī)也指日可待，突破成型空間體積限制，不僅是3D打印建筑行業(yè)的突破性發(fā)展，3D打印混凝土技術(shù)在景觀中的應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛。

3.增材制造與減材加工的結(jié)合。現(xiàn)有的3D混凝土打印技術(shù)，是單純的增材制造，如果在未來(lái)的發(fā)展中，將3D混凝土打印機(jī)添加“自動(dòng)雕刻”功能，作業(yè)過(guò)程分為兩個(gè)部分：增材制造堆砌主體與減材雕刻精加工，根據(jù)混凝土凝固硬度選擇適當(dāng)?shù)摹暗窨獭睍r(shí)間。不僅可以解決模型精度的問(wèn)題，也可解決因混凝土材料特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)的棱角以及懸空結(jié)構(gòu)。

當(dāng)今世界即將進(jìn)入第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0時(shí)代，其實(shí)質(zhì)在于提高資源生產(chǎn)率的同時(shí)減少污染排放，3D打印混凝土技術(shù)集綠色、高效、自動(dòng)化、數(shù)字信息化等特點(diǎn)于一身，即使目前該技術(shù)還有種種有待解決及提高的方面，但毋庸置疑的是，3D打印混凝土技術(shù)一定會(huì)改變景觀小品設(shè)計(jì)與建構(gòu)現(xiàn)狀，創(chuàng)造出新的發(fā)展方向。