關(guān)鍵詞：增材制造；曲面殼結(jié)構(gòu)；平面化重構(gòu)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；六邊形平面

引言

隨著全球范圍內(nèi)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，數(shù)字設(shè)計(jì)與建造技術(shù)成為推動建筑業(yè)變革的關(guān)鍵因素之一。2021 年，“十四五”規(guī)劃綱要中明確提出，“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”。在這一政策的影響下，進(jìn)一步促進(jìn)了增材制造（3D 打?。┘夹g(shù)在建筑領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。3D 打印技術(shù)以其高效建造、精準(zhǔn)成型以及人機(jī)協(xié)作等優(yōu)勢，在促進(jìn)建筑業(yè)與數(shù)字技術(shù)深度融合發(fā)展方面有著巨大的潛力和發(fā)展空間。尤其是一些傳統(tǒng)建造方法難以完成的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)都可以通過增材制造技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。然而，在現(xiàn)有的建筑3D 打印材料和工藝的限制下，很難整體打印大體量的復(fù)雜曲面或者有懸垂結(jié)構(gòu)的形態(tài)。因此，對曲面進(jìn)行重構(gòu)使之分解為體量較小且無需額外支撐結(jié)構(gòu)的打印單元，成為了增材制造技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題。

本研究提出了一種適用于增材制造的曲面殼結(jié)構(gòu)的非連續(xù)六邊形平面化方法。通過該方法，可以將曲面殼體重構(gòu)成六邊形單元體，并且保證每個(gè)六邊形單元中至少有一個(gè)較大的面是平面，使單元體在3D 打印過程中不需要添加支撐結(jié)構(gòu)。從而提高3D 打印復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的效率和質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)與建造的脫節(jié)，為增材制造技術(shù)在建筑和工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的解決方案。

一、研究現(xiàn)狀

（一）增材制造在建筑中的應(yīng)用

增材制造（AdditiveManufacturing），也被稱為3D 打印，是一種通過逐層堆積材料來制造三維物體的技術(shù)。自從1986 年第一臺商用3D 打印機(jī)問世以來，增材制造在工業(yè)制造、醫(yī)療、時(shí)尚與藝術(shù)等領(lǐng)域展示了其廣泛的適用性和潛力。近年來，建筑行業(yè)也逐漸開始探索如何通過增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建造，伴隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，建筑3D 打印主要存在兩種方式：整體打印和單元模型打印。

整體打印通常通過加長打印設(shè)備的軸向或架設(shè)軌道，實(shí)現(xiàn)建筑物的整體打印，適用于較簡單或均勻的結(jié)構(gòu)。比如，意大利的WASP公司的“Tecla”項(xiàng)目就是全球首個(gè)完全整體3D 打印建造的生態(tài)型住宅。該項(xiàng)目通過多臺打印機(jī)的協(xié)作，利用本地土壤和可回收材料（如原土、稻草等），實(shí)現(xiàn)了建筑支持結(jié)構(gòu)的3D 打印，并構(gòu)建了一個(gè)適應(yīng)各種氣候和環(huán)境的居住空間，展示了整體3D 打印在快速建造、可持續(xù)性和低碳建筑方面的巨大潛力（圖1）。然而，整體打印技術(shù)仍面臨一些局限性，如設(shè)備規(guī)模和精度限制、復(fù)雜結(jié)構(gòu)建造的困難、以及材料選擇的局限性等，導(dǎo)致大規(guī)模應(yīng)用仍面臨設(shè)備成本和能源消耗的挑戰(zhàn)。

相較之下，單元模型打印將建筑拆解為較小的單元，通過獨(dú)立打印后進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，適用于復(fù)雜曲面和多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方式具有更高的靈活性和精度，能有效減少材料浪費(fèi)和打印支撐的使用，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。比如，由Block Rearch Group（BRG）和ZahaHadid 事務(wù)所合作設(shè)計(jì)的Striatus 步行橋項(xiàng)目，就是通過3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無鋼筋混凝土拱橋的建造（圖2a）。整個(gè)橋體長15 米，高3.5 米。由53 塊3D 打印混凝土模塊拼裝而成。橋梁的形態(tài)使用圖解靜力學(xué)進(jìn)行生成，以減少材料浪費(fèi)并最大化結(jié)構(gòu)效率。該項(xiàng)目展示了單元打印方式在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其在減少材料消耗、提高建造效率和符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)方面的潛力。2020 年末，由創(chuàng)盟國際設(shè)計(jì)的全球最大的改性塑料3D 打印建造體的南京歡樂谷主題樂園東大門正式開放（圖2b）。大門長52m，寬26m，曲面展開面積1950 ㎡。設(shè)計(jì)靈感源自傳統(tǒng)拱門，結(jié)合現(xiàn)代參數(shù)化設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的幾何形態(tài)分解成眾多3D 打印模塊。打印材料為增強(qiáng)型塑料，具備高強(qiáng)度和耐候性。東大門項(xiàng)目不僅實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)的自由度，還提高了施工效率和材料利用率，展現(xiàn)了增材制造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的巨大潛力和廣闊前景，然而，單元模型打印方式在模塊化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場拼裝仍然面臨運(yùn)輸和安裝精度的挑戰(zhàn)。。

從上述案例可見，增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)加工的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的幾何形態(tài)，賦予建筑設(shè)計(jì)更多自由與多樣性。同時(shí)，增材制造提高了材料利用率，減少了浪費(fèi)并降低了碳排放，大幅縮短了生產(chǎn)周期和施工成本。然而，3D 打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在局限性，例如設(shè)備尺寸限制、設(shè)計(jì)時(shí)需考慮平面接觸面以及材料和工藝無法解決大角度懸垂問題。針對這些局限，在本研究中，采用類似Striatus拱橋的方式，將曲面殼結(jié)構(gòu)廊架分解為多個(gè)模塊單元進(jìn)行打印，然后依次組裝的方式來進(jìn)行建造。在打印過程中，要求每個(gè)模塊化的打印構(gòu)件需要有一個(gè)較大的面保證是平面，作為支撐面與打印設(shè)備的底床接觸。因此，對于曲面網(wǎng)格的平面化重構(gòu)是解決該問題的核心。

（二）曲面殼結(jié)構(gòu)的平面化重構(gòu)

平面化重構(gòu)是建筑曲面優(yōu)化的一種常見方法，是指將復(fù)雜的三維曲面形體通過特定的算法和技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為可建造的二維平面形體的過程。平面化的建造單元具有方便加工和安裝、造價(jià)可控等優(yōu)勢。最早的曲面平面化重構(gòu)的案例是1914 年德國舉辦的科隆鐵路展覽會上，由表現(xiàn)主義建筑師布魯諾陶特（BrumoTaut）設(shè)計(jì)的展覽館，采用平板菱形玻璃單元組成的屋頂，受到了人們的廣泛關(guān)注（圖3a）。1967 年，巴克敏斯特富勒（Richart Buckminster Fuller）設(shè)計(jì)的蒙特利爾世博會的美國館中使用了“測地線穹頂”的方式，建造了一個(gè)兼顧更少的材料消耗和更大內(nèi)部空間的三角面網(wǎng)格劃分球體空間（圖3b）。

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師擁有了更強(qiáng)的造型能力，規(guī)則的曲面無法滿足設(shè)計(jì)師對設(shè)計(jì)形式的渴望，自由曲面成為設(shè)計(jì)探索的新方向。比如弗蘭克蓋里（Frank Grhry）領(lǐng)導(dǎo)的蓋里科技公司，為索瑪雅博物館外立面設(shè)計(jì)的自由形態(tài)表皮，就是由大小相近的平面六邊形面板組成（圖4a）。相較于三角形和四邊形劃分，六邊形平面具有很多的優(yōu)勢，比如：更少的節(jié)點(diǎn)階數(shù)（角點(diǎn)連接邊緣的數(shù)目），結(jié)構(gòu)重量較?。贿吔堑慕嵌容^大，不容易斷裂；單元劃分更為稀疏，結(jié)構(gòu)件對采光造成的影響更?。黄矫媪呅螁卧獙儆阱F形網(wǎng)格，具有可恒定偏移距離等特性，便于采用殼狀結(jié)構(gòu)的曲面設(shè)計(jì)。因此，六邊形的平面化重構(gòu)成為了近年來曲面平面化重構(gòu)的研究熱點(diǎn)。卡塞爾大學(xué)的克里斯蒂安·特羅什（Christian Troche）提出了一種通過切線平面相交（TPI）生成適用于任意自由曲面的平面六邊形網(wǎng)格的方法，適用于建筑領(lǐng)域，能夠簡化雙曲面結(jié)構(gòu)的制造和組裝（圖4b）。香港大學(xué)的WpWang 教授團(tuán)隊(duì)于2008 年到2015 年期間，發(fā)表了一系列基于三角形Dupin 對偶性生成平面六邊形網(wǎng)格，提供了一種可控且精確的平面重構(gòu)方法，但計(jì)算密集，更適用于相對簡單表面。南京大學(xué)的楊肇倫提出了兩種非連續(xù)平面化重構(gòu)的算法，可以降低重構(gòu)的限制條件，降低生產(chǎn)、加工制造的難度。

現(xiàn)有的曲面優(yōu)化方法對初始網(wǎng)格的質(zhì)量依賴度較大，如果初始網(wǎng)格不理想或者有部分負(fù)曲率的曲面，優(yōu)化過程可能會導(dǎo)致網(wǎng)格出現(xiàn)六邊形自交、凹六邊形（圖4c）、不規(guī)則六邊形等影響視覺質(zhì)量的問題。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)精確的面平面化，對設(shè)計(jì)者的幾何知識、數(shù)學(xué)計(jì)算、編程能力要求較高，這不僅增加了計(jì)算時(shí)間，也增加了算法的實(shí)現(xiàn)難度。

二、曲面非連續(xù)平面化重構(gòu)算法設(shè)計(jì)

本研究中提出了一種適用于增材建造的非連續(xù)平面化重構(gòu)算法，用于將復(fù)雜的曲面殼體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為便于打印的六邊形單元，并減少增材制造過程中的支撐需求與平面化問題。以下是算法的具體步驟，

（一）網(wǎng)格劃分

首先，目標(biāo)曲面S 被劃分為均勻的三角形網(wǎng)格。通過對偶轉(zhuǎn)換，生成對應(yīng)的六邊形網(wǎng)格M，該網(wǎng)格作為殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。將網(wǎng)格向外偏移一定距離作為曲面殼結(jié)構(gòu)的厚度，得到六邊形網(wǎng)格M′，此為殼結(jié)構(gòu)的外表面。同時(shí)，將曲面S 向外偏移相同的距離，得到曲面S′。

（二）基準(zhǔn)平面的生成

選取網(wǎng)格M 中的一個(gè)六邊形網(wǎng)格單元m 和網(wǎng)格M′中的一個(gè)對應(yīng)的單元m′，提取單元m′中心距離曲面S′的最近點(diǎn)ｖ 1，基于v1求得基于曲面S′的切平面ｐ。（圖5a）

（三）投影單元點(diǎn)

將單元網(wǎng)格m 和m′的各頂點(diǎn)兩兩對應(yīng)生成向量，將單元網(wǎng)格m′的各頂點(diǎn)沿著對應(yīng)的向量投射到平面ｐ上，生成新的頂點(diǎn)；

（四）連點(diǎn)生面

使用多重直線（Polyline）連接所有新生成的頂點(diǎn)，再將閉合的多重直線生成網(wǎng)格，即可得到平面化的六邊形單元。（圖5b）

（五）生成有厚度的實(shí)體

使用生成的六邊形單元與對應(yīng)的網(wǎng)格單元m 的邊緣進(jìn)行放樣，即可得到一個(gè)有厚度且可以打印的單元組件了。

本研究提出的非連續(xù)六邊形平面化算法，通過頂點(diǎn)移動法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的平面化轉(zhuǎn)化，具有操作直觀、實(shí)現(xiàn)簡便的特點(diǎn)，可在Grasshopper 環(huán)境中快速完成優(yōu)化。算法顯著減少了打印過程中對支撐結(jié)構(gòu)的需求，將平面化面作為打印底床接觸面，大幅提升打印效率。生成的六邊形單元均為凸多邊形，具有更高的美觀性和緊密連接的特點(diǎn)，便于模塊化拼裝與安裝。同時(shí)，該方法對復(fù)雜曲面的適應(yīng)性更強(qiáng)，能夠處理更復(fù)雜的幾何形態(tài)，為復(fù)雜曲面殼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)和增材制造提供了一種高效、實(shí)用的解決方案。

三、曲面殼體的平面化重構(gòu)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證以上算法的有效性，這里以一個(gè)曲面殼結(jié)構(gòu)廊架作為原型，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該廊架是某高校藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院的戶外展覽空間，基址位于兩棟教學(xué)樓之間的草坪上，場地面積330 平方米，地形平整。該構(gòu)筑物可以作為師生展示藝術(shù)作品，休息交流的戶外公共空間。

本次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以Grasshopper 為平臺，采用參數(shù)化建模的方式來完成數(shù)字模型的生成。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃袠?gòu)件都以實(shí)際建造為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用1：40 的比例進(jìn)行打印和制造。實(shí)驗(yàn)流程包含3個(gè)核心步驟：廊架形態(tài)設(shè)計(jì)、單元組件平面化及優(yōu)化，以及支撐與組裝（圖 6）。

（一）廊架形態(tài)設(shè)計(jì)

1. 形態(tài)生成：廊架的形態(tài)設(shè)計(jì)靈感來源于海上的風(fēng)帆，通過捕捉其在風(fēng)中鼓滿時(shí)的動態(tài)曲面，賦予其視覺張力。同時(shí)與項(xiàng)目所在地的文化符號緊密相連，靈感借鑒了校園?；罩械姆瑘D案，寓意在知識的海洋中暢游，進(jìn)一步加強(qiáng)了建筑在場地中的象征意義（圖7 左）。

在形態(tài)生成的過程中，廊架的初始形態(tài)基于一個(gè)不規(guī)則的四邊形平面曲面，采用了參數(shù)化建模技術(shù)，通過Kangaroo 插件對初始形態(tài)進(jìn)行力學(xué)模擬和形態(tài)優(yōu)化。Kangaroo 作為一種物理引擎，能夠模擬結(jié)構(gòu)在受力下的自然形變，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料性能進(jìn)行生成式設(shè)計(jì)。這一過程不僅確保了設(shè)計(jì)形態(tài)的美觀性，同時(shí)還可以獲得力學(xué)性能的平衡。

參數(shù)化設(shè)計(jì)在本項(xiàng)目中不僅是一種形態(tài)生成工具，更是設(shè)計(jì)邏輯的體現(xiàn)。設(shè)計(jì)師可以通過調(diào)整參數(shù)來探索不同的幾何可能性，不斷推敲設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到形式與功能的最佳平衡。最終確定的廊架尺寸為16.7 米長、9.3 米寬和4.9 米高（圖8）。

2. 單元劃分：為了將廊架的復(fù)雜曲面形態(tài)轉(zhuǎn)化為可實(shí)施的建造方案，通過了網(wǎng)格劃分的方式將曲面分解為可控的三角形網(wǎng)格。這些三角形網(wǎng)格的大小可依據(jù)3D 打印設(shè)備的底床尺寸進(jìn)行調(diào)整，既易于控制了單個(gè)構(gòu)件的體積與重量，也保證了構(gòu)件的可制造性。接下來，使用Ngon 插件將這些三角形網(wǎng)格按照對偶原理轉(zhuǎn)換為六邊形單元（圖7 右）。這個(gè)網(wǎng)格面將作為生成眾多殼體單元的內(nèi)表面。得益于參數(shù)化建模的優(yōu)勢，廊架的整體形態(tài)和網(wǎng)格單元的劃分密度都可以通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)行多次的優(yōu)化和迭代，以獲得最佳的視覺效果和材料經(jīng)濟(jì)性。

（二）單元組件平面化及優(yōu)化

使用上面第2 章節(jié)中提到的曲面非連續(xù)平面重構(gòu)算法，對網(wǎng)格單元的外表面進(jìn)行平面化處理。由于曲面殼體結(jié)構(gòu)具有很好的空間傳力性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，因此可以將單元的厚度控制在20cm 以內(nèi)。此時(shí)已基本符合3D 打印的條件，但為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及優(yōu)化組件的建造與組裝，還需要對單元組件進(jìn)行以下的優(yōu)化：

1. 連接設(shè)計(jì)：為了增強(qiáng)廊架整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在相鄰的六邊形單元之間引入了榫卯結(jié)構(gòu)。榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)特別關(guān)注了以下兩點(diǎn)：

（1）無支撐打?。涸?D 打印中，懸垂現(xiàn)象是指部分結(jié)構(gòu)懸空而沒有足夠的支撐，導(dǎo)致打印材料在重力作用下無法保持其形狀，可能會導(dǎo)致打印失敗或表面質(zhì)量下降。通常解決的辦法是使用支撐結(jié)構(gòu)來支撐懸垂部分，打印完后再將支撐材料去除。但在建筑領(lǐng)域，受到打印材料、打印設(shè)備和打印層厚等因素的影響，目前無法像常規(guī)3D 打印那樣添加支撐結(jié)構(gòu)，只能在優(yōu)化模型上著手，為了避免出現(xiàn)需要支撐的懸垂區(qū)域，通常需要將最大懸垂角度控制在45°以內(nèi)。本次設(shè)計(jì)中，如果使用常規(guī)的方形榫卯結(jié)構(gòu)，在突起和凹下的榫卯結(jié)構(gòu)處會形成部分懸空區(qū)域，從而導(dǎo)致打印失敗。因此將榫卯節(jié)點(diǎn)的造型進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用45°的三角形截面，使其最大懸垂角度保持在45°以內(nèi)，以保證打印的成功率（圖9a）。

（2）減少安裝干涉：由于在安裝單元時(shí)，多個(gè)打印單元之間會因?yàn)殚久Y(jié)構(gòu)中的突起部分發(fā)生干涉，導(dǎo)致無法正常安裝。為此，本設(shè)計(jì)在凸起的榫卯節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了必要的倒角處理，倒角的角度根據(jù)相鄰單元之間的夾角來進(jìn)行調(diào)整。借助參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，這一調(diào)整可以自動應(yīng)用于所有組件，確保大規(guī)模生產(chǎn)的精確性和一致性（圖9b）。

2. 減重設(shè)計(jì)：為節(jié)省打印材料并提高結(jié)構(gòu)效率，設(shè)計(jì)中對組件的內(nèi)部進(jìn)行了鏤空處理。每個(gè)組件內(nèi)部的鏤空設(shè)計(jì)模擬海洋藤壺的形態(tài)。鏤空的尺寸根據(jù)單元所在的高度逐漸變化，頂部的開孔更大，單元的自重也更輕，減少材料的消耗和打印制作的時(shí)間，也使整個(gè)廊架的結(jié)構(gòu)更為合理。與此同時(shí)，這種開孔也為廊架內(nèi)部引來了自然光線，豐富了廊架的光影效果，提升了其設(shè)計(jì)美學(xué)。

3. 細(xì)節(jié)優(yōu)化：在曲面曲率較大的區(qū)域生成打印單元時(shí)，由于NURBS 曲面的曲率在旋轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生變化，部分網(wǎng)格單元的邊緣可能會發(fā)生輕微的扭曲和重合。這種現(xiàn)象在兩個(gè)不等寬的單元側(cè)面連接時(shí)尤為明顯。為此，對曲面區(qū)域進(jìn)行了邊緣倒角處理，以避免安裝過程中組件之間的干涉，并確保各組件能夠順利對齊（圖9b）。

4. 單元編號：整個(gè)廊架被劃分為97 個(gè)大小各異的組件。為了確保安裝過程高效順暢，每個(gè)組件均進(jìn)行了編號。編號位置選擇在組件的頂部，并標(biāo)明安裝方向，以便于安裝時(shí)的對齊。這種編號系統(tǒng)不僅減少了組裝中的錯(cuò)誤，還加快了整體施工進(jìn)度。

5. 自動排版：本次實(shí)驗(yàn)使用了1：40 比例模型和PLA 材料進(jìn)行打印。盡管切片軟件提供了自動排版功能，但仍需手動調(diào)整每個(gè)組件與打印底床的接觸方向。為簡化這一過程，設(shè)計(jì)中使用OpenNest插件來實(shí)現(xiàn)組件自動排版，并直接生成STL 文件，確保打印順利完成（圖10）。而在實(shí)際建造中，可以使用基于FDM 原理的3D 打印設(shè)備擠出混領(lǐng)土進(jìn)行打印。

（三）支撐與組裝

3D打印實(shí)現(xiàn)空間形態(tài)自由化的同時(shí)，給建造與施工提出了新挑戰(zhàn)。不同于現(xiàn)代建筑最常見的框架結(jié)構(gòu)，3D 打印的曲面殼結(jié)構(gòu)具有更高的整體性和連續(xù)性，在施工時(shí)也會需要不同的步驟（圖11）。

1.基座與支撐設(shè)計(jì)：廊架在組裝之前需要提前安裝好基座和支撐。在實(shí)際建造時(shí)，此處的基座需采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)預(yù)埋件，包含有兩個(gè)較小的點(diǎn)狀基座和一個(gè)較大的條狀基座。這些基座確保了廊架在安裝時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)提供了必要的支撐力量。

支撐結(jié)構(gòu)采用木板材華夫餅結(jié)構(gòu)，依照廊架曲面的內(nèi)表面來生成，使用CNC 木工數(shù)控平臺來進(jìn)行加工。支撐系統(tǒng)包括縱向10 塊和橫向17 塊木板，通過正交咬合形成穩(wěn)定的支撐框架。在實(shí)驗(yàn)中，按照的1：40 的尺寸對板材進(jìn)行了縮放，并使用了1.5mm 的木板通過激光切割完成加工。

2. 組裝與搭建：在基座和支撐完成之后，即可開始廊架的組裝工作。如圖顯示了廊架的單元安裝順序，以減少組件之間的沖突和安裝過程中的誤差。并且隨著安裝的推進(jìn)，當(dāng)A 段和B 段的拱形連接之后，廊架將具備足夠的整體承載性和穩(wěn)定性，不需要額外加固或黏結(jié)。組裝完成后，內(nèi)部的木質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)可以移除，架即可獨(dú)立承載自身的荷載（圖12）。

通過本次3D 打印建造實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的非連續(xù)六邊形平面化方法的可行性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在減少支撐結(jié)構(gòu)需求、提升打印效率以及保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，尤其在榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和鏤空減重優(yōu)化中，成功平衡了3D 打印結(jié)構(gòu)的自重與承載能力。此外，自動排版和編號系統(tǒng)的應(yīng)用簡化了組裝流程，顯著提高了建造效率。盡管在曲面曲率較大的區(qū)域出現(xiàn)了少量邊緣相交現(xiàn)象，但通過倒角處理有效解決了這一問題?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該方法的可行性，為類似項(xiàng)目提供了有價(jià)值的技術(shù)參考。

結(jié)語

本文以增材制造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的曲面殼結(jié)構(gòu)的非連續(xù)六邊形平面化方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在增材制造中的應(yīng)用潛力。該方法有效提高了3D 打印復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的打印效率和質(zhì)量，減少了打印支撐的需求，并為復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的增材制造提供了一種新的解決方案。

有若干問題值得在未來工作中深入探討。首先，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，未能完全覆蓋到實(shí)際建造中的復(fù)雜建造條件，未來研究應(yīng)注重在實(shí)際建造場景中的應(yīng)用效果。其次，是結(jié)構(gòu)評價(jià)指標(biāo)需要進(jìn)一步完善，目前集中在形體美學(xué)的幾何控制方面，尚未充分考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料強(qiáng)度、加工時(shí)間、建造成本等綜合建造指標(biāo)，需進(jìn)一步完善評價(jià)體系。最后，算法在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)中的魯棒性和普適性仍需優(yōu)化，以減少邊緣相交現(xiàn)象并提升其在更大尺度建筑中的適用性。未來的研究宜繼續(xù)擴(kuò)展該方法的應(yīng)用范圍，推動增材制造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的廣泛實(shí)踐。