3D打印機在高校土木工程教學中的應用探討★

張 萍 閆 宇 李 苗 劉翰然 賈 杰

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

3D打印機在高校土木工程教學中的應用探討★

張 萍1閆 宇1李 苗2劉翰然1賈 杰1*

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結合3D打印技術在教學中的應用現狀，從課程教學、結構設計大賽和科學研究三方面，分析了3D打印技術應用于土木工程教學中的可行性，并總結了推廣3D打印機會遇到的諸多困難，指出3D打印機可以應用于土建模型，同時能滿足教學用具、結構設計大賽模型的建立等需求。

3D打印機，土木工程，結構設計比賽，教學

0 引言

3D打印技術在20世紀80年代橫空出世以來，一直受到人們的密切關注，3D打印的節材、節能技術特點高度契合我國的可持續發展戰略，同時它還具有制作精度高，制作周期短，個性化制作等優點。通過3D打印技術來構建土木工程模型，似乎可以改變土木工程模型的諸多缺陷，成為未來的發展趨勢。3D打印技術依托多個學科領域的尖端技術，在高端制造、教育、建筑設計、醫療、航空航天、文化創意等領域得到了一定應用，顯示出令人振奮的發展前景[1]。

在學習以及參加各種創新活動中發現，實體模型的建立對抽象復雜的土木工程知識的學習有很重要的作用。基于此，分析3D打印機在高校土木工程教學中的應用有很好的現實意義。

1 3D打印在教學應用上的研究現狀

隨著3D打印技術逐步受到人們的倍加重視，國內外已經開始著手于3D打印在教育領域如何應用的研究。英國教育部在2012年—2013年在21所高校開展了為期一年的課程教學創新活動，并為每所高校提供了關于3D打印機使用的技術指導和優秀師資。美國開展了MENTOR項目計劃，旨在美國高校推廣3D打印機的使用，引起學生在設計、制造和理論科學等方面的興趣，有利于激發學生的發散思維和提高創新能力。3D打印機的龍頭企業Stratasys推出一款專用于高等教育中的產品——object30睿智，它可以為師生提供技術輔導和沖擊性的制作體驗[2]。

國內眾多高校也在教學和科研中逐步引進了3D打印機，在全國第九屆大學生結構設計大賽中，裝配式橋梁結構模型制作明確要求部分節點要應用3D打印機所制作的節點，這極大地促進了3D打印機在各高校范圍內的推廣使用。哈爾濱工業大學(威海分校)張繼春老師采用熔融沉積快速成型技術制作出擁有多種技術的改良3D打印機。北京航空航天大學利用鈦合金材料和3D打印機生產具有承載力的結構構件，并應用于航空航天領域。

2 3D打印機在土木工程教學中的應用

當今，高等教育的成功就意味著源源不斷的人才輸送和更多高端技術人才的涌現。因此，在如今新的教學理念之下，選擇正確的教學方法是十分必要的。3D打印機的發展為土木工程教學提供了新形勢和新挑戰，如何將3D打印機應用于土木工程的教學中是亟需解決的問題，主要包括如下幾個方面。

2.1 3D打印機在教學課程中的應用

由于土木工程學科本身的難度較大和過于抽象的傳統教學方法，平面的圖片、動畫無法給予學生視覺上的直觀感受。3D打印機可以將抽象、不易描繪和想象的物體打印出來，更加逼真形象的結構物可以引起學生濃厚的學習興趣、提高學生的理解能力、實現了良好的教學效果。

2.1.1 力學

以材料力學、結構力學為代表專業力學系列課程對土木工程學科教學的重要性不言而喻。當今3D打印技術的快速發展為力學教學提供了新領域和新挑戰。例如：對于平面桿件體系的幾何組成分析，可以將桿件和節點打印出來，并組裝成模型，進一步講授自由度、瞬變體系、常變體系的主要特點，并比較不同的靜定結構和超靜定結構的模型，真正理解判斷結構是否靜定的方法。另外，在傳授結構動力學的課程時，可以將不同自由度的剛架和簡支梁通過3D打印機形成實物，再施加動荷載，研究單、多自由度結構的自由振動以及單、多自由度在簡諧荷載和任意荷載作用下的受迫振動的振型變化。因此，3D打印機在力學教學上的應用是多方面的，有很大的推廣潛力。

2.1.2 混凝土結構設計原理

混凝土結構設計原理是土木工程學科最基本的專業課程，針對該課程公式系統性差、構造要求多、實踐性強、抽象難懂的特點，可以應用3D打印機來改良教學方法。例如：對于混凝土梁中箍筋、縱筋、彎起筋的復雜構造形式、螺旋箍筋柱的截面形式、應用于預應力混凝土構件的錨具構造形式均可以通過3D打印機來形成實物，在講授課程中展示以便于學生牢固地掌握課程的核心內容。

2.1.3 土木工程施工

土木工程施工是土木工程學科中的一門專業主干課和基礎課，現階段課堂教學與實踐脫節，學生缺乏生活經驗，沒有建立起對施工機具和工藝的感性認識，這種傳統的教學模式很難滿足社會需求導向性人才培養的目標。

因此，運用3D打印技術來改進該課程的教學手段和方法迫在眉睫。例如：

1)可以將單斗挖土機的四種形式：正鏟、反鏟、拉鏟、抓鏟的簡易模型通過3D打印機形成實物，并根據實體模型形象地描述每種挖土機的作業方式和適用范圍。

2)可以將鋼筋混凝土灌注樁鉆頭形式：回轉鉆、沖抓鉆、沖抓錘、潛水鉆的具體構造用3D打印實物來體現，讓學生可以深入了解實際工程中灌注樁的詳細施工流程。

3)可以通過3D打印機打印出簡易的腳手架模型，內部組成包括立桿、縱橫向水平桿、剪刀撐、扣件、腳手板等，這樣可以形象地讓學生了解到腳手架的具體結構和每個部件的作用[3]。

2.1.4 鋼結構設計原理

鋼結構設計原理是一門理論性和實踐性都較強的課程。為了培養基礎扎實、實踐能力強的鋼結構設計、施工人才，如何高效率地讓學生深入地理解鋼結構略有抽象的基本知識，結合3D打印機的教學方法是該課程有意義的嘗試。具體應用實例和方法如下：

1)鋼結構連接及構造的抽象是學生感覺鋼結構難學的關鍵原因。利用3D打印實物來展示焊縫和螺栓的具體連接構造將會使學生對該部分的知識原理有清晰的認識，有利于學生課后習題練習的順暢和知識系統的建立；

2)運用3D打印機將簡易的鋼結構單層廠房模型打印出來，使得廠房結構的各部件形式更加直觀地顯現出來，有利于提高學生的課程設計整體效果。

2.2 3D打印機在結構設計競賽中的應用

2015年10月在昆明理工大學舉辦全國結構設計競賽中，要求部分裝配式橋梁需用3D打印出的節點構件連接，這意味著簡易的3D打印技術開始進入大學生的視野。結構設計大賽旨在提高大學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質。隨著3D打印技術即將風靡土木工程行業，以3D打印機為主要使用工具作為結構設計比賽的主題會在不久的將來實現。

目前的結構設計比賽主要以竹條、木條、膠水為制作材料，存在制作耗時長、膠水中化學成分過多等缺點。運用3D打印機可以明顯縮短設計制作時間，3D打印模型的預建立可以來判斷此方法是否可行。目前，3D打印混凝土技術作為一門正在興起的新型應用技術，既有自密實混凝土無需振搗的優點，也有噴射混凝土便于制造繁雜構件的優點，為未來的結構設計比賽提供了更多的可能性[4]。因此，3D打印機的應用有利于激發學生參加結構設計比賽的熱情和培養更多尖端的設計人才。

2.3 3D打印機在土木工程科學研究中的應用

3D打印技術因其技術的優越性而日趨流行，但畢竟3D打印技術應用于土木工程領域還只是處于初步階段，所以大量的前期研究工作急需高校師生去從事。

具體研究方面包括：1)研究3D打印構件材料的性質和力學性能，尋找適用性最強的3D打印材料；2)研究3D打印構件是否有徐變特性以及抗腐蝕的性能；3)研究3D構件之間連接的強度和延性；4)研究3D打印構件是否具有殘余應力，會對構件使用產生不利影響[5]。總之，隨著3D打印技術的不斷完善，針對3D打印技術在建筑領域的應用的科學研究在高校中將會不斷普及。

3 3D打印機在教學普及中遇到的困難

目前3D打印在教學中普及正處于探索研究發展的階段，因此在普及3D打印機的過程中不可避免地會存在一些問題：1)經濟造價問題：3D打印機市場上價格在4 000元～200 000元左右，對于在高校內廣泛普及還需要一定的時間；2)設計軟件問題：電腦中建筑模型的設計不可或缺，使高校學生熟練掌握一門軟件非常有必要；3)原材料問題：用于科學研究的混凝土等材料絕大多數具有高強度和合適外加劑的要求，這是亟待解決的問題。

4 結語

文章結合了3D打印技術的發展趨勢，總結了現階段3D打印技術在教學上的應用現狀，并主要探討了3D打印機在高校土木工程教學中的應用，分別從課程教學、結構設計大賽和科學研究三個方面進行討論，并舉例說明3D打印機在課程教學方面的可行性。最后總結了目前推廣3D打印機所存在的一些問題。總之，3D打印機在高校土木工程教學中的應用具有很大的推廣潛力。

[1] 李小麗,馬劍雄,李 萍,等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表,2014(1):1-5.

[2] 王 萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育(綜合版),2013(8):83-87.

[3] 劉宗仁.土木工程施工[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4] 張大旺,王棟民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術發展[J].硅酸鹽通報,2015,6(34):1583-1588.

[5] 陶雨濛,張云峰,陳以一,等.3D打印技術在土木工程中的展望[J].鋼結構,2014,8(29):1-8.

Abstract: According to the present situation of 3D printer application, the paper points out the feasibility of three aspects’ application including classroom instruction, structure design competition and scientific research. Besides, the paper summarizes many difficulties in promoting 3D printer, points out 3D printer can be applied to civil engineering model and meets the demand of educational affiliation and structure design competition.

Key words: 3D printer, civil engineering, structure design competition, teaching

On application of 3D printer in teaching of civil engineering of colleges★

Zhang Ping1Yan Yu1Li Miao2Liu Hanran1Jia Jie1*

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.MechanicalandElectricalEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

2016-03-16★：東北林業大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號：201510225059)

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 閆 宇(1995- )，男，在讀本科生； 李 苗(1995- )，女，在讀本科生； 劉翰然(1995- )，男，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

1009-6825(2016)15-0229-02

G642.0

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