3D打印技術(shù)在古建筑模型中的實驗設(shè)計與分析

許飛進， 李昌鵬， 張霄霄

(南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 南昌 330099)

0 引 言

3D打印技術(shù)是制造業(yè)中冉冉升起的一顆新星，被稱為“具有劃時代意義的制造技術(shù)”,是第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其次，古建筑的保護問題仍未得到有效的解決，隨著工人工資的增加，古建筑維修成本提高，古建筑的保護難度加大，一些地方縣級文物建筑無足夠經(jīng)費維修。另一方面，導(dǎo)師制的核心是要在教師和學(xué)生之間建立一種導(dǎo)學(xué)關(guān)系，要求針對學(xué)生的個性差異，因材施教。此處結(jié)合教師的國家級及省級研究課題進行，將研究引入非課程的3D打印研究當(dāng)中[2-7]。課題組此前在三維掃描[8]、3D打印[9]上已有前期積累，本次研究將3D打印技術(shù)與古建筑結(jié)合，用Autodesk 3DsMax軟件對古建筑建立三維虛擬模型，再導(dǎo)入切片軟件進行3D打印得到古建筑可拆卸結(jié)構(gòu)模型，嘗試利用3D打印技術(shù)去探索古建筑保護的前瞻性問題。

1 古建筑現(xiàn)存問題

古建筑包括官式建筑與鄉(xiāng)土建筑。古建筑大多是由木構(gòu)架搭接而成，而木材這一材質(zhì)本身在一定的程度上受到了自然條件因素的限制，木材容易發(fā)生腐朽、蟲蛀，造成木構(gòu)件不同程度、類別的損傷。經(jīng)過數(shù)百年的風(fēng)吹雨打，許多古建筑都出現(xiàn)不同程度上的損壞,甚至直接失去原本樣貌，僅存留無法研究的殘骸(見圖1)。宮殿、壇廟等官式建筑容易得到政府的重視，且由于其在管理上具有便利性，利于政府的保護工作，因而得到了較好的維護[10]。而鄉(xiāng)土建筑則不然，大多散落于鄉(xiāng)村，地理位置較偏僻，不利于政府的統(tǒng)一管理，保護情況差，許多古建筑都難以避免被拆毀的命運。另一方面，古建筑工匠建造技藝的傳承也出現(xiàn)了斷層現(xiàn)象，年輕一代大多已不愿繼承老一代匠人的技藝，有些建造技藝已后繼無人，嚴重影響了古建筑的保存，這些問題都亟需人們?nèi)ソ鉀Q，3D打印技術(shù)有可能成為古建筑保護的一個突破口。作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)之一,3D打印在制造行業(yè)內(nèi)正興起一股熱潮。在2013年，中國3D打印產(chǎn)業(yè)已納入國家的發(fā)展戰(zhàn)略項目[11]。從早期以一個高科技的概念在人們的觀念中，逐步進入了人們的生活世界，并對社會已經(jīng)造成了一定程度上的改變。

圖1 古建保存現(xiàn)狀

2 3D打印技術(shù)在古建筑模型中的實驗

早期對古建筑結(jié)構(gòu)的研究，往往是通過實地的調(diào)研與測繪，繪制詳細的平面、立面、剖面圖等，再對其進行研究分析。而傳統(tǒng)的二維圖紙最大的缺陷在于其不能夠完整表達出建筑的整體構(gòu)架，不能給人以直觀體會。3D打印實體模型實驗則較好地彌補二維圖像在這方面研究的不足。

2.1 3D打印的流程

3D打印的主要流程：古建筑營造技藝研究→實地調(diào)研與測繪→ CAD繪制較為精確的古建筑測繪圖→建立虛擬的三維建筑模型→制作3D打印模型。

2.2 3D打印的實驗步驟——以江西萬壽宮會館戲臺建筑為例

(1) 在深入了解古建筑的結(jié)構(gòu)的前提下，展開對古建筑的實地調(diào)研，對古建筑進行現(xiàn)場測繪，測量建筑數(shù)據(jù)，拍攝大量結(jié)構(gòu)及細部照片，并采訪工匠詢問當(dāng)?shù)氐囊恍┨厥饨ㄔ旒妓?見圖2)。

(2) 調(diào)研測繪之后，依據(jù)現(xiàn)場測繪的圖紙與測量數(shù)據(jù)對測繪的建筑進行CAD圖的繪制(平面圖、立面圖、屋頂俯視圖，中軸剖面圖(見圖3)、橫斷面圖等)。

圖2 實地調(diào)研

圖3 會館戲臺及看棚測繪剖面圖

(3) 將繪制完成的CAD導(dǎo)入Autodesk 3DsMax軟件進行三維虛擬模型的建立(見圖4)。整體模型制作完畢后，為了實現(xiàn)后階段模型的可拆卸，本階段還需將建筑內(nèi)部各個構(gòu)件(柱礎(chǔ)、柱子、梁、枋等)拆分開，對其榫卯搭接處進行單獨的制作與處理。

圖4 會館戲臺及看棚效果圖

(4) 把制作好的單獨構(gòu)件分別導(dǎo)入Crube切片軟件中進行分層處理，再將處理后的文件導(dǎo)入3D打印機(本次研究過程中模型打印比例的設(shè)置為1∶10)進行打印。打印完成后各構(gòu)件需進行后期處理并貼上命名標(biāo)簽及分類(見圖5)，防止將古建筑各部位構(gòu)件混淆，便于最后的整體組裝。

(5) 根據(jù)測繪圖紙事先確定好的每個構(gòu)件、柱礎(chǔ)、柱子、梁的位置，將構(gòu)件分為幾部分進行拼接，再一榀一榀地組裝起來(見圖6、7)。

2.3 3D打印古建筑模型的問題及解決方案

通過實踐操作中，對3D打印古建筑模型總結(jié)如下：

(1) 該模型是由多個打印構(gòu)件拼裝而成，所有構(gòu)件都是一個個單獨打印。打印前，需要將每一個構(gòu)件進行命令、列表，在打印完后，貼上標(biāo)簽，否則后期組裝模型會出現(xiàn)混亂。

圖5 會館戲臺模型構(gòu)件編號

圖6 拼接會館戲臺模型

圖7 會館戲臺部分構(gòu)件組裝展示

(2) 模型導(dǎo)入前，需要對模型構(gòu)件的榫卯結(jié)構(gòu)加以調(diào)整修改。一般情況下，模型左右是對稱一致的，只需對單邊的構(gòu)件更改，復(fù)制二份打印即可。但需注意的是有些榫卯構(gòu)件并不對稱，進行鏡像與復(fù)制時要加以注意。

(3) 導(dǎo)入crube切片軟件中，由于熔融沉積成形技術(shù)在支撐運算方式以及打印時間和消耗材料不一樣。需要調(diào)整模型的x、y、z軸方向，找到一個合適的支撐數(shù)量和較少的材料消耗，以及用時最短的方位來進行打印。

(4) 打印前一定要記住先調(diào)平，再打印，否則很有可能出現(xiàn)刻板情況，有損打印機噴頭。如調(diào)平后底座的打印仍然出現(xiàn)問題，需選擇手動調(diào)整z軸。

(5) 若打印較大模型，邊界出現(xiàn)刻板情況，多次調(diào)平無法解決，則有可能是下方鋼架高度不一致，需聯(lián)系相關(guān)技術(shù)人員前來調(diào)整。

(6) 打印柱子時，如柱子的高寬比過大，加上打印機的輕微顫抖，柱子在3D打印過程中很有可能發(fā)生倒塌，需將柱子進行分段打印，打印結(jié)束后可進行粘接。

(7) 在合適的溫度下進行3D打印，一般為10～30 ℃左右，最好是20 ℃左右，天氣太冷會導(dǎo)致出絲即凝，容易出現(xiàn)翹邊和亂線等情況。

2.4 實驗中導(dǎo)師制的作用

作為導(dǎo)師，本身需要掌握足夠的專業(yè)技能、動手能力、理論知識。這就促使導(dǎo)師不斷地去增加、更新自己的知識儲備。及時了解本專業(yè)最前沿的科學(xué)理論，從而迅速掌握本專業(yè)最新的發(fā)展動向，開闊了視野，提高了能力。同時，帶領(lǐng)學(xué)生積極開展研究訓(xùn)練活動，讓學(xué)生參與創(chuàng)新性實驗計劃[12]。本實驗開始前，導(dǎo)師組織學(xué)生到古建筑現(xiàn)場進行調(diào)研，并與當(dāng)?shù)毓そ辰佑|，深入了解古建筑的細部拼接特點，在實驗計劃實施前發(fā)現(xiàn)問題，盡可能減少實驗實施中出現(xiàn)的故障，使同學(xué)在實驗中受益。

3 結(jié) 語

3D打印技術(shù)是將三維模型用3D打印機打印出一個與三維模型相同的實物，它的迅速發(fā)展對整個社會產(chǎn)生了巨大積極意義，這對于古建筑來說也是福音，對古建筑的保護與發(fā)展起到了重大的作用。一是改變古建筑保護與修繕方式。由上述實驗可知，現(xiàn)存古建筑多少會有不同程度上的損壞，運用3D打印技術(shù)可以將損壞的構(gòu)件通過精確測量、構(gòu)建模型，最終將所需構(gòu)件使用木材材料打印成實體，將相應(yīng)部件進行替換。[13]。二是改變成簡潔而形象的教學(xué)方法。古建筑梁架結(jié)構(gòu)大多處于屋面樓板上方，且有遮塵板的遮擋，學(xué)生很難觀察到建筑的梁架結(jié)構(gòu)。其次，古建筑內(nèi)部光線昏暗，且往往無人打掃清理，灰塵厚厚一層。梁思成在調(diào)查五臺山佛光寺大殿時，說到：……照像的時候，蝙蝠見光驚天，穢氣難耐，而木材中又有千千萬萬的臭蟲，工作至苦[14]。而3D打印的可拆卸結(jié)構(gòu)模型則能夠讓學(xué)生只需在寬敞明亮的教室中，便可以清楚直觀地了解古建筑的營造方式[15]，不僅繞過了測繪時期的一些難點，節(jié)省了大量的學(xué)習(xí)時間，更進一步提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率。并且3D打印這一新興科技與古建筑教學(xué)科研相結(jié)合，能極大地提高年輕人對傳統(tǒng)文化的興趣。

此外，運用3D打印技術(shù)可強化傳統(tǒng)營造的技藝傳承。同時，還可以進一步提高經(jīng)濟效益與社會效益。3D打印技術(shù)可將建立好的構(gòu)件模型仍儲存在電腦中，在后續(xù)制造甚至是批量生產(chǎn)中，只需重新把之前的模型文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機中便可，提高了工作效率，降低了人工勞動比例和勞動力所占的成本[16]。

但是，通過由以上的分析及實踐操作可知，3D打印技術(shù)運用尚不成熟，且在使用過程中也暴露出了一些問題[17]，如打印周期過長、耗材種類單一；打印的質(zhì)量與精度達不到要求，打印出來的材料表面粗糙，不夠光滑，需花人工進行表面磨光處理等；3D打印技術(shù)易在古建筑裝飾構(gòu)件的替換中取得突破，在承力的梁柱構(gòu)件上進行替換試驗還需時日。3D打印有可能面臨諸多問題，從而影響該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至有停滯的風(fēng)險，如：發(fā)展的預(yù)期值不理想、技術(shù)遭遇突破的瓶頸等。但3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)相比擁有巨大優(yōu)勢，如減少了傳統(tǒng)制造業(yè)制作模具的過程、減少人工過程、周期短、復(fù)雜物體的制作技術(shù)難度大大降低等，在多個領(lǐng)域早已得到積極的響應(yīng)。在政府和有關(guān)政策的大力支持下，3D打印技術(shù)從長遠的角度來看仍具有廣闊的發(fā)展前景。

總之，3D打印作為一個新時代新興技術(shù)的產(chǎn)物，對各行各業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展都將產(chǎn)生積極的影響。古建筑的保護一直是亟待解決的難題，本文通過3D打印技術(shù)在古建筑模型中的運用，挖掘其可能發(fā)揮的作用與意義，這對未來古建筑的保護、現(xiàn)有古建筑營造技藝的傳承、傳統(tǒng)文化的宣傳與復(fù)興，可起著一定的推動作用。

參考文獻(References)：

[1] 李宗義.3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017，16(4):44.

[2] 費英勤.學(xué)分制下如何實施本科生導(dǎo)師制[N].中國教育報,2007-9-11.

[3] 王 森，本科生導(dǎo)師制實施的必要性與可行性分析[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010(1)：9.

[4] 李亞玲，王東杰.本科生導(dǎo)師制研究性小組合作學(xué)習(xí)模式研究[J].高教研究,2008,24(4):24-27.

[5] 李亞玲，郡家利，王東杰.我國本科生導(dǎo)師制存在的主要問題與改革思路[J].教育科學(xué)文摘,2008(3):72-73.

[6] 張 宇.研究性教學(xué)的深層次實施路徑思考[J].中國高等教育,2009(12):37.

[7] 石秀麗，楊志慧.本科生導(dǎo)師制教學(xué)運行模式實證研究[J].黑龍江教育(高教研究與評估)，2009(11)：37-39.

[8] 賈中.三維掃描帶領(lǐng)人類進入非直接認識的三維時代[J].美術(shù)教育研究，2016(129)：46.

[9] 賈 中.3D打印新天地——浮雕板[J].美術(shù)教育研究，2016(19)：68.

[10] 劉 嬌.我國古建筑保護面臨的問題及對策分析[J].中華民居，2013(11):104.

[11] 張 云，蘇義坤.3D打印建筑的發(fā)展與展望[J].山西建筑, 2015,41(34):6.

[12] 何文森，楊華軍，江 萍，等.大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索,2015,34(7):94.

[13] 姜月菊，呂海軍，楊曉毅，等. 3D掃描與3D打印技術(shù)在破損建筑裝飾構(gòu)件修復(fù)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2016(45):771-773.

[14] 梁思成.記五臺山佛光寺的建筑[J].中國營造學(xué)社會刊，1953,7(1-2):15.

[15] 李 青，王 青.3D打印：一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠程教育雜志，2013(4)：29-34.

[16] 孫柏林.試析“3D打印技術(shù)”的優(yōu)點與局限[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013,32(6):2.

[17] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012(26):3-5.