3D打印混凝土技术在景观小品设计中的应用探析

张慧，贠洁

（河北工业大学，天津 300401）

一、研究背景

随着城市建设的快速发展，人们对居住环境的品质和审美追求不断提升，同时随着数字技术的发展，参数化设计、非线性设计等体现时代精神的个性化设计也备受青睐。景观小品作为环境景观设计中的重要组成部分，指园林景观中体量较小、供人们欣赏和使用的构筑物。人们对景观小品设计性、独家定制性等个性化要求越来越高，传统景观小品样式单一，已经无法满足现代人审美需求，并且其制作过程存在会产生污染及废料、使用年限短、废弃后资源无法回收利用等问题。近年来新型产业——3D打印技术则为传统景观小品的创新打开了大门。

3D打印技术起源于20世纪80年代末，至今几十年的时间里，3D打印技术在航空航天、医疗、教育、建筑、工艺品制造等领域都取得了很大进展；3D打印混凝土技术起源于1997年，主要使用在建筑领域，从其出现至今，世界各地3D打印建筑产业蓬勃发展，并为其在景观小品设计中的应用提供了技术支持。经过几十年沉淀，当前3D混凝土打印的材料、设备、技术已经足够支撑景观小品打印，虽然还有需要完善之处，但基础条件已经具备。

二、3D打印混凝土技术原理及其在景观小品设计中的优势分析

（一）3D打印混凝土技术原理

在3D打印技术发展前期并且在特定条件下，3D打印技术也可被称为“增材制造”，指通过材料的逐层累加制造实体。其打印原理为：前期设计准备过程中，通过计算机技术建造三维模型，使用切片软件对三维模型进行分片处理，规划打印路径，或是直接使用软件绘制打印路径，由3D打印机按照打印路径挤出“油墨”，逐层叠加，从而完成打印。

3D打印技术在不同领域的应用过程中，有不同种类的3D打印机与3D打印材料。而在建筑领域中，3D打印技术的主要材料为复合了多种材料的混凝土。3D混凝土打印机相较于其他材料的打印机，体积更大，但基本原理大同小异，都是通过打印机喷头在X、Y、Z轴的运动进行实体打印，所以在一定程度上3D混凝土打印机的大小限制了打印物体的尺寸，即成型空间体积。

3D打印混凝土技术分为两种打印方法：混凝土材料逐层挤出叠加方法（例如轮廓工艺）与混凝土结构颗粒床3D打印方法（例如D-shape工艺），前者直接挤出混合好的混凝土材料，后者则通过喷射粘结剂到混凝土颗粒床，对比这两种3D打印混凝土方法，可以发现每种方法都存在其优缺点。混凝土材料逐层挤出方法，其优点是成型空间体积大，并且经新加坡南洋理工大学研究团队的升级研究，未来的混凝土逐层挤出方法或将不存在尺寸限制，但该方法对打印构件的形体形状存在诸多要求，具体表现为：倾斜、悬空等结构实现困难，打印分辨率较低等。混凝土结构的颗粒床3D打印工艺其优点在于：几乎不对打印构件的形体形状施加任何限制，可以轻松实现倾斜、拱顶、悬空等结构，打印分辨率较高（最小可达0.1mm），但其缺点在于打印构件尺寸受限于颗粒床体积，目前最大的打印体积为D-shape工艺（12×12×10m）。

（二）3D打印混凝土技术原理及其在景观小品设计中的优势分析

1.实现绿色生态的生产方式

图1 景观桌数字化模型与打印成品（自摄）

图2 四周围合式景观小品设计图及打印实体（自摄）

图3 以立面为打印底面的景观小品（自摄）

3D打印混凝土技术将改变传统制造过程的低碳思路，提供一种崭新的产品绿色生命周期概念，从产品材料来源、设计、制造、运输、维护，到报废回收再利用，其绿色低碳效果贯穿于整个产品生命周期。如3D打印混凝土技术以回收建筑垃圾为原材料，让废弃物在建筑工程中得以回收利用，在传统的景观施工过程中，废料产生无法避免，且很难进行收回再利用，同时还存在严重的施工环境扬尘、废气排放问题。3D打印混凝土技术在打印操作过程前可通过测量数字化模型计算出大概的原料用量，并且打印材料来源于现有的建筑垃圾与工业垃圾。在打印制作过程中，不会产生扬尘、排放废气，是一种绿色生态的生产方式。

2.设计自由与方案快速呈现

传统制造工艺对设计思路产生了诸多限制，但在尊重3D混凝土打印机运动特点及3D打印混凝土材料特性的前提下，使用3D打印混凝土技术制作景观构件，可以快速准确地实现非线性等复杂形体建造，3D打印混凝土技术可以一定程度上脱离传统制造方式对设计思维的限制，设计师的想法及思路只要能建构起三维数字模型，基本就可以实现3D打印。

使用3D打印混凝土技术可以实现方案快速呈现。一方面，3D打印混凝土技术可以直接切片三维数字化模型进行等比打印，只需通过电脑软件绘制模型或打印路径，即可模拟最终打印效果，做到三维数字化模型与打印实体所见即所得（图1）。另一方面，在方案设计阶段，可以使用该技术对三维模型进行成比例缩放打印，用于设计方案展示以便与客户进行沟通。

3.施工速度快，造价低

景观小品传统制造方法大概分为：材料去除法、直接成型法、结合加工法。使用传统制造方式适合大量定制，但也各有弊端，例如材料去除法，即车床、铣床加工，属于减材制造，加工设施昂贵且会产生废料；直接成型法，即定制模板浇筑制作，适合大量定制，且模板定制费用高昂；结合加工法，例如电焊等方式，需要大量人工进行操作，且会产生废气烟尘；并且，传统制造方式，一般需要多种制造方式相互配合才能完成最终的景观小品建造。

3D打印混凝土的优势在于实现少量定制的同时保持低成本投入，具体表现为：3D打印混凝土技术对复杂形体精准把控的实现过程，成本投入只有数字化模型建设与混凝土原材料，3D打印混凝土技术的施工过程全程自动化，无需制模与人工建造成本，且不会产生废料，施工过程无需看管，设置好程序后由3D打印机自主完成打印。

三、3D打印混凝土技术在景观小品设计中的应用研究

混凝土材料逐层挤出叠加打印方法相比混凝土结构的颗粒床3D打印方法，其对数字化模型要求更高，本节以国内发展迅速的混凝土材料逐层挤出叠加方法为基础，探讨3D打印混凝土技术在景观小品设计中如何应用。

（一）3D打印混凝土的材料要求与特点

3D打印混凝土技术所使用的混凝土材料与生活中常用的混凝土稍有不同，它掺杂了附加材料，配比精确，在满足强度的同时需要适宜的流动性来适应3D打印。目前各大高校及机构制配的适用于3D打印的混凝土，依据基材及制配材料不同，抗压强度从30Mpa到120Mpa不等。使用3D打印混凝土技术制作景观构件，可以说是3D打印建筑研究道路上的衍生物，参照现有的3D打印用混凝土材料强度，3D打印混凝土技术用来制作景观构件完全符合使用标准。

3D打印混凝土技术使用的混凝土材料需要具备适宜的流动性，才能保持其在打印过程中不会因流动性较差而堵塞喷头或材料挤出时出现断续，也不会因流动性太强而导致模型在打印过程中坍塌。同时，3D打印混凝土技术的打印材料与其他类型的3D打印材料（树脂、金属）不同，混凝土需要一定的凝结时间，所以该技术对具有悬空结构模型的打印表现能力略显不足。

（二）3D混凝土打印机特点与数字化模型设计

在进行数字化模型建设前，首先要了解3D打印混凝土技术的打印机特点。目前常见的3D混凝土打印机结构有：龙门式、框架式、机械臂式，目前的大型3D混凝土打印机在打印过程中无法移动位置，所以3D打印混凝土技术的成型空间体积是固定的，已知最大的3D混凝土打印机为上海盈创公司自主研发的巨型三轴龙门式打印机，成型空间体积大约为6.6×10×150m。

在目前的实际应用中，3D混凝土技术无法在打印过程中更换或调节喷头大小，运动原理依据笛卡尔直角坐标系进行X、Y、Z轴运动，打印过程层层向上叠加直至完成整个实体打印，所以3D打印混凝土技术的“打印笔触”是等宽的线条。同时，3D混凝土打印机打印速度可按照实际应用情况调整，打印速度不仅会影响模型打印最终完成时间，也会一定程度上影响“打印笔触”的设置宽度。

3D混凝土打印机体积较大，搬运不便，所以目前在方案设计阶段，应首先考虑施工地点：一是把3D混凝土打印机搬运至打印地点，在实地进行打印作业，后续不需再运输打印构件，但需营造一个适合3D混凝土打印机的工作环境。二是选择不搬运3D混凝土打印机，而是在3D混凝土打印工厂或实验室内进行打印作业，待打印构件凝固后进行运输，这就需要在设计过程中考虑打印构件尺寸，以便后续运输工作。

（三）3D打印混凝土景观小品关键技术

1.悬空结构实现方法

使用3D混凝土打印机制造悬空结构，当下技术有以下三种方法：在打印时，将悬空部分填充，与打印主体相连一体打印，待混凝土凝固后，裁切悬空部分，例如法国XtreeE公司与结构公司Artelia和混凝土预制件公司Fehr Architectural合作制作的3D打印混凝土柱；或是在打印过程中，使用木板支撑，待混凝土凝固后抽出木板，但此种方法只适用于极少数情况；或是将模型拆分成适宜打印的块，即装配式打印，打印完成后进行组装操作得到成品。

图4 打印立面纹理（自摄）

2.打印底面选择与编织表皮设计实现方法

打印物体的打印底面选择是设计的第一步，打印底面选择会影响两个层面。

一是打印物呈现方向，不同功能的景观构件需要不同的打印底面选择，例如花坛、花钵、树池这种需要四周围合的景观小品（图2），大多以XY面为底面逐层向上打印。景观椅、景观桌等打印底面选择较为自由（如图3是以立面为打印底面的景观小品），但应根据混凝土材料强度问题考虑打印底面，现有的3D打印用混凝土复合材料抗压强度良好，但它的抗折强度略显不足，从5Mpa到30Mpa不等，所以在进行打印底面选择时，应尽量避免易折弯面受力。

二是打印纹理方向，现有的3D打印混凝土技术存在打印立面纹理（图4）。打印纹理与打印底面平行，当选择XY面为打印底面时，打印纹理平行于XY面逐层增加。打印纹理的存在可以为我们提供一种新的设计思路——“编程式”设计，在原有的打印路径中加入规律的曲线变化，从而形成丰富的立面复杂效果，例如柏林Studio 7.5与法国XtreeE合作制造的3D打印混凝土编织椅。

打印纹理的设计可分为两种方法：一是直接对打印路径进行设计及绘制。二是建造整体模型时考虑立面纹理并进行立体模型绘制，在打印时通过计算机切片自动规划打印路径。

3.大尺度景观小品实现方法——装配式

当需打印物体超出成型空间体积时，或是打印地点不设在现场需要搬运时，一般需要将大尺度的景观小品整体模型进行拆分。进行模型拆分时应注意以下几点：（1）确认拆分块最大体积，严格保持在3D混凝土打印机成型空间体积内，或是保持在方便运输的适宜尺寸范围内。（2）确认打印底面与打印纹理方向，每个拆分块的打印纹理方向最好保持一致，以追求最佳的视觉效果。（3）当涉及到“卡扣”结构（块与块之间的卡槽）时注意混凝土材料溢出范围。（4）拆分时注意整体模型的稳定及稳固。

（四）数字化模型建构及打印方法

3D打印混凝土技术的数字化模型建构可以分为两种方式：一是直接建构三维的整体模型，二是直接绘制打印路径，即路径建设。

无论是路径建设或三维模型建设，在建设前都应先确认好以下几点：（1）3D打印混凝土技术的笔触较宽，在进行数字化模型建设前，先确定“打印笔触”宽度，笔触定宽直接影响到模型尺度与精度，所以应严格按照笔触定宽进行模型建设或路径建设。（2）确认打印底面，决定打印物体呈现方向与纹理方向。（3）确认成型空间体积与打印地点，是否涉及搬运问题及拆分模型问题。

三维模型建设可使用CAD、3DMAX等软件进行制作，制作完成后一般导出STL格式，导入整体模型至切片软件（这里以目前比较常见的切片软件Cura为例），将模型旋转至打印底面向下状态，设置打印笔触定宽（走线宽度）等参数，导入3D混凝土打印机进行打印操作，最后等待打印构件凝固。

路径建设可使用CAD直接绘制二维图，与三维模型建设不同的是，三维模型建设绘制的是打印物体边线，而路径建设需绘制打印路径中心线，绘制完成后将CAD文件导入3D混凝土打印机进行打印操作，等待打印构件凝固。

四、3D打印混凝土技术应用于景观小品设计展望

3D打印混凝土技术尽管在景观小品设计中取得了一定成就，但还有许多方面的问题有待解决和提高，当前主要体现在以下方面：

1.在景观的设计和施工应用中，对混凝土材料提出更高要求，3D打印建筑对混凝土材料的强度及可打印性要求较高，景观领域对材料的形体塑造能力要求较高，如何调配出一款在流动性适宜的同时做到建设性优良、可塑性高的混凝土材料将成为一项持续性的研究课题。

2.成型空间体积限制的突破。现有的3D混凝土打印机，固定后可移动范围有限，这限制了打印构件尺寸和打印范围。近年来，已经有高校推出了可移动式的小型3D混凝土打印机，大型可随意移动的3D混凝土打印机也指日可待，突破成型空间体积限制，不仅是3D打印建筑行业的突破性发展，3D打印混凝土技术在景观中的应用范围也会更加广泛。

3.增材制造与减材加工的结合。现有的3D混凝土打印技术，是单纯的增材制造，如果在未来的发展中，将3D混凝土打印机添加“自动雕刻”功能，作业过程分为两个部分：增材制造堆砌主体与减材雕刻精加工，根据混凝土凝固硬度选择适当的“雕刻”时间。不仅可以解决模型精度的问题，也可解决因混凝土材料特性无法实现的棱角以及悬空结构。

当今世界即将进入第四次工业革命，即工业4.0时代，其实质在于提高资源生产率的同时减少污染排放，3D打印混凝土技术集绿色、高效、自动化、数字信息化等特点于一身，即使目前该技术还有种种有待解决及提高的方面，但毋庸置疑的是，3D打印混凝土技术一定会改变景观小品设计与建构现状，创造出新的发展方向。