3D打印高精度建筑模型*
杨晓毅，姜月菊，高祝军，朱燕
（1.中国建筑一局（集团）有限公司，北京100161；2.中建一局集团第三建筑有限公司，北京100161）
[摘要]建筑沙盘模型是以微缩实体的方式来表示建筑艺术的，如实地表达建筑思想的构造，将建筑师的意图转化成具体的形象.3D打印建筑模型快速、成本低、环保，同时制作精美，节省大量材料，已经被越来越多的业内人士 所接受.介绍了3D技术打印高精度建筑模型的全过程.
[关键词]建筑模型；3D打印；高精度；PS粉末
[中图分类号]TU741.3 [文献标识码]A[文章编号]1002-8498（2016）22-0062-03
3DPrintingHigh Precision Building Model
Yang Xiaoyi' Jiang Yueju' Gao Zhujun² Zhu Yan'(1. China Construction First Building( Group) Co. Lad. Bejpng 100161 Chine;2. The 7hird Construction Co. Iad. af China Gonstraction First Group Bejing 100161 Chine)
Abstract :Building sandboxie modeling uses micro-building to show architecture art and truthfully showprinting has characteristics of speedy low cosl environment protection and at the same time the model the building structure and transfer the architect intention to practice image. Building model by 3Dis very perfect and can save many building materials. So the 3D printing model is adopted by more andmore people. The authors introduced the whole procedure of high precision building model prefabricatedby 3D printing technology.
Key words building model; 3D printing: high precision; PS powder
筑艺术，无论是单体的造型、还是群体的组合都是关，能够完全符合设计者的要求，又能节省大量材如实地表达建筑思想的构造，将建筑师的意图转化料，已经被越来越多的业内人士接受. 成具体的形象，以其对环境的全方位再现和整体氛围的营造能力逐渐成为其他任何形式难以比拟的表现手段.
建筑沙盘模型是以微缩实体的方式来表示建3D打印建筑模型快速、成本低、环保，同时制作精
13D打印技术选择
3D打印存在着许多不同的技术.它们的不同之处在于可用的材料和以不同的层构建（创建）部件的方式.3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石音材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、 镀金、橡胶类材料，主要3D打印技术如表1所示.
传统沙盘建筑模型一般用泡沫塑料板或胶合板、石膏粉、纸浆等材料制作，其制作周期长，工艺 要求高，如果技术稍不到位，工艺稍粗糙就会在模型上看出来（线脚、窗台、飘窗、屋顶构架等的雕刻精细度和粘合的水平、垂直度），模型档次自然打折扣以至影响沙盘模型整体观感.
用于建筑模型材料主要有聚乳酸（PLA）、ABS树脂、光硬化树脂和热塑性塑料（PS粉末、尼龙粉末）等，使用的3D打印技术分别为熔丝制造、光固化快速成型技术和选择性激光烧结技术.3种3D 打印技术制作建筑模型优劣对比如表2所示，可根据需要打印的模型尺寸、复杂程度选择合适的打印技术.
文件为基础，通过计算机辅助设计（CAD）或计算机 3D打印诞生于20世纪80年代，是以数字模型动画建模软件建模，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术.
2建筑模型绘制
建筑模型建模软件主要有3大类：①常规动画制作软件Maya，3DMax；(2建筑信息模型（BIM）类建模软件Revit，ArchiCAD；③基础绘图软件AutoCAD.
表2不同打印技术优劣分析
Table 2 2Analysis and pare of different 3D printing techniques
3D 打印技术 构件颜色 打印尺寸 打印精度 耗材成本 设备成本 后期处理熔丝制造 颜色多 尺寸小 低 较低 悬挑异形构件需要设计支撑，异形构件处 理工作量大光固化快速成形技术 单一材质 尺寸大 高 高 高 后期上色工作量大选择性激光烧结技术 单一材质 尺寸大 较高 低 高 件清粉过程中易损坏2 后期上色工作量大 清粉工作量大，微小构
注；①根据设备性能确定构件打印尺寸：②有的塑料材质后期需进行涉蜡处理
表3不同建模款件适用范围和特点
Table 3 The applicable scope and charaeteristies of different modeling softwares
建模软件 使用范围 特点 备注Maya 3DMax 外观模型、异形节点 复杂异形构件别作方便 模型后期调整复杂，难度大Resit ArchCAD AutoCAD 外模型，内部校型、节点 外观型、内部榄型，节点 基确类建模软件，无相应模块，绘别速度慢 构件式组拼，建模快速 税型后期调整有一定难度 模型后期调整便捷
表1主要3D打印技术一览
行整体叙述（尼龙粉末打印精度高、构件强度高，但由于目前尼龙粉末价格要远高于PS粉末价格，面且尼龙粉末打印时要防止氧化，工艺复杂，所以还所示. 是PS粉末使用相对较多），设备性能参数如表4
Table 1
1The main 3D printing techniques
技术类型 主要3D 打印技术 基本材料税状物料成型 laser sintering SLS) 选择性激光烧结技术（rdive热塑性塑料、金属 粉末、陶瓷粉末税状物料成型（directmetllaser-sitering 直接金属激光烧结技术任何合金挤出成型 deposition modeling FDM) 熔融堆积成型（fnsed 热塑性塑料共晶 系统、金属、可使用材料光聚合成型 lithgaplhy appaatus SLA) 光国化快速成形技术（o 光硬化树脂光聚合成型 数字光处理（digjtl ligt 液态树脂peucrssing DLP) 熔丝制造（ fundfilaen 聚乳酸（PLA）.挤出成型 磁化压膜（meland fabrication FFF) ABS 树脂挤出成型 estrusie modeling MEM) 金国线、塑料线层压型 object mamfacturing LOM) 分层实体制造（laminaed、金属膜、塑料 薄膜粒状物料成型 电子束融化成型（detion beam melting EBM) 合金粒状物料成型 选择性热烧结（seetive het 热型性粉术sintering SHS) 粉末层喷头三维打印粒状物料成型（pomder bed and inkjet hrad石膏 3D printing PP)
表4设备主要性能
Table 4 The main performances of equipment
序号 项目 参数1 （长×宽×高） 成形空间 50mm × 500m ×400mm2 输人格式 STL格式文件3 制件精度 200mm以内的尺寸误差为±0.2mm， 200mm以上的尺寸谈差为±0.1%4 分层厚度 0.08~0.3mm连续可调，选择热塑性整料 (PS）粉末时为0. 2mm5 成型材料 热塑性塑料（PS），覆膜砂，热塑性塑料（尼龙） 热塑性塑料（PS）1.5mm，热塑性塑料（尼6 最小壁厚！ 龙）0.8m
注：最小壁厚是后期清粉蔡求，壁厚过小，构件容易在清粉的过程中报坏
3.1外立面模型调整
某建筑物外形尺寸为83m（长）x43m（宽）x72m（高），建筑外装饰以石材为主，配合落地窗，如图1所示.外立面有石材线条、窗框、阳台栏杆、雨篷拉杆和室外台阶等细部构件.外立面为波浪形， 弧形线条非常多.如果模型打印尺寸过小，则很多细部的线条都很难显示出效果，根据后期使用需求，确定打印1/100的缩微模型.模型计划打印尺寸为830mm（长）×430mm（宽）×720mm（高），已经超出3D打印机的成型空间，因此需要对模型进行 拆分.按照分块打印组拼的方式来实现最终模型打印效果.
不同软件建模方法各异，相关建模教程和书籍也很 多，具体建模过程就不再费述.3类建模软件的适用范围和特点如表3所示.
3模型后期调整
建筑模型在完成建模工作输出打印前，还需要根据3D打印机设备性能和所选打印材料对模型进 行细部构件尺寸调整、模型拆分和模型组拼设计，以保证实现最终使用需求.下面将以某品牌选择性激光烧互数辑SIS）塑料粉末3D打印机为例进
1）模型细部构件处理
图3外立面石材造型Fig. 3 The outer facade stone shape
按照3D打印机成型空间对模型进行拆分，拆分后的每个构件尺寸与3D打印机的成型空间三维 方向都需留有一定的余地，以使于从设备内取出成型后的模型.在拆分时尽量选择外立面有垂直或者水平线条的部位，这样后期拼接接缝就不会影响模型整体效果.
量，一般都将外壁打印的厚度较薄，考虑模型拼接 打印建筑物外立面模型为减小粉末耗材的用和防止变形，在拼接部位需设计有一定强度的连接构件，保证模型拼装紧密和整体性.本例设计了方形连梁，同时在连梁上设置丁字形凹槽，利用工字形连接件将模型进行整体拼装，连接方式如图4所 示，中部的连梁不仅有水平方向连接凹槽，还需设置竖直方向凹槽.
图1建筑外形Fig. 1 The building shape
建筑物外窗窗框采用50mm厚的型材，同时窗1/100比例型材打印尺寸为0.5mm，型材露出打印 框在玻璃外侧露出的尺寸为20mm（见图2），按照尺寸为0.2mmm，均小于热塑性塑料（PS）最小壁厚1.5mm的要求，因此模型的窗框需要进行适当效大，窗框型材宽度尺寸和外露尺寸均需调整为150mm以上，才能够满足后期打印和清粉的要求.
图2典型外窗示意Fig. 2 The typical external window
Fig 4 The model assembly 图4模型拼装示意
建筑物外立面石材造型上部2条石材线条厚度均为150mm，下部石材线条厚度为100mmm（见图3），按照1/100比例打印，下部石材线条厚度需要调整为150mm以上，同时为了保持上下线条间比例关 系，上部线条也需要按照1.5倍的比例放大.
3.2室内模型调整
室内模型构件尺寸的调整方式与立面模型构件基本一致，均需满足构件按照比例缩小后计算的尺寸大于打印机最小壁厚的要求.室内墙体尺寸相互比例尽量与真实情况相近. 调整时，要兼顾不同墙体之间的比例关系，墙体间
建筑物外立面栏杆和主人口南篷的钢拉杆一方面需要按照最小壁厚尺寸要求对杆件直径进行调整，另一方面由于突出建筑物外表面的细小构件在清粉过程中很容易损坏，因此栏杆和主人口雨篷 拉杆等细部构件还需要将其与建筑主体分离，单独打印，后期再安装到指定位置.
为便于清粉，室内模型打印前应将竖向和水平构件进行拆分，同时设计好后期竖向与水平构件间的拼接方式，可考虑竖向构件底部设计连接立柱插人水平构件预留润的连接方式.如果后期构件还 需上色，还应按照颜色区块和上色操作空间进行拆
2）模型属拼接设计
（下转第80页）
要求！
（上接第61页）
6结语
参考文献：
2.5.3 混凝土破坏拉剪复合承载力校核
现场安装的特殊倒锥形化学锚栓进行承载力检验. 依据《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145对随机选取5个安装样品，破坏性检验的结果如表4所示.
表4现场拉拔测试结果
试件 极限承载力/kN Table 4 In-site test result 破坏模式 承载力平均值/kN1 123. 4 器材2 3 113. 5 118.1 材 材 118. 44 116. 5 材5 120. 3 然材
50.58kN，满足现场测试检验.
式中：N为受检验锚固件极限抗拔力实测最小 值；N，为锚栓钢材破坏受拉承载力标准值.y为钢材极限抗拉强度标准值；y.为钢材屈服强度标准
工等环节的技术难点，又做到了现浇与预制的完美 结合，从而具备了现浇结构的整体性好、防水性能好的特点，既满足了结构受力、抗震等规范要求，又体现了装配式的快捷与简便.
基坑围护结构后进行施工，因面本体系不受地质条 由于叠合整体式预制装配体系技术在已完成件影响，且能够采用全外包防水进行结构整体防水，其有良好的防水性能，而且无需大量模板，叠合板其有无需架设满堂脚支架及底模，结构各连接节点受力性能好等优势.
[1]王梦想，中国盾构和掘进机随道技术现状、存在的问题及发[2]王爱和，陈志强，曹登敬.传统基坑支护方式进行地下明挖车 展思路[J]. 隧道建设 2014(3) :179-187 兹装配的可行性研究[J].铁道助察，2007 33（6）：78-80[3]姚怡文，蒋理华，范益群，地下空间结构预制拼装技术综述 [J] -城市道桥与防洪 2012(9);286-292.[4]王明年，李志业，关宝树，地下铁道明挖区间隧道结构预制[5]边健，姜中天，赵钟，等，装配式吊顶系统介绍[J].城市住宅， 技术的研究[J].铁道学报，2004 26（3）：88-92.2015右方教据
值.
3结语
参考文献：
（上接第64页）
4结语
参考文献：
间和劳动成本，大大提高了现场施工水平和工程质 综上所述，免清孔技术有效节约了现场安装时量.同时倒锥形锚栓的承载力满足幕墙构件的荷载设计.
孔和清孔不规范所带来的安全隐患. 1）免清孔技术的应用有效地减少了因现场钻
2）免清孔技术的安装给项目的建造节约了现场施工劳动成本.
杆）可安装于裂缝混凝土锚固区域，并承受地震 3）免清孔技术的产品组合（胶粘剂与倒锥形螺荷载.
[ 1 ] Grosser P. A field study of adhesive anchor installatioms [ J ]. Concrete intemational 33( 1) 57-63.[2]的亚楠国家建筑材料测试中心检验报告[R].北[ 3 ] Eurpean technical approral ETA-12/0028 [S] . 2013. 京 W2015 B03C00802.[4]器凝土结构后锚固技术规程：JGJ145-2013[S].北京，中国[5]混凝土用膨胀型、扩孔型建筑错检：JG160-2004[S].北京， 建筑工业出航社 2013.，2004.[6]李锐，郑毅敏，赵明.装配式混菱土结构中钢筋弯弧错因与搭 接技术[J].施工技术 2016 45(3) :39-41 67.
分，此时还需要设计竖向构件间的拼接方式.室内 门窗和摆放的家具均应单独打印，后期上色完成后再进行摆放.
3D打印技术发展非常迅速，打印建筑模型快速、成本低、环保，同时制作精美，有着非常大的优势，3D 打印技术非常多，不同的技术之间既有一定的共同点，又有各自的特点，本文仅通过一种选择性激光烧结技术来进行论述，还有一定的局限性.今后针对不同的打印技术还有大量的研究工作，同时还需要继续 研究3D打印技术在建筑业其他方面的应用，使这项新技术能够在建筑业得到更广阔的应用.
[1]肖绪文，田伟，苗冬梅，3D打印技术在建筑领域的应用[J]. 能工技术 2015 44(10) :79-83.[2]杨建江，陈响.3D打印建筑技术及应用趋势[J].施工技术， 2015 44 ( 10) :84-88 121.[3]王厢萍，徐蓉，苗冬梅，等.苏州某试验楼项日3D打印实体[4] 田伟，肖绪文，苗冬梅.建筑3D打印发展现状及展望[J].施 建筑他工技术研究[J]-能工技术 2015 44(10) :89-91 100.[5]白请，高杰，苗冬梅，等.3D打印在多层建筑中的应用[J]. 工技术 2015 44(17) :79-83.能工技术 2015 44(17) :84-86.
