数字化设计与3D打印成为复杂建筑结构与室内装饰新范式

|3DScienceValley· 2022/08/26

随着原材料价格的不断上涨、供应链的相对短缺、生产周期的不断缩短以及环保意识越来越强烈，建筑行业正面临着来自各个层面的日益严峻的挑战。

尽管建筑行业正不断引入数字化技术来提升建筑项目的质量与效率，但迄今为止，数字化技术更多被应用在建筑规划与管理任务当中，而在建筑结构的制造层面上却很少应用数字化技术及端到端的数据流程。

3D打印作为一种典型的数字化技术与数字化设计相结合，为建筑设计师实现复杂而坚固的建筑结构带来了全新范式。除了混凝土3D打印直接建造建筑墙体、房屋之外，粘结剂喷射3D打印技术在复杂建筑结构的数字化制造领域也开始崭露头角。

本期，将分享新加坡科技大学建筑智能研究实验室 (AIRLAB)，通过voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印技术开展的AI-Table 数字化设计与制造应用案例，并揭示该项目中应用的数字化设计与制造流程，为复杂建筑结构与室内装饰带来的应用启示。

AI-Table 项目作品

用料少但坚固

上图中的桌腿是AI-Table项目开发的3D打印作品，其花丝交织的结构灵感来自于设计师在森林中散步时的观察。虽然看上去只是几条桌子腿，但是为了确保这种看似脆弱的结构不会被沉重的桌面压垮，设计师除了艺术美感之外，还需要对静载荷计算有深刻的了解。

实现这些桌腿的设计，不仅仅是基于人类的创造性思维，还包括 Autodesk Fusion 360 软件人工智能辅助设计，以及voxeljet-维捷3D打印技术与传统金属铸造相结合的技术。这一设计及制造思路诞生于新加坡科技大学的建筑智能研究实验室 (AIRLAB)。

为了实现在使用最少材料的同时可靠地吸收桌面结构力的想法，项目最终使用青铜作为桌腿铸造材料。青铜铸造用的3D打印铸型由voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印设备和PMMA材料制造，铸造厂将3D打印铸型制成符合高精度规格的陶瓷外壳，然后进行熔模铸造。

得益于人工智能辅助的数字化设计与3D打印技术，设计师得以实现桌腿的结构优化。最终铸造而成的桌腿，精致但是坚固而稳定，并且去除了冗余的材料。

新范式助力建筑的可持续发展

AI-Table 数字化设计与制造项目为最大限度地减少原材料，并实现高性能建筑带来了启示。将软件算法整合到设计阶段，并将3D打印整合到制造中的工作流程，将为建筑领域开辟完全不同的创意维度，带来新的形式和材料自由度。

此外，项目中应用的数字化设计及3D打印技术，为建筑界牢固树立可持续性理念“绘制”了一个蓝图。AIRLAB 实验室的研究人员将3D打印+熔模铸造作为传统制造工艺的替代技术，将与生产相关的能源消耗降低 4% 到 21% 之间，最大的影响来自于原材料运输需求的显著减少。在AIRLAB实验室还通过数字化设计与3D打印技术相结合，通过实施结构优化，去除不必要的材料，从而减少材料浪费。这一全新的方式，为改变当前建筑范式带来可能。

voxeljet-维捷粘结剂喷射技术与建筑3D打印

为AI-Table 数字化项目提供3D打印技术支持的voxeljet-维捷，基于其粘结剂喷射3D打印技术，为室内外建筑模型、建筑结构数字化制造注入了新力量。

lPMMA 3D打印+熔模铸造

voxeljet-维捷与从事艺术品铸造的德国企业Strassacker 基于PMMA 铸造模型3D打印开展了多项合作。在合作中，Strassacker使用voxeljet-维捷的3D打印服务来制造青铜铸造模型。铸造模打印完成后，voxeljet-维捷用蜡渗透模型，使表面更加平滑，然后将它们交付给Strassacker，通常交期在3-5天。

这一工艺的特点是，不需要创建硅树脂阴模，3D打印的PMMA 模型被直接浸入陶瓷中从而创建壳体，模型在700°C的炉中被烧尽，留下铸造用的陶瓷模具。

3D打印PMMA 模型与熔模铸造工艺相结合，为金属铸件开辟了全新的设计可能性，实现过去很多无法想象的复杂作品，以及在没有原始设计文件的情况下，结合3D扫描等数字化技术对艺术品或建筑结构进行重建。除了快速制造3D打铸造模型，铸造的浇筑系统也可以通过3D打印技术来直接制造，这将节省铸造时间，并得到一致的铸造结果。

l砂型3D打印

voxeljet-维捷粘结剂喷射技术另一种可用于建筑领域的材料为砂。这种砂型3D打印工艺，可混凝土浇筑应用的模板表皮或整个模板。

3D打印天花板模板

建筑模板是混凝土浇筑成形的模壳和支架，是一种临时性支护结构，按设计要求制作，使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形，保持其正确位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。

在建筑结构中，墙壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造这种模板的传统制造方式耗时耗力，而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术，其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。
用于建筑立面结构的3D模板

通过voxeljet-维捷粘结剂喷射技术3D打印的模板元件可进行后处理和优化，以获得理想的表面光洁度和抵抗施工现场外部天气的能力，并可便捷的地与传统模板系统（如木制模板系统）结合。尺寸不超过4 x 2 x 1米的模板元件可在无需工具的情况下进行整体打印，所有像UHPC（超高性能混凝土）之类常见类型的混凝土皆可被加工。

voxeljet-维捷3D打印技术正逐渐在建筑行业站稳脚跟，以快速、灵活的方式，助力设计师将创成式设计等数字化技术获得的优化设计方案转化为现实。这种数字化设计与3D打印相结合的新范式将与建筑业碰撞出哪些火花，将保持关注。

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