3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨★

张 萍 闫 宇 李 苗 刘翰然 贾 杰

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨★

张 萍1闫 宇1李 苗2刘翰然1贾 杰1*

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

结合3D打印技术在教学中的应用现状，从课程教学、结构设计大赛和科学研究三方面，分析了3D打印技术应用于土木工程教学中的可行性，并总结了推广3D打印机会遇到的诸多困难，指出3D打印机可以应用于土建模型，同时能满足教学用具、结构设计大赛模型的建立等需求。

3D打印机，土木工程，结构设计比赛，教学

0 引言

3D打印技术在20世纪80年代横空出世以来，一直受到人们的密切关注，3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略，同时它还具有制作精度高，制作周期短，个性化制作等优点。通过3D打印技术来构建土木工程模型，似乎可以改变土木工程模型的诸多缺陷，成为未来的发展趋势。3D打印技术依托多个学科领域的尖端技术，在高端制造、教育、建筑设计、医疗、航空航天、文化创意等领域得到了一定应用，显示出令人振奋的发展前景[1]。

在学习以及参加各种创新活动中发现，实体模型的建立对抽象复杂的土木工程知识的学习有很重要的作用。基于此，分析3D打印机在高校土木工程教学中的应用有很好的现实意义。

1 3D打印在教学应用上的研究现状

随着3D打印技术逐步受到人们的倍加重视，国内外已经开始着手于3D打印在教育领域如何应用的研究。英国教育部在2012年—2013年在21所高校开展了为期一年的课程教学创新活动，并为每所高校提供了关于3D打印机使用的技术指导和优秀师资。美国开展了MENTOR项目计划，旨在美国高校推广3D打印机的使用，引起学生在设计、制造和理论科学等方面的兴趣，有利于激发学生的发散思维和提高创新能力。3D打印机的龙头企业Stratasys推出一款专用于高等教育中的产品——object30睿智，它可以为师生提供技术辅导和冲击性的制作体验[2]。

国内众多高校也在教学和科研中逐步引进了3D打印机，在全国第九届大学生结构设计大赛中，装配式桥梁结构模型制作明确要求部分节点要应用3D打印机所制作的节点，这极大地促进了3D打印机在各高校范围内的推广使用。哈尔滨工业大学(威海分校)张继春老师采用熔融沉积快速成型技术制作出拥有多种技术的改良3D打印机。北京航空航天大学利用钛合金材料和3D打印机生产具有承载力的结构构件，并应用于航空航天领域。

2 3D打印机在土木工程教学中的应用

当今，高等教育的成功就意味着源源不断的人才输送和更多高端技术人才的涌现。因此，在如今新的教学理念之下，选择正确的教学方法是十分必要的。3D打印机的发展为土木工程教学提供了新形势和新挑战，如何将3D打印机应用于土木工程的教学中是亟需解决的问题，主要包括如下几个方面。

2.1 3D打印机在教学课程中的应用

由于土木工程学科本身的难度较大和过于抽象的传统教学方法，平面的图片、动画无法给予学生视觉上的直观感受。3D打印机可以将抽象、不易描绘和想象的物体打印出来，更加逼真形象的结构物可以引起学生浓厚的学习兴趣、提高学生的理解能力、实现了良好的教学效果。

2.1.1 力学

以材料力学、结构力学为代表专业力学系列课程对土木工程学科教学的重要性不言而喻。当今3D打印技术的快速发展为力学教学提供了新领域和新挑战。例如：对于平面杆件体系的几何组成分析，可以将杆件和节点打印出来，并组装成模型，进一步讲授自由度、瞬变体系、常变体系的主要特点，并比较不同的静定结构和超静定结构的模型，真正理解判断结构是否静定的方法。另外，在传授结构动力学的课程时，可以将不同自由度的刚架和简支梁通过3D打印机形成实物，再施加动荷载，研究单、多自由度结构的自由振动以及单、多自由度在简谐荷载和任意荷载作用下的受迫振动的振型变化。因此，3D打印机在力学教学上的应用是多方面的，有很大的推广潜力。

2.1.2 混凝土结构设计原理

混凝土结构设计原理是土木工程学科最基本的专业课程，针对该课程公式系统性差、构造要求多、实践性强、抽象难懂的特点，可以应用3D打印机来改良教学方法。例如：对于混凝土梁中箍筋、纵筋、弯起筋的复杂构造形式、螺旋箍筋柱的截面形式、应用于预应力混凝土构件的锚具构造形式均可以通过3D打印机来形成实物，在讲授课程中展示以便于学生牢固地掌握课程的核心内容。

2.1.3 土木工程施工

土木工程施工是土木工程学科中的一门专业主干课和基础课，现阶段课堂教学与实践脱节，学生缺乏生活经验，没有建立起对施工机具和工艺的感性认识，这种传统的教学模式很难满足社会需求导向性人才培养的目标。

因此，运用3D打印技术来改进该课程的教学手段和方法迫在眉睫。例如：

1)可以将单斗挖土机的四种形式：正铲、反铲、拉铲、抓铲的简易模型通过3D打印机形成实物，并根据实体模型形象地描述每种挖土机的作业方式和适用范围。

2)可以将钢筋混凝土灌注桩钻头形式：回转钻、冲抓钻、冲抓锤、潜水钻的具体构造用3D打印实物来体现，让学生可以深入了解实际工程中灌注桩的详细施工流程。

3)可以通过3D打印机打印出简易的脚手架模型，内部组成包括立杆、纵横向水平杆、剪刀撑、扣件、脚手板等，这样可以形象地让学生了解到脚手架的具体结构和每个部件的作用[3]。

2.1.4 钢结构设计原理

钢结构设计原理是一门理论性和实践性都较强的课程。为了培养基础扎实、实践能力强的钢结构设计、施工人才，如何高效率地让学生深入地理解钢结构略有抽象的基本知识，结合3D打印机的教学方法是该课程有意义的尝试。具体应用实例和方法如下：

1)钢结构连接及构造的抽象是学生感觉钢结构难学的关键原因。利用3D打印实物来展示焊缝和螺栓的具体连接构造将会使学生对该部分的知识原理有清晰的认识，有利于学生课后习题练习的顺畅和知识系统的建立；

2)运用3D打印机将简易的钢结构单层厂房模型打印出来，使得厂房结构的各部件形式更加直观地显现出来，有利于提高学生的课程设计整体效果。

2.2 3D打印机在结构设计竞赛中的应用

2015年10月在昆明理工大学举办全国结构设计竞赛中，要求部分装配式桥梁需用3D打印出的节点构件连接，这意味着简易的3D打印技术开始进入大学生的视野。结构设计大赛旨在提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质。随着3D打印技术即将风靡土木工程行业，以3D打印机为主要使用工具作为结构设计比赛的主题会在不久的将来实现。

目前的结构设计比赛主要以竹条、木条、胶水为制作材料，存在制作耗时长、胶水中化学成分过多等缺点。运用3D打印机可以明显缩短设计制作时间，3D打印模型的预建立可以来判断此方法是否可行。目前，3D打印混凝土技术作为一门正在兴起的新型应用技术，既有自密实混凝土无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点，为未来的结构设计比赛提供了更多的可能性[4]。因此，3D打印机的应用有利于激发学生参加结构设计比赛的热情和培养更多尖端的设计人才。

2.3 3D打印机在土木工程科学研究中的应用

3D打印技术因其技术的优越性而日趋流行，但毕竟3D打印技术应用于土木工程领域还只是处于初步阶段，所以大量的前期研究工作急需高校师生去从事。

具体研究方面包括：1)研究3D打印构件材料的性质和力学性能，寻找适用性最强的3D打印材料；2)研究3D打印构件是否有徐变特性以及抗腐蚀的性能；3)研究3D构件之间连接的强度和延性；4)研究3D打印构件是否具有残余应力，会对构件使用产生不利影响[5]。总之，随着3D打印技术的不断完善，针对3D打印技术在建筑领域的应用的科学研究在高校中将会不断普及。

3 3D打印机在教学普及中遇到的困难

目前3D打印在教学中普及正处于探索研究发展的阶段，因此在普及3D打印机的过程中不可避免地会存在一些问题：1)经济造价问题：3D打印机市场上价格在4 000元～200 000元左右，对于在高校内广泛普及还需要一定的时间；2)设计软件问题：电脑中建筑模型的设计不可或缺，使高校学生熟练掌握一门软件非常有必要；3)原材料问题：用于科学研究的混凝土等材料绝大多数具有高强度和合适外加剂的要求，这是亟待解决的问题。

4 结语

文章结合了3D打印技术的发展趋势，总结了现阶段3D打印技术在教学上的应用现状，并主要探讨了3D打印机在高校土木工程教学中的应用，分别从课程教学、结构设计大赛和科学研究三个方面进行讨论，并举例说明3D打印机在课程教学方面的可行性。最后总结了目前推广3D打印机所存在的一些问题。总之，3D打印机在高校土木工程教学中的应用具有很大的推广潜力。

[1] 李小丽,马剑雄,李 萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014(1):1-5.

[2] 王 萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育(综合版),2013(8):83-87.

[3] 刘宗仁.土木工程施工[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4] 张大旺,王栋民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术发展[J].硅酸盐通报,2015,6(34):1583-1588.

[5] 陶雨濛,张云峰,陈以一,等.3D打印技术在土木工程中的展望[J].钢结构,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★：东北林业大学国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：201510225059)

张 萍(1995- )，女，在读本科生； 闫 宇(1995- )，男，在读本科生； 李 苗(1995- )，女，在读本科生； 刘翰然(1995- )，男，在读本科生

贾 杰(1980- )，男，博士，副教授

1009-6825(2016)15-0229-02

G642.0

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