基于3D 打印技术的海绵城市沙盘展示应用

文韬，朱磊森

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 引言

3D 与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有工程塑料、树脂或石膏粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物[1]。目前，玉溪海绵城市运用3D 打印技术制作沙盘模型，通过3D 打印一体成型的技术，高精度的再现设计师的思路。将海绵城市各类LID 设施的工作原理及项目建成后的各类设施清晰明了的展现出来（见图1）。

图1 玉溪海绵城市沙盘展示

2 3D 打印技术的优势和劣势

2.1 3D 打印技术的优势

1）制造快速

3D 打印技术能使产品设计和模具生产同步进行，提升企业研发效率，缩短设计周期，降低成本及风险。

2）高精度三维展现

通过改进现有技术，或者与其他工艺结合，质量和精度都能够达到零件的要求，而并非只能打印快速原型。

3）材料种类繁多

3D 打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D 打印领域得到了应用。目前，多材料复合打印更能充分发挥各种材料的性能优势，是未来的一个发展趋势。

4）CAD/CAM 技术的集成

快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。

5）创造显著的经济效益

基于3D 打印技术一体化成型，产品设计和模具生产能够同步进行，提升了产品研发速度。

2.2 3D 打印技术的劣势

1）材料限制

目前高端工业可以实现塑料，某些金属或陶瓷打印，但由于材料稀缺及昂贵，所以现在还无法普及。

2）机械设计的限制

需要考虑产品结构能否支撑，多余部分能否去除。

3）成本问题

3D 打印机的投资大，耗材贵，材料成本高昂，核心设备贵。

4）健康问题

普遍的3D 打印机通过将塑料加热，然后制造出设计模型，形成有害物质，容易被人吸入肺部及脑部，引发病状。

3 3D 打印实验流程

3.1 ideamaker 参数设置

①三维软件建模，保存格式为.stl或.obj 格式。在另存文件格式时，将弦高设为0，角度设为1 时，建立的模型较容易实现3D 打印。

②安装ideamaker 软件，参数设置。

③配置打印机，选择打印机设置。

④选择添加打印，改参数，改完后点确定，2 步确定回到主界面。

⑤切片配置，先随便拖动一个模型在里面，STL 文件，模型导入后点“开始切片”，再点“导入模板”。

⑥切片，选择要打印的配置，点击进行编辑。填充率和壁厚决定模型的强度，与耗材的消耗成正比，普通模型选择10 ～20，壁厚2 层就好，如果要强度偏高，可以设置30 ～50，壁厚3 ～4，如果强度最高，直接填充100，壁厚2 ～3，地板附加一般skirt 就可以了。模型接触底面小可以用brim，ABS 也要加brim，raft 是加一个很厚的底座，座子稳，但浪费材料，一般情况没必要，支撑结构看模型选择，倾斜超过60°就要加支撑了。

⑦配置好后点“保存”并退出，然后点“切片”，切好后保存文件到桌面，插上内存卡，把模型剪切到内存卡根目录，注意文件名不能有中文，中文的可以改成拼音好识别。

3.2 CURA 应用及参数配置

①安 装CURA。 配 置 机 型， 选UM2，选择中文，再回到界面，再关掉软件重启。

②配置参数。把文件夹的配置文件直接拖进软件里，点打开后就配置完成了。

基本参数设置。层高是指打印每层的高度，一般0.2，细腻0.1，要打印快就0.3，0.3 在自定义界面设置填充中设置填充密度，100%为实心，一般模型取10%～20%合适生成支撑。参数设定好后会自动切片，点保存到文件，再把保存的文件导入SD 卡，避免文件中中文的出现。

③切片预览。

④模型修改（见图2）。

4 3D 打印在玉溪海绵城市中的应用

4.1 具体应用

为形象生动的展示玉溪市海绵城市项目的建设内容，项目采用沙盘进行模拟，其中，为更加详细的描述LID 设施的相关内容，将各类LID 设施采用3D打印进行展示。相比图纸中各类平、立、剖面图的二维展示。3D 打印模型各节点精细，可直观展示现场建设完成效果，亦能多角度、多方面全面展示各类LID设施的组成内容及工作原理。

以生物滞留带为例，整个3D 打印模型根据图纸，将透水土工布、瓜子片、碎石层、种植土、绿植表层等各层内容分别打印，已剖面形式进行展示，生动形象，且对现场施工亦能起到指导作用。

4.2 与ipad 互动系统的应用

ipad 互动系统，是一种交互式展示系统。该系统主要采用三维数字图像技术、网络科技、人工智能等计算机科学的前沿技术，将数字全景沙盘、虚拟样板房、数字三维户型透视、宣传片、楼书、销控表等内容包含其中（见图3）。玉溪海绵城市通过3D 打印沙盘，结合ipad互动系统，将ipad 应用控制沙盘展示区的灯光以及升降。除了较好的展示整个海绵城市建设的后期效果外，关键的地下排水、管网等部分，通过地形的升降，也很好的进行展示。地下排水、排污、管廊等走向，截面做法，通过3D 打印模型、灯光模拟雨污水排放、沙盘升降等全面集合，形象生动的展示海绵城市的建设理念。

5 3D 打印技术对海绵城市产生的经济效应和社会效益

1）经济效益

3D 打印建筑技术优势为速度快，不需要使用模板，可以大幅节约成本，并且具有低碳、绿色、环保的特点[2]。相较于传统建筑模式，3D 打印不仅节约资源，利用废弃物进行制造[3]。

图2 模型修改示意图

图3 互动系统控制原理示意图

2）社会效益

在玉溪海绵城市中，3D 打印技术通过电脑制作的大样图，海绵城市沙盘更直观的给人们展现了“渗、滞、蓄、净、用、排”的运行理念[4]，对海绵城市的宣传也起来的较好的推广作用，让相关观摩及学习的人员更加容易接受及支持海绵城市的大规模建设，加大了现场施工的便捷性。

6 结语

当今时代数字化、智能化是当前产品创新和制造技术创新的共性，是新工业革命的核心技术和理念，与时俱进运用新的前沿技术，才能促进社会的进步与发展。本文通过对3D 打印技术的优劣势、实验步骤及其在海绵城市展示中应用的相关阐述，进一步说明了当今数字化与智能化的重要性，也证明了3D打印技术在建筑施工中的良好应用。