基于3D打印技术的沉浸式建筑沙盘教学实践研究

朱玲英，杨 辉通信作者)

（惠州学院建筑与土木工程学院，广东 惠州 516007）

本文力图把光固化3D打印技术与3D mapping沉浸式技术进行有机融合并应用在建筑沙盘设计制作中，通过设计尽量给参与者提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉，以解决客户由于资金不足，空间有限等原因而不能提供用户参观建筑沙盘模型的问题。目前，建筑沙盘行业缺少相关技术支持，市场上在持续开发和应用方面遭遇诸多困境。本文试图在沉浸式建筑沙盘设计和应用方面提出可行性方案和策略。

1 沉浸式相关技术技术分析

3D mapping的核心技术是基于三维模型展UV或透视投射原理来产生影像内容，并通过投影实时反算的方式将内容mapping到真实模型的技术。与普通的投影不同，3D mapping的原理是使用工程投影机将画面投影在特定物体上，不仅仅投影在普通平面上，其投影的画面需要与被投影的物体产生互动，所以画面要与被投影物体进行精确的矫正。对于一些移动的物体，则需要更复杂的动作捕捉系统，高速捕捉物体的运动状态，实时调整投影画面。借助hecoos studio系统中的投影反算和投影仿真功能来实现3D打印技术与3D mapping技术的高效融合，从而更大效率地缩短沉浸式建筑沙盘的制作周期，提高提案的成功率和现场的执行率。

图1 沉浸式建筑沙盘模型制作流程

1.1 技术优势

1.1.1 节约时间，方便修改

与传统建筑沙盘相比，沉浸式建筑沙盘利用3D打印技术、3D mapping技术等规避了制作程序繁复、周期长、精度低等缺点，实体建筑沙盘只需要根据客户的需求进行3D max建模，再通过成型速度快的3D打印技术便可以实现，而传统的上色技术则使用更加灵活的投影融合技术代替，解决了上色慢、雕刻精度低等问题。

1.1.2 空间需求小，模型造价相对较低

传统建筑沙盘通常都较为庞大，造价也相对较高，而沉浸式建筑沙盘具有面积小、造价低的优势。一个完整的建筑沙盘模型，结合投影融合技术，最小只需要20平方米的空间，便可以展示全部效果，大大减少了人工成本和打印成本，从而降低了造价，可以较好地解决传统建筑沙盘面积大、造价高的问题。

1.1.3 沉浸感受性强，表达有效直观

沉浸式建筑沙盘不仅可以简洁有效地表达出建筑群、交通组织、景观布置等场景，让参观者一眼便能读懂沙盘所表达的主要内容，还可以让参观者具有可操作感，通过对投影的操作实现投影的变换，使打印出的沙盘呈现不一样的整体效果，拥有不同的视觉感受，同时也满足设计者表达不同内容的需求。

1.2 产品制作及教学效果

1.2.1 3D模型建模

3D模型是沙盘的基底，后续的步骤都要在其基础上进行。因此，在教学中需要根据预想的设计效果，对所表达建筑及其场地进行详细分析和研究，在将建筑的各项数据、缩放比例、细节取舍等确认无误后，使用3D max软件建模（图2、图3）。沙盘地形根据地形图场地的等高线，按照逐线抬高的操作，将场地的高低起伏情况表达完整。建筑根据平面图、立面图、剖面图等技术图纸，将建筑按照墙、结构、楼板等组件分组建模组合。

1.2.2 动画效果设计

对于建筑模型的动画设计，引导学生将所建的建筑模型运用Adobe Premiere软件渲染。把模型中的建筑、场地的日景和夜景切换、场地的交通流线、绿化分布、水体分析功能分区、建筑设备分析、建筑材料展示等场景渲染出来，这样可以让用户进一步了解场地环境，多种样式的动画效果也可以给参观者带来更好的沉浸感。

1.2.3 3D打印模型

要进行快速成型的光固化3D打印，就必须要对3D max建模（图2、图3）进行切片。首先将所建模型输出为3D打印机切片软件可识别的stl格式，然后通过切片软件对模型切片后，变成为3D打印机控制台可识别的格式，最后通过使用光固化3D打印机完成打印。如果所建模型出现穿模、重合、虚体等情况。3D打印机的切片软件则默认这些缺点是有效的，这样切片出来的模型，如果直接打印则有可能出现缺角、缺边、缺面等情况，因此在模型教学过程中如何引导学生完成建筑形体的整体设计和细节处理尤其重要。最后，使用上海普利生机电科技有限公司生产的SLA专用型光敏树脂RP600-H001，宁波高新区方元三维科技有限公司研发的工业级光固化树脂3D打印机（HT600S）执行建筑模型打印（图4、图5）。首先，根据前期基础性实验的相关数据，分析并得出能够满足光敏树脂基本成型要求的工艺参数范围如表1所示；接着再通过控制变量法分析得出在相同条件下能够使SLA成型件质量理想的数个工艺参数值；然后通过综合平衡法原则得出最优的成型工艺参数组合并进行SLA 成型打印实验[1]。

图2 惠州学院3D max模型

图4 模型切片

表1 实验工艺参数范围表

1.2.4 动画模型的生成

借助hecoos studio系统中的投影反算和投影仿真功能来实现3D打印技术与3D mapping技术的有机融合，再结合通信和互动技术的展示手法，包括声、光、电和互动投影等的应用，创造出一种能让参观者身临其境的沉浸式建筑沙盘（图8）。

图8 “惠州学院沉浸式沙盘模型”效果图

2 建筑模型的制作及讨论

2.1 建筑沙盘模型的教学效果

在3D打印的建筑沙盘模型教学中，必须要结合实际教学情况，就如何提高学生建模技巧和制作水平提出相应的方法和策略，以激发学生学习3D打印和建筑技术的兴趣，培养其主观能动性与自主学习能力。

（1）用3D max软件制作惠州学院电子3D模型。

图3 旭日楼3D max模型

图5 3D打印模型

（2）将3D max模型导入3D光敏树脂打印机模型转换软件，用光固化3D光敏树脂打印机制作惠州学院沙盘模型。

（3）设计3D mapping画面、制作3D mapping动画。

（4）对3D mapping设备和3D光敏树脂打印沙盘进行定位安装，组合成“惠州学院沉浸式沙盘模型”。

2.2 制约建筑沙盘模型教学效果的因素

此次3D打印建筑模型课同时面对2个班共80人上课，对教学手段、方法、课堂组织、实验安排等方面都提出了新的挑战。通过学生讨论、课堂模型制作、实验材料配方与学生信息员的反馈表明，3D课堂教学中的难点：一是学生的学习思维过于传统，设计观念陈旧。针对人数多，3D打印机数量少的特点，这次的3D打印教学主要采取团对式的学习模式，事先把学生分成4人小组。由于这方面缺乏系统训练，除了少数组同学思维比较活跃，草图画得比较快、多、好之外，绝大倒数学生都是草草了事，体现出平时基础知识不扎实、设计思维不活跃，动手能力比较差等问题。二是模型制作能力弱，设计形态不美观。3D打印设备是使用3D max软件制作模型，对软件操作和模型的制作精度有比较高的要求。然而，在设计制作模型过程中，部分学生不会使用3D max软件，只能使用平时掌握的SketchUp软件，这种软件随意性比较强，但制作精度不高，学生制作的不少模型在打印前切片处理中出现模型缺边、缺角甚至缺失大部分面而无法执行打印的问题。三是学习习惯被动、处理问题机械。部分同学学习比较散漫，临到交作业是才想起学习任务没有完成；部分同学学习中不主动思考问题，在打印模型过程中遇到问题时缺乏概括、分析、提炼、归纳和总结的基本能力和技巧等。

3 存在的问题及对策

3.1 现存问题

（1）相关技术缺乏。因沉浸式建筑沙盘对硬、软、声光技术等要求较高，目前拥有这方面知识产权企业较少，国内能找到的很好融合声、光、电的相关案例并不多，导致研发思路局限，做出来的成品优劣难以评判。

（2）3D打印机本身在打印材料供给、送料、喷头打印及切片软件的程序设计等方面存在诸多潜在问题，导致打印材料耗尽再重新加料时会出现凝结，时间不同所形成的打印构件存在分层或断层的问题。

（3）3D mapping技术包括展示对象、投影机、高级仿真图形计算集群，以及相关辅助配件等组成，是集成了硬件平台以及专业显示设备的综合可视化复杂系统工程，目前在国内还只是概念阶段，实际应用比较少，普及和应用还需相当长的时间。

3.2 提高3D打印建筑沙盘教学效果的对策

一是教学方法应向“以知识运用为本”转变。在教学中不能将知识和运用割裂开来，只满足于相关知识的传授和学习，这样只能使学生“临渊羡鱼”。二是教学思维应呈多向的开放型。设计教学的目的是为经济建设和社会发展培养人才。特别是在以信息化、数据化为基础的知识经济时代，建筑模型教育更应面向社会需要，以多层次开放式的教学思维培养学生的综合素质和创新能力。三是教学手段应向“线上线下”转变。在手机智能化、数据信息开放化的时代，老师不仅要设法创造出高效、活泼的教学环境，使教与学双方始终处于活化“状态”，还要与学生一起创造融真实性、知识性、趣味性于一体的学习环境，使老师教得开心，学生学得有趣。四是教学视野应向“跨学科化”转变。3D打印建筑沙盘学习的目的在于运用。沉浸式建筑沙盘模型呈现给人们的不仅仅是信息的传递，而是关系的建立和维持，进而引起消费者的欲望。这就要求不断地对学生进行模型设计技能、设计思维及设计形态的多维度训练，以培养跨学科的应用能力。只有把设计思维、设计形态、技能技巧和文化素养融合为一体，才能使沉浸式建筑沙盘模型教学成为一个完整的过程。

4 结束语

通过沉浸式建筑沙盘设计制作创造出的沉浸式体验可以让学生去接触、感受，让枯燥的课堂变得更加生动有趣，发展视觉空间智能，发挥想象创造出极具个性的东西，能够有效地培养学生的想像力和创造能力。■