火星多功能地下建筑项目(Mars SUBsPaCe)是一项旨在以可持续且可扩展的方式为火星上大量人口提供居住空间的栖息地设计。我们认为地下栖息地相较于地面建筑具有显著优势。位于地下，意味着周围物质能为人类提供一定防护，抵御因火星大气层稀薄而导致的宇宙辐射增强问题。栖息地周围的物质还能起到隔热作用，防止热量散失。由于结构在地下扩展，栖息地的地面轮廓较小。这有效缓解

SUBsPaCe的设计基于土壤钻孔机的工作原理。它由一根中央轴和环绕在其周围的螺旋结构组成。在中央轴的底部，设有一个大型钻孔头，用于清除其下方的物质。同样，在螺旋结构的末端也有四个重叠的钻孔头。作为栖息地主要入口的门厅区块，还配备了强力液压斜坡，以协助整个结构的钻孔运动。

我们的栖息地之所以具有高度的灵活性，关键在于居住单元的模块化设计。整个结构深埋地下，因此在螺旋式结构的起始段，入口大厅与首个居住单元之间便形成了空间。随着整个结构不断旋转，新的居住单元会被周期性地安装到位。这使得栖息地内的空间布局可以灵活扩展，满足不同需求。

中央主轴每转一圈，就有10个居住单元。每个居住单元均可通过贯穿整个建筑的主螺旋式楼梯(坡度为1:12)进入。集成电梯和楼梯间让住户能够到达距离自己居住单元不超过5个单元的其他居住单元。每个居住单元的后方都有一条大型服务走廊，同样贯穿整个建筑。这条走廊用于将挖掘出的泥土运送至地面，同时也是紧急情况下的疏散通道。

为了进一步强调3D打印可以成为高效制造手段这一观点，人们可以考虑在异地通过类似混凝土的材料(源自火星环境)进行3D打印，从而建造这些模块化居住单元。中央竖井也可以采用类似方式进行打印(如图3中的小盒子)，由沿着竖井周边运行的打印机完成。我们相信，在这里大规模应用3D打印技术将通过实现自动化施工操作，大大缩短居住单元的建造时间。

整个地下建筑被伞状结构所覆盖。六边形结构是太阳能电池板，将产生电力以满足居住者的使用需求。此外，建筑内还设有几个气闸，用于人员进出栖息地(在模型中，气闸被抬高，以便清晰可见栖息地)。中央柱为大型悬挂式水培区提供支撑，该区域不仅能提供食物，还能净化和循环利用水资源与空气。更重要的是，在白天，中央柱还能将阳光引入栖息地的各个角落进行照明，从而减轻长期地下生活对心理健康

我们的设计比例为1:266。每套住宅的居住面积约为150平方米。整栋建筑共有40个单元，其中包括大堂单元，以及位于螺旋结构底部的两个维护和无聊单元。模型被切割成若干部分，以便清晰展示内部布局。

1. 设计流程

首批概念设计都是在纸上完成的。随后的所有 CAD 设计和测试装配工作都是在 Solidworks 软件中完成的。设计阶段面临的主要难题在于确定结构的尺寸。为此，我们特别参考了新加坡的明珠湾公寓和南非约翰内斯堡的庞特城公寓的设计方案。

1. 制造工艺流程

这些 3D 打印设备由华中书院友好提供。

我们的建筑模型是采用熔融沉积成型(FDM)工艺制作的。打印工作是在两台由同名公司(总部位于新加坡)生产的Panther 3D打印机上完成的。这些打印机的规格如下：

1. 位置精度：X/Y方向：0.025毫米，Z方向：0.005毫米
2. 打印喷嘴直径：0.4毫米(兼容1.75毫米直径的PLA和ABS塑料丝材)
3. 构建体积：202mm(X)×162mm(Y)×157mm(Z)

之前对打印机进行的特性分析表明，它们能够以最高1毫米的分辨率进行可靠打印。因此，在CAD设计阶段，所有拼接部件的间隙均设定为每侧0.5毫米，并且任何结构的尺寸都不小于1毫米。

拆除支撑结构是我们非常关注的问题，因为这可能会影响模型的实际效果。我们最初计划将每个住宅单元分成上下两部分进行打印，这样就能避免悬挑屋顶部分需要支撑结构的问题。我们认为，将两个半部分和中央立柱组装起来的时间成本微不足道。

然而，当我们开始打印时，发现按照优化后的打印机设置，每个模型块大约需要3个小时才能完成。由于白天有学生使用打印机，所以只有一台打印机可供使用。因此，我们决定在SolidWorks中搭建模型结构，并将其按55%的比例缩小，分成4个模型块进行打印。这样做虽然避免了因支撑结构拆除导致的损坏，但也导致模型中一些细微细节被牺牲掉了。

模型采用白色 1.75mm PLA 材料打印，挤出温度为 195摄氏度，打印在覆盖 Kapton 胶带的平台上，该平台加热至 55摄氏度。

设计图纸中的.SLDPRT文件(SolidWorks零件文件)被转换为.STL文件。这些文件随后通过Cura软件转换为G代码，该软件还生成了模型实体部分填充结构的打印指令，以及模型悬空结构支撑结构的打印指令。随后，G代码被传输至实际打印机的Repetier-Host界面进行处理。

总打印时间约48小时。层厚设为0.1毫米，填充率为20%，确保快速完成打印。我们使用了两台打印机进行打印。打印完成后，只需去除支撑材料即可完成后续处理。随后，将四个主要部件用氰基丙烯酸酯胶水粘贴组装在一起。