BIM+3D 打印在建筑領域的應用探究

韓液

（內蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010）

1 建筑3D 打印混凝土技術及施工工藝

1.1 建筑3D 打印混凝土技術

根據bos 等人的研究匯總[1]，目前，基于3D 打印的3D 打印方法可劃分為兩種：一種是面向已有建筑結構的3D 打印，側重于提升已有的建造效率。二是面向既有建筑設計的創新性突破，實現特定的功能與用途，重點面向具有較大形狀的建筑構件及零件的打印。在建設中，3D 打印的施工工藝可分為輪廓工藝、D型工藝和混凝土打印三類[2]。

輪廓工藝（Contour Crafting，CC）[3]是一種添加制造技術，最早由美國南加州的大學Khosnevis 教授提出。通過計算機程序控制龍門架在三維空間中機械的移動，精準地將材料送到指定位置完成打印過程。至今，輪廓工藝已經發展趨向成熟，在國內外建筑領域得到廣泛的應用。

D 型工藝[4]（D-shape），通過噴擠裝置將打印材料按照一定的寬度和厚度進行打印，由意大利的工程建造師Dini提出。主要應用于中等體量的結構打印，打印材料主要是粉末材料和化學粘結劑混合組成。D 型工藝打印的結構整體性好、強度高、成本較低，但是由于其打印裝置較大，實際應用中打印尺寸受限。

混凝土打印工藝[5]最早是由拉夫堡大學建筑工程學院提出這一概念，同樣使用噴嘴擠壓混凝土按預定軌跡逐層打印，但所要求混凝土打印過程必須更加精確，對于打印復雜結構更具優勢，缺點是打印速度較慢。混凝土打印對建設過程中使用材料的凝結固化時間和強度要求較高，通常使用具有良好性能的聚丙烯纖維混凝土作為打印材料。

1.2 施工工藝

1.2.1 現場打印

現場打印的方法，主要是通過連續打印逐層疊加的方法，在地基上直接打印出建筑主體，在打印之前，需要預先設置好裝置孔和構造柱的位置，然后再將其與二次澆注混凝土構成整體結構。

1.2.2 裝配式打印工藝

3D 打印的裝配式打印工藝是在廠房內將打印出的構件，通過維修和檢驗，然后運送到施工工地，再用綁扎和焊接的方法在工地上進行組裝和安裝。在打印之前，要在信息建模中確定好管子、窗口等開口的位置及尺寸，并預先確定預埋件的位置，待零件運至工地后，再進行二次澆筑，完成墻體的拼接。圖1 是3D 打印裝配式房屋建造的通用流程。

圖1 3D 打印裝配式建筑施工一般流程圖

2 3D 打印與BIM 技術的融合

2016年8 月，國家發改委發布了《2016～2020年建筑業信息化發展綱要》，明確提出要大力推進3D 打印裝備與材料研發。BIM 和3D 打印是目前我國大力提倡的新型科技，它既是土木工程、軟件、材料等多學科交叉、相互滲透的創新性研究思路，也能與“產業化”相適應，具有很強的市場潛力，是一種新興的新興科技，必將成為一個新興的產業。

2.1 BIM 技術

BIM 是一個3D 的可視化模型，它不是一個單一的軟件，而是一個3D 的可視化模型。該系統將傳統的2D 制圖轉化為3D 虛擬的建筑物，并將其與真實的建設項目進行立體連接[6]。BIM 是一種建模成果，其在結構、性能等方面不同于傳統的三維建模。在這些功能特征中，實體特征包含了結構構件的類型、空間布局、機械和材料的堆積方式等；功能特征包含了建筑結構的功能概述、建筑規范的制定、施工過程中的實時動態生成、修改、管理與共享等。

2.2 BIM-3D 打印技術

基于BIM 的建筑物建模能夠保證模型的設計參數可視化表達，3D 打印則能夠更為逼真、立體地表現出整個建筑物，從而實現對建筑設計的全面展示。因此，采用BIM和3D 打印的方法，可以實現對建筑物中的重要部件進行單獨的打印展示[7]，從而使建筑物的材料和構造特性得到更好的展示。所以，將BIM 技術與3D 打印技術相結合，一方面可以對建筑的關鍵構件加以分別打印呈現，以更加清晰地呈現建筑材質與結構特征。另一方面，在需要大量的人力需求，且人工費價格高昂的今天，BIM 與3D 打印技術的有機結合，在節省不少人力資源的同時，它可以彌補建筑業資源浪費，環境污染，工期長的缺點?？梢哉f，這兩種方法的綜合運用，是我國建筑業在科技發展上的一次巨大的飛躍，對建筑業的發展也有一定的促進作用。

BIM+3D 打印技術的打印流程主要是是使用Revit 對被測對象進行3D 建模，而Revit 不能直接輸出STP、STEP 或STL 等，所以可以先將其轉化為ACIS 文件的DWG，然后在AutoCAD 中進行輸出，也可以通過3dmax輸出。在完成了建模之后，可以將STL 格式的模型文檔輸出到3D 打印機中。具體打印流程如圖2 所示。

圖2 BIM+3D 打印技術流程

3 應用案例

3.1 工程概況

廣東碧桂園職業學院體育館由國良建筑工程有限公司承建，總建筑面積6930m2，建筑高度16.10m，設計使用年限50年。建筑主體結構為鋼筋混凝土框架，屋面采用鋼網架，室內有三面看臺、標準籃球場、琴房等。其中琴房位于學院體育館三層東側，共20 間。

3.2 BIM 應用點介紹

3.2.1 進度應用控制點

①將進度計劃安排錄入或導入到Luban iWorks 中體育館土建模型，利用網絡圖和橫道圖相輔相成的方式，可以為體育館項目管理提供快速、準確、有效的計劃安排。②通過BIM 技術建立進度計劃與學院體育館模型的關聯，將原本二維的進度計劃數據轉化為可視的三維進度模型，每條任務都可以根據施工段、構件大小類、計算項目建立其與BIM 模型的關聯，任務關聯的BIM 模型數據即時展示在軟件界面中。③根據當前日期和進度計劃中任務的計劃結束日期進行比較，對即將到期的任務或者到期未完成的任務進行提醒。

3.2.2 資料管理應用點

利用Luban iWorks 中的資料管理功能，對上傳的學院體育館工程所有資料，進行按標簽分類、有序排列，并進行模型的關聯，能夠較好地改變以往資料混亂、容易丟失的局面。

手機安裝“魯班工場”APP，可以實現隨時隨地更新資料，在學院體育館施工現場進行施工質量檢查，可以上傳現場檢查照片，實現多個參建方實時查看。

在Luban iWorks 中，可以針對各種類型資料，創建出對應的二維碼，讓資料的查看變得更加便捷，在對方手機安裝了“魯班工場”APP 前提下，只需掃碼即可進行資料查閱針對學院體育館現場檢查梁、柱鋼筋。

3.3 BIM 施工技術交底

BIM 施工技術交底，是在常規的施工工藝交底的前提下，將BIM 等先進的信息技術方法融入其中，將原有的一維、二維層次的施工工藝交底轉化為能夠準確、直觀地表現出復雜裝修節點的立體層次施工技術交底，采用BIM模式進行施工工藝交底，可以對施工中的施工技術交底進行高效的提升，讓參加施工的人員能夠快速、準確地了解施工重難點、施工工藝流程、技術措施要求等。對體育館琴房地板裝飾進行BIM 技術說明，將其運用到琴房的BIM三維模型中，加強了復合地板的BIM 三維節點結構構造，能夠對施工中出現的各類問題進行及時的檢測和解答，從而對鋼琴房強化復合地板的安裝質量進行保障。

3.4 3D 打印節點構造

在3D 打印過程中，我們先用Revit、Solidworks、UG等三維建模工具建立所需要的三維結構，再用Revit 軟件輸出一個帶有. stl 格式的三維模型，并將其輸入到3D 打印機上，對其進行切割，得到一個帶有. gcode 格式的三維結構模型，最后將.gcode 格式模型用SD 卡和3D 打印機相連，打印出3D 節點構造的實物模型，并通過調節結構模型的打印比率，實現1:1 的立體結構。

當前，可供3D 打印的高分子聚合物（PLA）被廣泛應用于3D 打印領域，它是利用可再生的農作物（如甘薯、玉米等）提取的淀粉制備而成。它的相容性好，且可降解，拉伸性能好，非常適合3D 打印的建筑結構；因此，本文針對目前琴室鋪裝增強復合材料地板時，對傳統增強復合材料地板上留有伸縮縫的方法進行了改良，將BIM、3D 打印等先進的信息技術結合（見圖3），根據增強復合材料地板的尺寸和預留的伸縮縫寬度，選取適當的“3D 打印板簧”尺寸和個數，將其嵌入伸縮縫內，既能滿足增強復合材料地板的正常熱脹冷縮要求，又能提高工程建設的效率。

圖3 用于體育館琴房的“3D 打印彈簧片”

3.5 3D 打印混凝土復雜形態構件構造設計

傳統混凝土施工建造模式下，建筑構件的設計和建造受到諸多限制，最為主要的是：受制于支模澆筑工藝的技術難度和鋼筋混凝土材料的結構性能，復雜形態的構件由于在支模時難于定位，整個施工過程十分復雜。而在引入BIM-3D 打印混凝土技術后，根據不同建筑構件結構功能和打印建造特點的不同，結合3D 打印混凝土的材料特性和以機械臂平臺為運動基礎的輪廓打印工藝，將打印模型轉換成STL 文件格式，就可以輸入到機器內打印完成，且在打印建造的時候能夠以高精確度實現。

3.5.1 建筑墻體支撐構件

建筑墻體構件通常指的是傳統建筑語境里的垂直結構構件，分為抗震墻、抗風墻或結構墻，在對體育館內部琴房的結構設計時，主要專注于自由彎曲形態的墻體設計和打印建造，目的是探尋一種兼具復雜形態和良好結構性能的3D 打印復雜墻體支撐構件，突出與傳統線性形態垂直墻體建造方式的不同。

3.5.2 建筑立面裝飾構件

建筑立面裝飾構件指的是用于建筑外立面的實體裝飾性構件，具有形態多變，自身結構穩定，保有完整或部分圍合的特點?；?D 打印混凝土技術的復雜形態建造能力，在體育館內部進行了立面裝飾性構件的設計和打印建造，施工過程中去除了傳統混凝土建造過程中的支模、拆模等繁瑣工藝，只需要數名操作員操作，且多種形態的裝飾性構件兼具復雜形態與良好結構性能，因此節約了大量的人工、材料和管理成本。（圖4）

圖4 體育館建筑立面裝飾構件

4 結語

將BIM 與3D 打印相結合，靈活運用BIM 施工工藝交底、3D 打印節點構建，可有效緩解人力不足、施工管理難等問題。通過實際應用案例結果表明，BIM+3D 打印技術能夠很好地解決施工現場因缺少配件帶來的問題，3D打印能夠針對工地的特定條件，對建筑物的構造和構件做出適當的調節，優先選擇經濟實用、價格低廉的材質，從而更加凸顯出3D 打印的經濟優點。其次，實現特殊復雜形態構件的設計和建造時，能夠簡潔高效化地對復雜形態構件進行構造設計打印，完成傳統施工難以達到的這種技術要求，有效地保證施工進度、施工質量，可以預見，基于BIM 的3D 打印技術將會在建筑業得到廣泛的推廣。在未來的實際工程項目應用實踐中，二者的有機融合，將為當代建筑業開辟一條全新的發展之路。