建筑3D打印中BIM技術應用的研究分析

湯政

摘要：隨著我國經濟的快速增長，建筑行業也逐步的向低能耗、低污染、精細化施工轉變。通過BIM下的三維信息化軟件建立模型;拆分及優化模型;將BIM模型導入到建筑3D打印機中進行打印模型。模型可以用來進行多設計方案對比、實體展示施工方案與進度部署、打印異形構件等工作。從應用流程及應用范圍上對建筑3D打印技術和BIM技術進行了詳細的研究與分析，進而對未來建筑業二者相互結合共同發展的趨勢進行了展望，使得建筑3D打印技術與BIM技術的合作共同推動工業化建筑成為可能。

Abstract： With the rapid growth of China's economy， the construction industry has gradually shifted to low-energy， low pollution， and refined construction. The model is built by the 3D information software under BIM; the model is split and optimized; the BIM model is imported into the architectural 3D printer for printing model. The model can be used to compare multiple design scenarios， physically display construction plans and schedule deployments， and print shaped components. From the application process and application scope， the 3D printing technology and BIM technology of the building have been studied and analyzed in detail， and the future development trend of the construction industry has been prospected， which makes the cooperation between architectural 3D printing technology and BIM technology. It is possible to jointly promote industrialized construction.

關鍵詞：建筑3D打印;BIM技術;建筑信息化

Key words： architectural 3D printing;BIM technology;building information

中圖分類號：TU17;TU71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0149-04

0 ?引言

近年來伴隨著我國的經濟快速增長，建筑業面臨的問題也越來越多。能源的日益短缺、環境污染的日益加大也都掣肘著建筑行業向工業化、模塊化、標準化的轉變。早在國家的“十三五”規劃中已經提出建筑行業要朝著綠色化、工業化、信息化、個性化進行發展，逐漸降低當前低科技含量、高生產成本、工業化程度低等不利因素對建筑行業的影響。第三次工業革命帶來了3D建筑打印技術。過近些年的發展，該技術已可用于打印大型建筑模型和建筑物、構筑物，也讓更多的人意識到3D打印建筑物引領的產業變革即將成為建筑行業未來的發展方向。伴隨著BIM技術中的三維建筑信息化模型推廣發展與應用，建筑3D打印技術與BIM的共同協作將會對整個建筑產業現代化的發展與轉變起到至關重要的作用。住建部2016年在《2016-2020 年建筑業信息化發展綱要》中明確要求針對建筑業要結合BIM技術進行建筑3D打印設備及材料的探索與研究。

1 ?研究現狀及意義

1.1 研究現狀

早在上世紀90年代國外就已出現最基本的3D快速成型技術，主要是利用CAD等軟件進行三維模型的繪制，然后逐層進行坐標分解，通過特殊的打印設備將金屬、樹脂等材料逐層進行打印麻將每一層的打印輪廓進行拼裝推進直至形成一個尺寸、形狀與三維模型一直的實體建筑[1]。近十年來，美國南加州大學B.Khoshnevis等人通過打印材料的試驗、有限元分析、輪廓工藝的建造等方式對多噴嘴輪廓工藝建造系統機械手臂無沖突運行路徑進行了分析研究。隨后英國LimS等人提出了層層堆積形成整體的混凝土3D打印技術。隨后2008年，D-shape建造方法的提出與實踐使得該技術直接用在太空基地的建設。相比國外，國內直到2013年我國學者以及部分企業才致力于建筑3D打印技術的研究與開發并取得了一定的成果。特別是上海盈創科技，在2014年便運用建筑3D打印技術在一天的時間內成功并快速的打印出10棟2層建筑[2]，如圖1所示。隨后2015年展出的西安首棟建筑3D打印別墅，從生產到搭建完成只用了十幾天的時間，這比傳統別墅修建時間節省了半年以上，大大節省了建筑中的時間成本和進度成本[3]。

早在上世紀80年，美國科學家就曾提出關于建筑模型等基本概念。2002年，Autodesk公司正式提出BIM的概念，即為Building Information Modeling。隨后美國推出了3D-4D-BIM的國家計劃并制定了相應的BIM應用指南及標準[4]。2010年至今，政府的支持與大批量日本的企業對BIM技術的應用使得日本很快時間內已基本全面普及BIM技術的應用。日本、韓國、馬來西亞、歐洲各國也在積極推進本土BIM技術的應用與本土標準的制定[5-6]。BIM在國外快速發展的同時，在國內BIM（建筑信息化模型）的理念也逐步成型。特別是在香港，BIM技術廣泛的用在地產開發、施工管理中。隨后的“十五”、“十一五”國家科技攻關計劃中BIM技術被列入重點支撐項目[7]。在國家政策下大量的設計院、地產開發商、高校研究所等紛紛成立BIM團隊，對BIM技術進行全方位的研究[8]。國內的南水北調工程、世博會中國館、等項目中都用到了全壽命周期下的BIM技術，圖2所示為南水北調中運用BIM技術建立的泵站模型。

1.2 研究意義

現如今傳統建筑行業中的高污染、高消耗、高成本問題日益嚴重，建筑3D打印技術與BIM信息化技術的提出與共同運用為上述問題提供了解決方法和技術支持。BIM技術不單單是一個3D建造模型的工具，它可以在全壽命周期中不同階段參與在建建筑的建造管理[9]。而3D建筑打印技術則可以在建造前提前對BIM3D模型進行打印，更加直觀的分析對比各種建筑設計方案選出最優解。BIM建造技術可以在虛擬的環境中模擬整個施工過程，而3D打印技術則可以打印出按要求比例縮放的、高精度忠于建筑的3D模型。招投標人員、施工人員均可以更加直觀的360°方位觀察目的建筑，進而發現并解決設計問題，還可以確定該項目的重難點所在[10]。隨著兩大技術逐漸的發展進步，混凝土3D打印機甚至可以直接等比例打印建筑實體結構，大大降低的建筑成本。因近乎全機械化施工，因此可以24小時不間斷打印施工、無模板施工，也就極大縮短了單位建筑的建造時間。建筑3D打印與BIM技術的結合使得項目各參與人員分工更條理、目的更明確。二者的共同工作，也會為整個建筑生命周期開辟一條低消耗、低成本的綠色環保快捷之路。

2 ?建筑3D打印中BIM技術的應用流程分析

工程流程指的是單項任務從問題提出到任務結束的完整過程。流程決定著該工程的工作思路及工作效益、效率。因此，設計并建立科學嚴謹的應用流程并保證該流程的準確行及可控制性至關重要。建筑3D打印中BIM技術的應用流程基本分為四個流程，如圖3所示。

2.1 構建三維數字化模型

建筑3D打印的首要前提就是搭建三維數字化BIM模型。根據項目要求及材質屬性等制定切實可行的3D模型的構建方案，在同一個BIM平臺中，使得建筑、結構、綠色、設備等專業協同工作[5]。在建好三維數字化模型的基礎上對建筑進行施工模擬、碰撞檢查等后期工序，一旦出現設計與施工相沖突等情況，可以直接在BIM信息化平臺中進行修改。BIM建模中常選用Revit、3dsMAX、SolidWorks等軟件進行建模，建模結束后可直接導出dwg和stl格式的模型文件與建筑3D打印機進行對接。

2.2 3D打印模型拆分及參數優化

將3D模型導入建筑3D打印機中后，就要具體考慮模型在打印過程中的實施過程。模型本身構件復雜、空間立體感強，一次打印成型的難度比較大。因此要把建筑3D打印的BIM模型進行模塊化拆分、打印比例的縮放[3]。建筑3D打印模型拆分及切片原理如圖4所示。

在拆分模型中要求：模塊化構件尺寸不應大于建筑3D打印的上限尺寸;降低打印懸臂構件的可能性;合理打印必要的構件支撐體等。對各個模塊化模型再進行分層切片處理和層片路徑劃分，拆分優化完畢后，分別導出stl格式文件以便下一步打印。

2.3 實施打印

建筑3D打印機器在開始正式打印前要進行校正、試打印。首先要保證打印臺面干凈整潔，耗材準備充足，確保機器打印過程的順利進行。對拆分的3D模型分批次進行逐次打印，在打印過程中要安排專職人員時刻監測打印機運行狀況及打印效果。如果打印過程中有意外狀況出現應及時暫停打印。每個模塊構件打印結束后，用小鏟刀輕輕鏟下并產出支撐構件。如果選用建筑混凝土3D打印機，還需要嚴格控制混凝土漿液的配合比、杜絕大顆粒粒料的出現，圖5所示為建筑3D打印機現場打印出的混凝土構件。

2.4 模型后期處理及上色

拆分打印出來的BIM模型單元還無法拼裝成一個整體，還需要進行打磨、刨光等后期處理工序。對分段打印的構件還需要把連接界面進行打磨處理，以便在膠粘的時候有更好的粘結效果。BIM三維模型中的每一個構件、每一個面都是附有材料屬性的，也對應著相應的顏色。為了讓三維模型外觀更有感官性，就要對打印好的模型進行上色處理，力求做到建筑3D打印模型的整體色彩效果與BIM三維模型中相一致，如圖6所示[9]。

3 ?建筑3D打印中BIM技術的應用范圍分析

3.1 三維立體化設計與打印

傳統的建筑設計出圖均為2D平面圖，建筑設計人員、施工人員都要靠自身的想象來進行施工等操作。就這樣在2D到3D的轉換過程中，設計意圖、尺寸等經常被錯誤解讀。BIM技術的三維模型技術可以直觀、準確的展現出各設計構件的尺寸、位置、材料屬性等重要參數。通過三維可視化的視角及漫游來發現設計中存在的問題，構件之間的不合理碰撞。隨后將BIM中的三維模型導入建筑3D打印機中，快速打印出設計階段初始模型，將設計從2D轉變到3D。設計人員通過對打印出的模型進行分析來進行下一步的設計修改或優化。

3.2 多方案的直接對比

在施工前、施工中，特別是在前期招投標階段，工作人員可以利用建筑3D打印技術打印出多個BIM模型。從BIM模型的導出到3D模型的打印成型只需要短短24小時，速度遠超過傳統雕刻模型方法。就這樣短時間內高效率的打印出多方案模型，對多個方案進行對比分析，查看各個方案的優缺點。圖7為某別墅設計中，陽臺欄桿方案的對比與選型。通過BIM+建筑3D打印來討論不同模型對應的工程及建筑未來場景，最終在多選擇中定出最佳方案，有效提高評審效率和質量[6]。

3.3 實體展示施工方案與進度部署

單位工程在施工過程中很難明確直觀的展示出施工流程。項目中就可以提前利用BIM技術建立施工中、竣工后的數字化模型，通過建筑3D打印機快速打印成型，就可以直觀的展示施工方案。在打印BIM模型時候，還可以通過對打印模型的不同著色來展示不同施工過程不同時段的劃分和部署情況。相比以往2D圖紙前的講解，BIM+3D打印的方式把施工方案和施工部署變得更加直觀化、更有說服力。BIM信息化模型可以查看建筑中任意平面圖、剖面圖、漫游動畫、整體渲染，施工單位人員與甲方人員監理人員溝通時更通透直觀。現如今隨著建筑3D打印技術的發展，一些建筑構件可以直接打印出來。這種直接打印出的建筑構件的尺寸標準等參數與BIM三維模型中的設計參數完全相符。等建筑構件批量打印生產出再運輸到施工現場，采用裝配式施工技術直接進行拼接安裝。圖8為BIM技術與3D打印技術共同建造的某市污水處理設備用房模型及現場的效果圖[10]。

3.4 異形構件打印

隨著我國經濟的快速化發展，建筑也從傳統的方塊形狀逐漸向多樣性進行轉變。為能達到預想的建筑個性化，建筑師在結構外形、材質或裝飾上下足了功夫。個性化建筑內包含的各種異形構件、板殼結構構件、負責的薄壁構件反而給結構工程師及施工人員帶來了大量的挑戰。建筑3D打印的最大優勢就在于無需模具拼裝直接對復雜異形構件的打印，如圖9所示。3D打印的特點是多個2D界面輪廓的逐層疊加，構件越復雜就越能體現出快速化、精細化打印的優越性。而BIM三維信息化模型也就給建筑3D打印提供了前期根本的數據與技術支持。運用建筑3D打印+BIM技術還可以直接打印復雜鋼筋模型用來演示鋼筋施工順序，使得各方工作人員溝通更暢通。

4 ?結論

現如今建筑行業逐漸由粗獷化施工、高資源消耗和高噪聲污染向精細化施工、低耗能、低污染方向轉變。建筑3D打印技術與BIM技術的協同與結合給現代建筑行業指引出一條嶄新道路。建筑3D+BIM技術應用中建設方案的選擇、施工具體部署與進度部署、復雜構件的打印等都讓建筑全壽命周期中的各個環節變的立體化和具體化。對二者協同工作過程的分析使得建筑3D打印+BIM技術更規范化。這兩種新技術的集成應用在今后的研究和應用中展現出了廣闊應用前景，也會逐漸從個性化小數量的建筑轉變到大批量、高效率和低成本的3D打印裝配式建筑中去。未來建筑3D打印+BIM技術的應用和推廣的發展趨勢是無法阻擋的。

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