BIM與3D打印應用模式的探究

章偉豪 劉欣欣

摘要：文章以造型復雜建筑物的施工為切入點，將BIM技術與3D打印技術相結合，探討“BIM+3D打印”新型模式，從材料性能和成本費用方面對該模式進行可行性探究。分析了該模式在實際應用中的價值和問題。

Abstract： The article takes the construction of complex buildings as the entry point， combines BIM technology with 3D printing technology， discusses the new model of “BIM+3D printing”， and explores the feasibility of this model in terms of material performance and cost. The value and problems of this model in practical applications are analyzed.

關鍵詞：BIM技術;3D打印;成本;造型復雜;價值

Key words： BIM technology;3D printing;cost;complex;value

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0225-03

0? 引言

隨著人民日益增長的物質文化需求，建筑物的功能已經不單單局限于為人們提供居住，設計師賦予建筑物的設計語言也使建筑物造型愈發美觀靈動。外觀新穎、吸引眼球、打破常規的設計成為當前功能性建筑物的流行趨勢，這類建筑造型獨特，具有不可復制性，并且內部結構復雜，異形構件繁多，無先例可供參考。在2018年3月召開的“兩會”上，政府工作報告明確指出“大力改造提升傳統產業，加強智能化制造，推進污染防治取得更大成效”[1]。這一理論的提出，充分肯定了BIM技術的發展前景。

目前，作為工業組成部分之一的建筑業，發展速度相比制造業仍顯落后。造成這一差距的主要原因之一便是BIM等先進技術的應用大部分是各司其職，相互獨立，各技術之間缺乏配合與輔助。在施工過程中，除了依靠BIM軟件對建筑物進行信息技術方面的支撐，也需要創新施工技術來完成建造任務。若能輔助提高復雜施工現場與三維模型之間的認識關系，對建筑業對BIM技術應用深度會有顯著提高。

本文通過精細的文獻調研，分析了BIM技術和3D打印技術應用在施工過程中的成本材料優勢并指出該模式下現今仍需要研究的問題。

1? “BIM+3D打印”模式的建立

BIM技術的出現，首先解決了二維圖紙平面化的抽象概念。在復雜結構節點的施工中，土建工程的模板及其支撐體系、鋼筋曲率以及施工作業平臺的空間都制約著建設過程的順利進行，不規則結構支模板工序繁瑣，傳統模板不可二次利用，浪費材料，使高空作業的程序復雜，工地現場的安全性降低，而3D打印技術的出現，為異形結構的施工提供了可供參考的解決方案。同樣，在機電安裝工程中，管線排布也是施工的重難點，使用BIM建立管綜模型后，利用3D打印機打印出效果模型，工人在安裝之前可以自己動手拼裝模型，了解設備的安裝，設備的定位，以實物模型指導機電的安裝，提高了現場作業的效率。

將BIM與3D打印技術相結合，應用于建筑生產領域，以BIM模型搭建的數據庫為核心，通過與3D打印機控制系統相連接，實現由三維虛擬模型向實物的智能轉化，這一組合模式的構建，滿足了異形構件和機電安裝的施工需求，同時，也為處于建筑行業盈利水平末端的施工企業，提高了營業收入，增加了降低安全風險的途徑，是改善施工企業生產經營狀況的重要方式之一。因此“BIM+3D打印”模式是值得研究和分析的。

2? 3D打印技術的可行性分析

2.1 3D打印建筑材料的可行性分析

3D打印建筑材料的研發是實現建筑物實體的核心技術。目前，國外已有部分學者就3D打印建筑材料進行了嘗試性研發，如荷蘭專家采用樹脂及塑料類材料進行研發;美國專家采用樹脂砂漿類、黏土類、混凝土類材料進行試驗。通常情況下，3D打印材料主要分為四類：塑料，金屬，陶瓷和蠟等[2]，這些材料成本高，力學性能差，且不環保應用于建筑物以后宜居性差。

有兩種材料適合作為3D打印的原材料，一種是水泥基復合材料（Fiber-Rein-Force Concrete，以下簡稱FRC）具備制作建筑承壓構件的前提條件，它在豎直堆積性能、材料強度上比較符合目前混凝土結構構件的特點;另一種是以經過加工研磨后廢棄混凝土和煤渣作為原材料，其主要作用于建筑物的裝飾性構件[3]。

3D打印建筑結構的力學性能在宏觀方面主要受制于以下兩個影響因素：第一是材料自身的性能，;第二是由于3D打印機的工作原理屬于分層疊加形式，在材料強度固定的情況下削弱了結構的整體性能，在抗剪切力破壞中存在薄弱環節。

如何使其在沒有鋼筋的配合下保持抗剪切力破壞，目前主要方法是通過摻加玻璃纖維、復合纖維等材料增加抗拉性能，雖然與鋼筋混凝土結構的抗剪切性能有一定差距，但作為建筑裝飾性部位的非承重結構，強度上仍然滿足要求。3D打印建筑材料由于還沒有形成固定的標準，對大多數有關材料性能的探究仍處于試驗階段[4][5]。