基于BIM 和3D 打印的裝配式裝修綠色施工應用實踐

李森萍 陳普華 馮建行 韋力奮

（1 廣東碧桂園職業學院；2 廣東誠加裝飾設計工程有限公司）

0 引言

國內經濟社會快速發展，人民生活水平日益改善，人民對生活品質的要求逐漸提高。建筑業中傳統裝修帶來的施工工期長、濕作業質量風險大、工種勞動力需求多、維護和替換耗材浪費大、環保程度低等問題，已不能滿足現代社會的發展需求。2018 年2 月，住房城鄉建設部在發布實施的《裝配式建筑評價標準》中提出：推進裝飾裝修與主體結構的一體化發展，推廣全裝修，鼓勵裝配式裝修[1]。裝配式裝修具備工期短、干作業施工、工種勞動力需求少、耗材浪費少、環保程度高等優勢，完全符合綠色施工理念，是未來裝修行業發展的一種新趨勢。BIM 和3D 打印技術作為現代信息技術手段，如何有效保證裝配式裝修綠色施工的實施效果，是本研究的重點。

1 裝配式裝修與綠色施工

1.1 裝配式裝修

裝配式裝修是以部品部件（按照標準化設計要求，在工廠集中加工生產好）的形式，在施工現場進行組合安裝，主要涵蓋裝配式地坪體系、裝配式墻面、裝配式吊頂等，具備以下四大特性：

⑴標準化設計：裝修設計、建筑設計采用一體化的模數；對建筑、管線等與裝修進行碰撞檢查。

⑵工業化生產：在工廠集中加工生產的部品部件，其型號規格、設計標準做到統一。

⑶裝配化施工：采用施工現場組合安裝，通過管理規范施工現場安裝的工藝流程。

⑷信息化協同：部品部件實現模塊化、標準化和模數化，將部品部件的配送與現場施工的進度進行協同，將部品部件的工廠制造與施工現場實測數據進行協同。

與傳統裝修相比，裝配式裝修在工期、工藝品質、工序流程、維護和替換、環保程度方面，具備明顯優勢，具體如表1 所示。

表1 裝配式裝修和傳統裝修對比

1.2 綠色施工

綠色施工是指工程建設中一種能夠節約資源與保護環境的施工活動，以“四節一環保”為基本約束，以“以人為本”為核心要求，對建筑的安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居等方面的性能進行綜合評價[2]。綠色施工具備以下三大特性[3]：

⑴環境友好性：綠色施工有效解決建筑業發展和生態環境保護之間存在的矛盾，不生搬硬套技術或經驗，而是因地制宜，從所處環境實際情況出發，合理利用當地自然條件。

⑵可持續發展性：在可持續發展理念基礎上，進行施工生產或項目管理活動，通過在生產模式以及管理理念方面的提升和創新，做到保護環境、節約能源。

⑶系統性：施工過程作為建筑全生命周期中一部分，綠色理念貫穿于施工過程各子環節，減少單位或部門之間的問題碰撞和內部消耗，從而顯著提高項目生產效率。

裝配式裝修徹底改變傳統裝修模式，體現出施工工序簡單，干作業、裝配式施工，減少對資源和能源的浪費的優點，符合綠色施工資源節約理念。

2 BIM、3D 打印技術在裝配式裝修綠色施工中的應用

2.1 BIM技術在裝配式裝修綠色施工中的應用

BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技術，2002 年在國外首次提出，目前已得到國內外的廣泛認可，可以實現將建筑的全生命周期建筑信息，全部集成在一個三維BIM 模型的數據庫中，各參建單位人員都可以基于BIM 技術，在同一個平臺上進行工作協同，從而切實有效提高工作效率、降低成本、節省資源和能源，實現可持續發展[4]。

2.1.1 BIM 施工模擬

BIM 施工模擬是指實際施工過程在計算機上的虛擬實現，利用BIM 建模軟件（目前常用的有Revit、Tekla、Bentley 等），創建出建筑物的三維BIM 模型，以及施工模擬環境。與傳統施工方案編制方式不同，能夠以實時、交互和直觀形象的模擬形式，實現對已有的施工方案進行驗證和不斷完善。

BIM 施工模擬操作流程如圖1 所示。對裝配式裝修施工過程進行BIM 施工模擬，可以提前了解到一些可能在實際施工過程中出現的技術、質量、安全等方面的問題，提前想好應對措施，避免和減少后續正常施工過程中可能出現的返工、資源浪費等不利現象，進而優化好施工方案，合理配置施工資源，節省施工成本，加快施工進度，控制施工質量[5～6]，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖1 基于BIM 的施工模擬體系流程

2.1.2 BIM 施工技術交底

在建筑業中，正式施工前，施工企業相關專業技術人員要向參與現場施工的人員進行施工技術交底（是一項非常重要的技術管理工作），可以使參與現場施工的人員掌握工程項目的施工重難點、技術性要求、工藝流程、施工方法、施工措施等，便于后續科學有序地組織現場施工，保證施工質量，避免生產安全事故的發生[7]。

然而，傳統的裝配式裝修施工技術交底，屬于一維、二維層次，會顯得很抽象，復雜的節點構造很難得到精確表達，基于BIM 模型的施工技術交底（一般步驟如圖2 所示），則屬于三維層次，可以有效提高裝配式裝修施工技術交底內容的直觀性和精確度，極大提高工作效率，接受交底的現場安裝人員也能很快理解施工方案和設計方案，施工工藝的執行更加徹底，減少對資源和能源的浪費，保證綠色施工的實施效果。

圖2 基于BIM 模型施工技術交底一般步驟

2.2 3D 打印技術在裝配式裝修綠色施工中的應用

3D 打印（3D Printing）技術可以實現讓實體物品從無到有，常稱“增材制造”（傳統的制造方式為“減材制造”），屬于一種快速成型技術[8]，基于三維模型，采用木塑、金屬、碳纖維、尼龍等3D 打印耗材，在3D 打印機上通過逐層打印方式形成模型整體，目前也可利用光固化成形，對應的3D 打印耗材多為液體狀的光敏樹脂。

2.2.1 3D 打印節點構造

要進行節點構造的3D 打印，首先需要在Revit、Solidworks、UG 等三維建模軟件中創建好所需的節點構造三維模型，經過格式轉換，然后進行3D 打印，具體打印流程如圖3 所示。

圖3 3D 打印流程

借助3D 打印機，通過調整節點構造模型打印比例，可以打印出1:1 實體節點構造模型，或者放大、縮小版實體節點構造模型,占據成本低，可作為企業管理費支出。3D 打印節點構造模型可用于裝配式裝修施工前的施工模擬，進行材料材質、規格型號、數量的準確確定，實現合理配置施工資源，加快施工進度，節省施工成本，控制施工質量[9]，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

2.2.2 3D 打印施工材料

PLA（聚乳酸，polylactic acid）作為3D 打印的常用耗材，是一種使用可再生的植物資源（如木薯、玉米等農作物）所提取的淀粉原料制成[10]。PLA 易被土壤中的微生物降解，生成對環境不產生污染的CO2和水，可以說是一種綠色環保材料。

在裝配式裝修施工中，對于那些非受力部位的施工材料，且存在施工材料用量較少、按常規施工難度大且觀感效果差等情況時，可以采用BIM 技術建模，然后借助3D 打印技術，采用綠色環保材料--PLA，將該部位施工材料3D 打印出來，然后進行現場安裝，減少切割、節省材料、環保程度高，保證綠色施工的實施效果。

3 實際工程項目應用實踐

以校內實際工程項目--裝飾信息化創想工作室地面改造裝修工程為例，進行基于BIM 和3D 打印的裝配式裝修綠色施工的應用實踐。裝飾信息化創想工作室建筑面積120m2，利用常規教室改造而成，其中主要是對地面進行改造，地面采用防靜電地板裝配式裝修綠色施工。

圖4 裝飾信息化創想工作室

3.1 BIM 施工模擬

防靜電地板安裝施工前，按照圖1 中基于BIM 的施工模擬體系流程，創建裝飾信息化創想工作室BIM 模型（如圖5 所示），對地面進行精細化建模（單獨創建支架、龍骨、螺桿、面板等族文件），然后對防靜電地板裝配式裝修綠色施工進行全真模擬。能預知防靜電地板實際安裝過程中可能遇到墻面不方正、基層地面不平、現有內開門不能正常開啟等問題，事先做好一定的預案，避免和減少返工以及資源浪費不利現象，優化施工方案，實現合理配置施工資源，節省施工成本，加快施工進度，控制施工質量的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖5 裝飾信息化創想工作室BIM 模型

3.2 BIM 施工技術交底

防靜電地板安裝施工前，按照圖2 中基于BIM 模型技術交底一般步驟，創建防靜電地板BIM 三維模型（如圖6 所示，由支架、龍骨、螺桿、面板等族文件組成），然后形成交底文件資料，利用校內投影設備，面向現場管理和安裝人員，進行可視化技術交底，有效提高防靜電地板裝配式裝修施工技術交底內容的直觀性和精確度，極大提高工作效率。現場的安裝人員可以很快理解施工方案和設計方案，施工工藝的執行更加徹底，減少對資源和能源的浪費，有效保證施工目標的順利實現和綠色施工的實施效果。

圖6 防靜電地板BIM 三維模型

3.3 3D 打印節點構造

防靜電地板安裝施工前，按照圖3 中3D 打印流程，打印出1:1 防靜電地板實體節點構造模型（如圖7 所示，考慮面板過大，只打印局部），用于防靜電地板裝配式裝修施工前施工模擬，進行防靜電地板面板、支架、龍骨等材料（材質、規格型號）的選型、材料數量的準確確定，實現合理配置施工資源，加快施工進度，節省施工成本，控制施工質量，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖7 防靜電地板3D 打印實體模型

3.4 3D 打印施工材料

防靜電地板裝配式裝修施工中，收邊條作為非受力部位的施工材料，且存在施工材料用量較少，按常規施工采用金屬壓條施工難度大、造價高且觀感效果差等情況，可以先采用BIM 技術創建精準三維模型，然后借助3D 打印技術，采用綠色環保材料--PLA，將施工材料收邊條3D 打印出來（如圖8 所示，得到3D 打印一體化陽角收邊條），然后進行現場安裝（安裝效果如圖9 所示），可以減少切割、節省材料、降低造價、環保程度高，保證綠色施工的實施效果。

圖8 3D 打印一體化陽角收邊條

圖9 3D 打印一體化陽角收邊條安裝效果

4 結論

裝配式裝修具備施工工序簡單，干作業、裝配式施工，減少對資源和能源的浪費等特點，符合綠色施工資源節約理念，是未來裝修行業發展的一種新趨勢。靈活應用BIM 和3D 打印現代信息技術，具體通過BIM 施工模擬、BIM 施工技術交底、3D 打印節點構造、3D 打印施工材料等方式，可以有效保證裝配式裝修綠色施工的實施效果，較好地解決傳統裝修施工帶來的施工工期長、施工環境差、耗材浪費大、環保程度低等弊端，為裝配式裝修綠色施工實際應用提供技術支持。