建筑工程BIM+3D打印融合技術的應用探討

周 意 曾治國 單立鋒 劉著群 楊 鵬

（湖南省第二工程有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

建筑行業是我國經濟的支柱產業，但隨著國內人口紅利消失，其低科技、高人力、安全性低、環境污染大等弊端逐漸凸顯。如何實現建筑業高質量、可持續的發展已經成為了目前亟待解決的問題。隨著科技的發展和進步，BIM 技術與3D 打印技術開始被應用到建筑業中，兩者的結合不僅象征著建筑行業向數字化、信息化的轉變，且相較于傳統建筑業而言，具有低成本、建設周期短、高質量等優點。本文就建筑工程BIM+3D打印融合技術的應用進行探討。

1 技術簡介

1.1 BIM技術

BIM 技術即建筑信息模型，通過三維數字化、信息化技術將建筑物信息具體化，采集與整合建筑物各方信息，構建信息數據庫，具有可視化、協調性、模擬性與優化性等優點。BIM 技術在我國已發展了十余年，在國家先后發布的如《關于促進建筑業持續健康發展的意見》等一系列政策扶持下，BIM 技術在建筑行業內得到了廣泛的推廣和應用。如國家會展中心、天津117大廈、上海中心大廈等項目都是BIM 應用的成功案例[1]。BIM 技術在項目建設中發揮了重要的作用，實現了項目成本節約、管理提升、標準建設等目標。

1.2 3D打印技術

3D 打印技術，即增材制造（Additive Manufaceturing），其原理是根據三維數字模型，利用混凝土、塑料或金屬等可塑性強的材料，通過逐層打印、熔鑄或堆積等方式來制造構件。目前3D 打印技術常用的制造方式有熔融沉積[2]、三維成型[3]、數字光處理[4]等。區別于傳統制造技術，無需胚模具，可直接根據數字模型打印出實體，具有優化構件制造流程、縮短制造周期、降低成本的特點。

1.3 BIM+3D打印技術融合

BIM 技術與3D 打印技術的信息化融合是一種建筑行業顛覆性的創新，兩者融合可各取所長，充分利用數字化、信息化技術的優勢，在建筑行業發展過程中形成一種新的理論和方法。其原理與流程是根據BIM 技術建立數字化三維模型并轉化成STL 文件，采用數據處理系統將STL 文件進行轉換，對模型進行優化并生成打印路徑，最后形成打印代碼通過3D 打印技術控制系統打印出構造物或構件。同時在控制系統打印過程中全程可通過BIM 技術管理系統監控，實現生產過程質量、成本和進度的協調性可視化的管理。

2 BIM+3D打印技術在建筑行業的應用

3D 打印技術在我國發展的時間還不是很長，主要在航空航天、醫療、汽車等領域得到了廣泛的應用。受技術的限制，目前BIM+3D打印技術在建筑行業的應用還處于初期探索階段，主要應用于打印一些建筑幕墻裝飾、異形混凝土構件等。而隨著國內外開展了大量3D 打印技術實際工程的嘗試和探索，也取得了一些成功的案例，如國外迪拜政府大樓，首座采用BIM+3D 打印技術結合建造的辦公大樓，整個建造周期約19 日[5]；意大利米蘭首個3D打印混凝土房屋，由35個混凝土模塊組成，整個打印過程僅花費了48h，并可以進行拆卸和組裝；在國內，盈創建筑科技公司在2015 年成功打印了地上5 層地下1 層的3D 建筑，該建筑為框架結構，突破了3D 打印技術無法適應高層建筑的限制[6]。眾多成功的案例說明BIM+3D 打印技術在建筑行業的可行性是很高的，且隨著我國對建筑行業綠色可持續的發展要求越來越高，BIM+3D 打印技術以其低污染、高質量、周期短和人力資源少等特點必將成為建筑業發展的新趨勢。

此外，國內清華大學、上海交通大學、同濟大學等國內一大批院校和學者相繼開展對BIM+3D 打印技術的研究。雖然目前理論研究、相關標準等仍處于初級萌芽階段，但BIM+3D打印技術已受到了行業非常高的關注。

3 基于BIM+3D打印技術實例

BIM 技術在我司工程項目上應用基本已達到全覆蓋水平，但BIM+3D 打印技術融合應用非常少，為探索兩者結合的優勢，我司特在一項工程上使用了該技術，通過實踐運用并總結科技成果獲得實用新型專利一項（ZL202221485521.7）。

3.1 技術背景

在我國的海南島，地處低緯度地區，陽光毒辣，工人的防暑防曬是重要的工作之一。另外，海南島臨近海岸，受海風侵蝕，材料容易銹蝕、失去效用。目前，施工場地圍護結構一般采用磚墻、混凝土墻鋼板圍擋等形式，但這些圍擋方式均存在一些不足，如施工麻煩，效率低，耗費人力，而且拆除后很難再重復利用，造成資源浪費。鑒于此，我司基于BIM+3D打印技術研發了一種3D 打印模塊化可重復利用的圍護擋板并申請了國家實用新型專利，不僅有效地解決了上述問題，同時是我司首次在項目上應用BIM+3D打印技術，獲取了寶貴的經驗，期望能加速對建筑新路的探索。

3.2 圍護擋板設計

3.2.1 圍護擋板介紹

從圖1~圖3 可知，一種3D 打印模塊化可重復利用的圍擋，包括拼接板、鋼骨架，拼接板固定在鋼骨架上。其中拼接板包括拼接板本體與內外透氣孔，外側透氣孔為圓錐形，內側透氣孔為圓筒形且透氣孔伸出拼接板本體65~75mm。

圖1 拼接板示意圖

圖2 3D打印圍護擋板整體示意圖

圖3 拼接板BIM模型圖

3.2.2 圍護擋板特點

（1）3D打印材質為廢棄塑料，屬于資源回收利用，符合綠色施工的要求，且在材料本身節省了大筆費用，降低了成本。

（2）拼接板采用BIM+3D打印技術制造，可達到集成化生產，縮短了產品制造周期，提高產品質量。另外，該產品結構簡單，生產、施工非常方便，過程中基本上不產生廢棄物，減少了對環境的影響，且方便重復利用、維修和回收處理。

（3）拼接板上設置了內外透氣孔，在使用過程中，自然風吹入拼接板外側圓錐形透氣孔，進入內側圓筒形透氣孔內，面積減小，流速增加，可達到一定的降溫效果，適用于天氣炎熱需要防暑的地區。

（4）不僅適用于施工場地臨時圍護結構，同時適用于鋼筋棚、板房等需要圍護擋板結構的場所。

3.3 BIM+3D打印流程

首先根據設計圖紙采用Autodesk revit建模軟件建立三維模型，導出FBX 格式文件至Autodesk 3dmax 中進行二次處理，然后再轉換生成STL 文件，由3D 打印機數據處理系統（CURA）進行識別并調整模型的大小與精度，規劃打印路徑。過程中BIM 模型任何信息的變化在3D 打印數據處理系統與之對應的信息也會發生改變，并能在BIM 技術管理系統直接顯示，可達到及時修改與監控的效果。

在打印路徑規劃完成后生成相應的打印代碼并驅動3D 打印設備控制系統進行打印。3D 打印設備控制系統包括泵送裝置、機械臂控、噴嘴等，打印材料進入泵送裝置后，根據打印代碼指令，機械臂控運行帶動噴嘴將BIM 模型進行逐層疊加打印，形成預制圍護擋板實體。在控制系統運行的整個過程，打印數據能同步反饋至BIM 數據顯示系統中，對構件打印過程中的狀態、數據進行實時分析，實現對構件生產的安全、質量與成本的動態化、可視化管理。打印完成后，對產品厚度、質量、尺寸、強度等方面進行檢查，尤其對于透氣孔的孔徑、內側透氣孔伸出長度實行全檢制度。

BIM+3D打印流程圖見圖4所示。

圖4 BIM+3D打印流程圖

3.4 應用概況

3D打印圍護擋板目前已應用于我司海南工程項目上，相較于傳統的磚、混凝土圍擋，該產品具有質地輕盈，施工方便，周期短，成本低等特點。與現在市面上常用的PVC圍擋、彩鋼板圍擋相比，更不易損壞，重復利用率更高，且損壞部分維修方便，廢棄材料可回收處理循環使用。同時，其內外透氣孔的設計對改善施工環境起到了一定的作用，受到了工人與項目業主的一致認可。總的來說，應用效果表明3D打印圍護擋板在經濟、現場應用、綠色施工等各方面都具有較高的可行性。

為進一步推廣應用3D 打印圍護擋板在項目上的廣泛應用，探索BIM+3D 打印技術在材料、成本和工期等各個方面的可行性與實用性，擬采用BIM+3D打印技術建造具有3D 打印圍擋的鋼筋棚、臨時食堂。目前已完成BIM 軟件模型建立（如圖5~圖6 所示），因需考慮到構造物的安全與材質穩定的問題，下一步將借助ANSYS等軟件完成模型、構件材料的力學性能分析，在保證構造物安全穩定的情況下實現3D打印建造。

圖5 鋼筋棚BIM模型圖

圖6 臨時食堂BIM模型圖

4 結束語

BIM 和3D 打印技術是建筑行業綜合性前沿技術，兩者結合是建筑信息化、智能化的創新，必將引領建筑業改革升級。在大力推行建筑行業高質量、綠色、智能化發展的背景下，BIM+3D打印技術必將是建筑行業轉型升級的重要方向，我們應積極探討BIM+3D打印技術在建筑行業的研究和推廣。

我司基于BIM+3D打印技術成功研發了一種3D打印可重復利用的施工圍擋并取得了良好的效果，同時也發現目前存在的一些不足之處，總結如下：

（1）BIM 技術與3D 打印技術的銜接不夠成熟，在數據模型轉換與識別的過程中，BIM 模型文件需轉化為STL 文件格式，而不能直接由BIM Revit 模型格式文件直接轉換為3D 打印格式軟件，這容易出現數據缺失的現象，對后期構件質量產生不利的影響。

（2）現有3D 打印技術是通過噴嘴擠出材料，進行逐層疊加打印，實現模型的實物化，而3D 材料一般采用抗剪性能較差的水泥基、塑料等，缺少如鋼材抗剪性能較強的材料，在構造物重要受力部位難以適用。

（3）國家雖然對BIM 和3D 打印技術有政策上的鼓勵，但至今未有權威部門發布相關可供參考的標準，以至于在設計、施工、驗收等過程中沒有支撐依據。

（4）3D 打印技術屬于綜合性前沿技術，理論和操作上較為復雜，而如今的高校、社會職業培訓機構幾乎沒有開展3D 打印技術的培訓和宣貫。同時3D 打印技術的研發需要大量的經費作為支撐，導致專業技術人才短缺。

總的來說，未來BIM+3D 打印技術應從材料、軟件、培訓等方面繼續探索和努力，盡快實現建筑行業向數字化、信息化、智能化的轉變。