建筑工程BIM+3D打印融合技術(shù)的應(yīng)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(zhǎng)沙 410000）

0 引言

建筑行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，但隨著國內(nèi)人口紅利消失，其低科技、高人力、安全性低、環(huán)境污染大等弊端逐漸凸顯。如何實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)的發(fā)展已經(jīng)成為了目前亟待解決的問題。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，BIM 技術(shù)與3D 打印技術(shù)開始被應(yīng)用到建筑業(yè)中，兩者的結(jié)合不僅象征著建筑行業(yè)向數(shù)字化、信息化的轉(zhuǎn)變，且相較于傳統(tǒng)建筑業(yè)而言，具有低成本、建設(shè)周期短、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。本文就建筑工程BIM+3D打印融合技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 BIM技術(shù)

BIM 技術(shù)即建筑信息模型，通過三維數(shù)字化、信息化技術(shù)將建筑物信息具體化，采集與整合建筑物各方信息，構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性與優(yōu)化性等優(yōu)點(diǎn)。BIM 技術(shù)在我國已發(fā)展了十余年，在國家先后發(fā)布的如《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》等一系列政策扶持下，BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。如國家會(huì)展中心、天津117大廈、上海中心大廈等項(xiàng)目都是BIM 應(yīng)用的成功案例[1]。BIM 技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目成本節(jié)約、管理提升、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等目標(biāo)。

1.2 3D打印技術(shù)

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

1.3 BIM+3D打印技術(shù)融合

BIM 技術(shù)與3D 打印技術(shù)的信息化融合是一種建筑行業(yè)顛覆性的創(chuàng)新，兩者融合可各取所長(zhǎng)，充分利用數(shù)字化、信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在建筑行業(yè)發(fā)展過程中形成一種新的理論和方法。其原理與流程是根據(jù)BIM 技術(shù)建立數(shù)字化三維模型并轉(zhuǎn)化成STL 文件，采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將STL 文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化并生成打印路徑，最后形成打印代碼通過3D 打印技術(shù)控制系統(tǒng)打印出構(gòu)造物或構(gòu)件。同時(shí)在控制系統(tǒng)打印過程中全程可通過BIM 技術(shù)管理系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量、成本和進(jìn)度的協(xié)調(diào)性可視化的管理。

2 BIM+3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)在我國發(fā)展的時(shí)間還不是很長(zhǎng)，主要在航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。受技術(shù)的限制，目前BIM+3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用還處于初期探索階段，主要應(yīng)用于打印一些建筑幕墻裝飾、異形混凝土構(gòu)件等。而隨著國內(nèi)外開展了大量3D 打印技術(shù)實(shí)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(shù)結(jié)合建造的辦公大樓，整個(gè)建造周期約19 日[5]；意大利米蘭首個(gè)3D打印混凝土房屋，由35個(gè)混凝土模塊組成，整個(gè)打印過程僅花費(fèi)了48h，并可以進(jìn)行拆卸和組裝；在國內(nèi)，盈創(chuàng)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(jié)構(gòu)，突破了3D 打印技術(shù)無法適應(yīng)高層建筑的限制[6]。眾多成功的案例說明BIM+3D 打印技術(shù)在建筑行業(yè)的可行性是很高的，且隨著我國對(duì)建筑行業(yè)綠色可持續(xù)的發(fā)展要求越來越高，BIM+3D 打印技術(shù)以其低污染、高質(zhì)量、周期短和人力資源少等特點(diǎn)必將成為建筑業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

此外，國內(nèi)清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等國內(nèi)一大批院校和學(xué)者相繼開展對(duì)BIM+3D 打印技術(shù)的研究。雖然目前理論研究、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等仍處于初級(jí)萌芽階段，但BIM+3D打印技術(shù)已受到了行業(yè)非常高的關(guān)注。

3 基于BIM+3D打印技術(shù)實(shí)例

BIM 技術(shù)在我司工程項(xiàng)目上應(yīng)用基本已達(dá)到全覆蓋水平，但BIM+3D 打印技術(shù)融合應(yīng)用非常少，為探索兩者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，我司特在一項(xiàng)工程上使用了該技術(shù)，通過實(shí)踐運(yùn)用并總結(jié)科技成果獲得實(shí)用新型專利一項(xiàng)（ZL202221485521.7）。

3.1 技術(shù)背景

在我國的海南島，地處低緯度地區(qū)，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(fēng)侵蝕，材料容易銹蝕、失去效用。目前，施工場(chǎng)地圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fèi)人力，而且拆除后很難再重復(fù)利用，造成資源浪費(fèi)。鑒于此，我司基于BIM+3D打印技術(shù)研發(fā)了一種3D 打印模塊化可重復(fù)利用的圍護(hù)擋板并申請(qǐng)了國家實(shí)用新型專利，不僅有效地解決了上述問題，同時(shí)是我司首次在項(xiàng)目上應(yīng)用BIM+3D打印技術(shù)，獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，期望能加速對(duì)建筑新路的探索。

3.2 圍護(hù)擋板設(shè)計(jì)

3.2.1 圍護(hù)擋板介紹

從圖1~圖3 可知，一種3D 打印模塊化可重復(fù)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(nèi)外透氣孔，外側(cè)透氣孔為圓錐形，內(nèi)側(cè)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(hù)擋板整體示意圖

圖3 拼接板BIM模型圖

3.2.2 圍護(hù)擋板特點(diǎn)

（1）3D打印材質(zhì)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(jié)省了大筆費(fèi)用，降低了成本。

（2）拼接板采用BIM+3D打印技術(shù)制造，可達(dá)到集成化生產(chǎn)，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)、施工非常方便，過程中基本上不產(chǎn)生廢棄物，減少了對(duì)環(huán)境的影響，且方便重復(fù)利用、維修和回收處理。

（3）拼接板上設(shè)置了內(nèi)外透氣孔，在使用過程中，自然風(fēng)吹入拼接板外側(cè)圓錐形透氣孔，進(jìn)入內(nèi)側(cè)圓筒形透氣孔內(nèi)，面積減小，流速增加，可達(dá)到一定的降溫效果，適用于天氣炎熱需要防暑的地區(qū)。

（4）不僅適用于施工場(chǎng)地臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)適用于鋼筋棚、板房等需要圍護(hù)擋板結(jié)構(gòu)的場(chǎng)所。

3.3 BIM+3D打印流程

首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙采用Autodesk revit建模軟件建立三維模型，導(dǎo)出FBX 格式文件至Autodesk 3dmax 中進(jìn)行二次處理，然后再轉(zhuǎn)換生成STL 文件，由3D 打印機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（CURA）進(jìn)行識(shí)別并調(diào)整模型的大小與精度，規(guī)劃打印路徑。過程中BIM 模型任何信息的變化在3D 打印數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與之對(duì)應(yīng)的信息也會(huì)發(fā)生改變，并能在BIM 技術(shù)管理系統(tǒng)直接顯示，可達(dá)到及時(shí)修改與監(jiān)控的效果。

在打印路徑規(guī)劃完成后生成相應(yīng)的打印代碼并驅(qū)動(dòng)3D 打印設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行打印。3D 打印設(shè)備控制系統(tǒng)包括泵送裝置、機(jī)械臂控、噴嘴等，打印材料進(jìn)入泵送裝置后，根據(jù)打印代碼指令，機(jī)械臂控運(yùn)行帶動(dòng)噴嘴將BIM 模型進(jìn)行逐層疊加打印，形成預(yù)制圍護(hù)擋板實(shí)體。在控制系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程，打印數(shù)據(jù)能同步反饋至BIM 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)中，對(duì)構(gòu)件打印過程中的狀態(tài)、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)的安全、質(zhì)量與成本的動(dòng)態(tài)化、可視化管理。打印完成后，對(duì)產(chǎn)品厚度、質(zhì)量、尺寸、強(qiáng)度等方面進(jìn)行檢查，尤其對(duì)于透氣孔的孔徑、內(nèi)側(cè)透氣孔伸出長(zhǎng)度實(shí)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(yīng)用概況

3D打印圍護(hù)擋板目前已應(yīng)用于我司海南工程項(xiàng)目上，相較于傳統(tǒng)的磚、混凝土圍擋，該產(chǎn)品具有質(zhì)地輕盈，施工方便，周期短，成本低等特點(diǎn)。與現(xiàn)在市面上常用的PVC圍擋、彩鋼板圍擋相比，更不易損壞，重復(fù)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(huán)使用。同時(shí)，其內(nèi)外透氣孔的設(shè)計(jì)對(duì)改善施工環(huán)境起到了一定的作用，受到了工人與項(xiàng)目業(yè)主的一致認(rèn)可。總的來說，應(yīng)用效果表明3D打印圍護(hù)擋板在經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、綠色施工等各方面都具有較高的可行性。

為進(jìn)一步推廣應(yīng)用3D 打印圍護(hù)擋板在項(xiàng)目上的廣泛應(yīng)用，探索BIM+3D 打印技術(shù)在材料、成本和工期等各個(gè)方面的可行性與實(shí)用性，擬采用BIM+3D打印技術(shù)建造具有3D 打印圍擋的鋼筋棚、臨時(shí)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(gòu)造物的安全與材質(zhì)穩(wěn)定的問題，下一步將借助ANSYS等軟件完成模型、構(gòu)件材料的力學(xué)性能分析，在保證構(gòu)造物安全穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)3D打印建造。

圖5 鋼筋棚BIM模型圖

圖6 臨時(shí)食堂BIM模型圖

4 結(jié)束語

BIM 和3D 打印技術(shù)是建筑行業(yè)綜合性前沿技術(shù)，兩者結(jié)合是建筑信息化、智能化的創(chuàng)新，必將引領(lǐng)建筑業(yè)改革升級(jí)。在大力推行建筑行業(yè)高質(zhì)量、綠色、智能化發(fā)展的背景下，BIM+3D打印技術(shù)必將是建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，我們應(yīng)積極探討B(tài)IM+3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的研究和推廣。

我司基于BIM+3D打印技術(shù)成功研發(fā)了一種3D打印可重復(fù)利用的施工圍擋并取得了良好的效果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)目前存在的一些不足之處，總結(jié)如下：

（1）BIM 技術(shù)與3D 打印技術(shù)的銜接不夠成熟，在數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換與識(shí)別的過程中，BIM 模型文件需轉(zhuǎn)化為STL 文件格式，而不能直接由BIM Revit 模型格式文件直接轉(zhuǎn)換為3D 打印格式軟件，這容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，對(duì)后期構(gòu)件質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。

（2）現(xiàn)有3D 打印技術(shù)是通過噴嘴擠出材料，進(jìn)行逐層疊加打印，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)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(qiáng)的材料，在構(gòu)造物重要受力部位難以適用。

（3）國家雖然對(duì)BIM 和3D 打印技術(shù)有政策上的鼓勵(lì)，但至今未有權(quán)威部門發(fā)布相關(guān)可供參考的標(biāo)準(zhǔn)，以至于在設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等過程中沒有支撐依據(jù)。

（4）3D 打印技術(shù)屬于綜合性前沿技術(shù)，理論和操作上較為復(fù)雜，而如今的高校、社會(huì)職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)幾乎沒有開展3D 打印技術(shù)的培訓(xùn)和宣貫。同時(shí)3D 打印技術(shù)的研發(fā)需要大量的經(jīng)費(fèi)作為支撐，導(dǎo)致專業(yè)技術(shù)人才短缺。

總的來說，未來BIM+3D 打印技術(shù)應(yīng)從材料、軟件、培訓(xùn)等方面繼續(xù)探索和努力，盡快實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)向數(shù)字化、信息化、智能化的轉(zhuǎn)變。