BIM技術+3D打印技術融合于裝配式建筑的機制研究

摘 要：BIM技術、3D打印技術、裝配式建筑是目前建筑業的三大研究熱點，其中與傳統建筑聯系最緊密的當屬裝配式建筑，是傳統建筑面臨新時代做出的第一反應，發展到現在其距離完全裝配化，制造化尚有距離。而BIM技術作為建筑業的信息承載平臺，不僅在設計和優化階段產生作用，其設計和優化階段確定的信息可以服務于建筑的整個生命周期，但針對于各種用途開發出來的對應插件卻逐漸使BIM平臺愈發復雜，不利于BIM技術的可持續發展。3D打印技術對于建筑業屬于舶來品，雖然在建筑業的發展時間尚短，但絲毫不影響其給建筑業帶來的巨大影響。目前，單一技術的發展已呈現瓶頸，該文將三大技術融合考慮，以裝配式建筑的現有模式為主體，以BIM技術作為裝配式建筑的信息平臺，以3D打印技術為裝配式建筑的技術基礎，推動建筑業的徹底轉型，提高現有建筑的裝配率，推動建筑業向制造業轉化，農民工向產業工人轉化提供一種研究思路。

關鍵詞：BIM技術；3D打印技術；裝配式建筑；耦合式發展；建筑業

中圖分類號：TU74 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0075-05

Abstract： At present， BIM technology， 3D printing technology and prefabricated architecture are the three major research hotspots in the construction industry， among them， the prefabricated architecture is the most closely related to the traditional architecture， which is the first reaction of the traditional architecture in the new era， it is still far away from complete assembly and manufacturing. As the information bearing platform of the construction industry， BIM technology not only plays a role in the design and optimization stage， and the information determined in its design and optimization stage can serve the whole life cycle of the building， but the corresponding plug-ins developed for various uses gradually make the BIM platform more and more complex， which is not conducive to the sustainable development of BIM technology. 3D printing technology is imported to the construction industry， although its development time in the construction industry is still short， but it does not affect its great impact on the construction industry. At present， the development of single technology has shown a bottleneck. This paper considers the integration of the three technologies， taking the existing mode of assembly architecture as the main body， BIM technology as the information platform of assembly architecture， and 3D printing technology as the technical basis of assembly architecture， so as to promote the complete transformation of the construction industry， improve the assembly rate of existing buildings， promote the transformation of the construction industry to manufacturing， and provide a research idea for the transformation of migrant workers into industrial workers.

Keywords： BIM technology; 3D printing technology; prefabricated architecture; coupled development; construction industry

BIM（Building Information Modeling），意為建筑信息模型，以下簡稱BIM技術，繼手工畫圖向軟件畫圖轉變后的建筑業的第三次躍遷。自1975年美國伊士曼集團提出以來，得到了行業矚目。經多年研究，至2007年美國更是在全球范圍內公布首版國家級的BIM標準，首倡建造過程中產生的信息共享于建筑全生命周期內。其具備的特點可以極大地改善現有建筑施工作業的方式。

1 概念論述

1.1 BIM技術

1.1.1 可視化

BIM技術可以實現設計資料的集成整合，即將傳統二維的建筑施工圖中的平、立剖面圖及結構施工圖中的配筋及各種說明和相關數據信息集成到BIM技術平臺上面，以三維形式呈現建筑物效果，做到項目參建各方想了解那個構件的信息直接選中即可，減少項目建設過程中施工人員的識圖負擔，并以此留存的信息可以很好地指導項目建設的各個階段。朱華[1]探討了將BIM技術引入到CFG樁施工過程中，并得出在CFG樁施工過程中引入BIM技術，不僅可以使樁長計算工作量大幅減少，還可以很大程度上避免手算過程中出現的錯誤，同時從BIM技術平臺中導出的樁身的相關數據可以用于指導CFG樁的施工過程。宋曉玉等[2]在鋼結構施工過程中引入BIM技術，認為此方法能夠減少人工操作產生的誤差，還能幫助施工人員較以往更快地確定合理有效的施工方案，同時實現項目進度的實時跟蹤管理，確保施工進度與成本目標的同步運行。關于BIM技術的應用研究不止體現在結構層面上，現有的關于BIM技術在傳統建筑中的應用已經更加深入。林樹洪[3]將BIM技術與高大模板結合到一起進行研究，并對其風險評估進行了模擬，預測了可能出現的問題，提高了施工質量和效率，降低了施工成本和風險。

1.1.2 協調性

鑒于建筑業參與者眾多，相關方數量龐雜，雖然有開發商或者指揮部及各種辦公室居中協調，但是這種協調只是在管理上或者是規劃層面，具體到操作層面，則顯得有些粗放。如此則導致整個項目運行過程中，各相關方只是各忙各的，各自負自己的責任，而對于交叉部位，則處于操作協調真空地帶。而BIM模型則提供了一個各相關方共同操作的平臺，即通過BIM軟件中的前期定位及后期的協作選項提供技術基礎。李英姬等[4]通過在技術質量部中設立BIM技術駐場負責人專屬崗位，進一步加強裝配式建筑中的協作性。郭偉剛[5]通過將BIM技術專屬崗位拓展成BIM技術小組，而小組成員由各專業BIM技術負責人組成，總包BIM技術負責人擔任組長的方式，探索了BIM技術在大型公共建筑施工中的應用，進一步增加了大型公共建筑施工過程中的協調性。

1.1.3 模擬性

傳統建筑業的施工模式，是在施工圖紙完成以后，才開始施工，有很多潛在的問題，圖紙的準確性是依靠會審制度確保的，而會審在很大程度上依靠的是人的經驗。經驗之外的問題即實際施工過程中隨著項目進度的推行才能發現的問題，處理的方法輕則修修補補，重則拆了重建，如此既浪費了材料又耗費了工期，使得質量無法得到百分之百的保障。而通過BIM模型，則可以將這些問題提前予以充分的顯示，并利用BIM軟件中碰撞檢查功能，將專業交叉部位的問題予以充分的、有說服力的呈現，讓圖紙實現在施工階段正式開始前完成最大程度的優化和完善。進而避免實際過程中產生的很多問題，節省工期，降低施工成本。通過BIM技術的模擬特點，傳統建筑業對問題的處理技術將實現從“補救”狀態向“預防”狀態的過渡。

1.2 3D打印技術

3D打印技術是一種以計算機模型文件為基礎，運用粉末狀塑料或金屬等具有黏性的材料，以逐層打印來完成物體制造的一種快速成型技術，又被稱為增材制造。作為建筑材料中使用量最大的一種材料，由于混凝土與3D打印技術所用的材料具有很大的相通性，3D打印技術被很快地引入到了建筑業當中，并吸引了從業者的目光。楊光等[6]對3D打印技術中用到的混凝土材料從其組成材料角度進行了技術和應用分析，認為現有混凝土與3D打印技術相結合，仍需要改進。史慶軒等[7]從3D打印混凝土的工作和力學性能的研究方法和研究結果方面介紹了3D打印混凝土的國內外研究現狀，并指出其存在的主要問題，對建筑業產生著持續的、不可逆的影響。湯寄予等[8]介紹了層間弱界面和力學各向異性為代表的2個3D打印混凝土的主要特征，同時研究了打印路徑、速率、間隔和擠出形狀等參數對打印結構力學性能及打印效率的影響。徐卓越等[9]在建筑3D打印中分別對普通硅酸鹽水泥、復合型普通水泥等五大類膠凝材料的應用展開了研究，同時介紹了3D打印漿體的凝結時間、流動性、擠出性和可建造性等相關參數。作為考驗建筑施工技術的超高層建筑，左自波等[10]研究了超高層建筑工程中3D打印技術應用的可行性。

1.3 裝配式建筑

裝配式建筑指的是構件在工廠提前預制，然后使用運輸工具將預制好的構件運到擬建建筑物地點，然后在該地點進行拼接安裝的一種與傳統建筑業有所區別的新的建造方式，目前技術比較成熟的有預制鋼結構建筑、裝配式混凝土建筑及木制結構建筑等。由于其工廠預制、現場拼裝2個階段的建造方式，所用材料、構件部位的連接質量、以及全新的管理方式和使用范圍就引起了眾多學者的注意。李娜等[11]探討了超高性能混凝土在裝配式建筑中的應用。張保巖等[12]以酒店為例，探討了裝配式建筑中連接部位以現澆方式施工的質量問題。江衛平[13]提出了一種工程總承包下的裝配式建筑精細化施工方法。

2 BIM技術+3D打印技術融合裝配式建筑的應用價值

目前，關于BIM技術、3D打印技術和裝配式建筑的研究很多，但大多是單獨的或者是BIM技術和裝配式建筑相結合進行研究[14-15]。雖然3D打印技術在建筑業的應用還不成熟，但絲毫不影響其廣闊的應用前景。如果其能與BIM技術和裝配式建筑相結合，全新的建筑業基礎將進一步奠定，為建筑業的全面轉型做好鋪墊。

2.1 為建筑業制造化提供全面的物質基礎

傳統的建筑業是在擬建建筑物地點上進行施工，受限于擬建建筑物地點的環境及建筑作業的露天性，其施工環境具有較大的波動，是擬建建筑物地點施工的現狀也是建筑業制造化發展的主要瓶頸。裝配式建筑將傳統建筑業整個建筑在擬建建筑物地點的施工轉變為構件在生產基地施工，而在擬建建筑物地點進行構件結合部位的施工。而3D打印技術尤其是3D打印技術配套的3D打印混凝土將會進一步解決構件結合部位的連接問題，將擬建建筑物地點的施工程序從構件的連接部位施工進一步將轉變為結構層間的施工或樓棟之間連接的施工。如果說裝配式建筑、3D打印技術為建筑業制造化提供的是物質或者硬件基礎，那么BIM技術將為建筑業的制造化提供軟件或者是信息基礎。

2.2 為建筑業機械化提供全面的技術基礎

傳統的建筑業屬于勞動密集型行業，大部分的建筑作業基本都是靠人工來完成，其質量、速度都受人工影響較大，隨著建筑業作業地點和環境的穩定，進一步的建筑作業集成平臺開發將成為可能，即建筑業機械化地將人工作業的動作標準化、定量化將是建筑作業集成平臺開發的關鍵理念。使得建筑業一方面可以大幅度緩解一線的“用工荒”，同時可以加速建筑工人向產業工人的轉變，進一步方便建筑工人的管理。

2.3 為建筑業無人化提供全面的行業前景

眾所周知，勞動密集型一直是社會對建筑業的傳統認知，勞動密集型意味著建筑業需要的勞動力大，科技含量低，再加上相較于其他行業的惡劣工作環境，使得建筑業從原來的朝陽產業、人人向往的產業，逐漸變得不再受人歡迎，成為了社會眼中的“棄兒”行業。近幾年各高校頻頻出現土木工程專業錄取分數持續下降，報考人數持續下降即是明證。為了建筑行業的持續發展和增加建筑行業的科技含量，各種各樣的機器人如雨后春筍迅速在建筑行業得到廣泛應用[16-18]。另一方面各種集成平臺亟待開發，如此，未來的建筑行業將在現有技術的支持下，全面邁入無人時代。

3 BIM技術+3D打印技術融合裝配式建筑的技術分析

3.1 BIM技術、3D打印技術裝配式建筑耦合結構

傳統建筑業的轉型方向已大致明確，即以裝配式建筑作為傳統建筑轉型的第一步完成物質生產環境的轉變，以BIM技術作為傳統建筑轉型的第二步完成協作方式的轉變，以3D打印技術作為傳統建筑轉型的第三步完成物質生產技術的轉變，其具體協作模式如圖1所示。

從圖1中可知，傳統建筑業中的勘察單位、設計單位和施工單位，通過BIM平臺既有先后的操作關系，又同時可以進行協作，經過模擬無誤以后的模型可以直接通過3D打印設備和鋼筋搭建平臺制作實際構件。制作出的初步構件可以暫時存放，滿足要求的構件可以根據客戶的需求進行初步的或者是全部的拼裝，也可以經過運輸部門將構件運到現場進行安裝。

3.2 BIM技術、3D打印技術及裝配式建筑耦合方式

BIM技術作為一種傳統建筑業的數字化信息承載平臺可以為裝配式建筑提供全方位、全階段、全生命周期的信息支持。通過BIM，設計人員可以在該平臺上設計和改進建筑構件，對構件實現精確定位和組裝。而3D打印技術為裝配式建筑的定制化和靈活化發展提供了技術基礎。同時3D打印技術能夠結合實際需求而快速制造具有復雜形狀的構件，改善裝配式建筑個性化、多樣化的預期。由此可知，作為建筑業的新技術，BIM技術和3D打印技術未來將分別以裝配式建筑的軟硬件平臺共同推動傳統建筑業成功轉型。

4 BIM技術+3D打印技術融合裝配式建筑的發展建議

4.1 加快設備研發力度

傳統的建筑施工多依靠人工操作，隨著工程量的增加，只是簡單地增加工人數量，設備研發率較低，且設備研發多在人力承受范圍之外，對于小而精的一些操作還是以人為主，因此，建筑設備研發力度較小。隨著信息化的發展，尤其是數字中國的概念提出以來，建筑業的設備研發力度持續增加，眾多施工機器人應運而生，機器人的產生雖然降低了勞動密集性提高了機械化，但是其集成化比較低，研發集成性的施工平臺必要且迫切。

4.2 持續完善BIM技術平臺

現有BIM軟件對設計類工作兼容性和互通性較差，導致建筑設計和管理過程中存在信息孤島問題。因此，需要加強對BIM技術平臺的開放性和互聯性研發，實現不同BIM軟件之間的數據互通和信息共享，提高建筑設計和管理的協同效率。因此，其作為共同的成熟的技術平臺還有待發展。目前的BIM軟件雖然能夠實現建筑設計和施工的數字化，但是在一些復雜的設計和管理環節仍然需要人工干預，導致效率不高。因此，需要加強對BIM技術平臺的智能化和自動化研發，提高其在建筑設計和管理中的應用效率。另外，BIM技術平臺需要更加安全和可靠。隨著BIM技術在建筑設計和管理中的應用不斷深化，其所涉及的信息安全和數據可靠性問題也日益凸顯。因此，需要加強對BIM技術平臺安全性和可靠性的研發，保障建筑設計和管理過程中信息的安全和可靠。

4.3 持續改進3D打印技術

現有的3D打印技術對于建筑業來說尚不成熟，其不成熟主要體現在以下幾個方面。首先，是現有的3D打印技術使用的材料只是混凝土材料成分中的細骨料和水泥，而對于受力性能更好的粗骨料受限于打印噴頭直徑的問題尚持觀望態度。其次，現有的建筑業3D打印技術打印出來的成果只是局限于素混凝土，而對于傳統建筑業規模最大的鋼筋混凝土結構，亟待開發相關平臺彌補3D打印設備的缺陷。最后是3D打印技術與建筑業的適應性需要進一步開發。3D打印技術不是源自建筑業，目前的研究還是以3D打印技術為立足點來進行，即改變建筑業的方方面面去適應3D打印技術，而不是從建筑的角度來去改善3D打印技術。

5 結束語

作為建筑業目前新興的三大技術，發展速度和程度不一，裝配式建筑的發展速度目前最快，也最為成熟，已有部分地區開始商用，但其局限性已開始顯現，如現有建筑以裝配率來衡量建筑的裝配程度。而BIM技術由于目前各插件之間互不兼容，由此導致的施工人員需要根據設計資料重新制作模型而增加的工作量也成為限制其發展的原因，3D打印技術目前在建筑業上的應用尚不成熟，但并不影響其帶來的廣闊前景。三大技術單一研究均已出現了“瓶頸”，但是目前將三大技術融合研究尚較少，本文所提建議希望為三大新技術協同研究提供借鑒價值，為傳統建筑業轉型建言獻策。

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