BIM支持下的3D打印技術(shù)在建筑工程中的運用與發(fā)展

白祖國

摘 要：本文通過分析BIM的概念及特點，分析探討了在3D打印技術(shù)飛速發(fā)展的前提下，3D打印建筑發(fā)展的新方式，討論了3D打印技術(shù)對建設(shè)工程項目所帶來的影響和發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞：BIM；3D打印；建筑工程

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A

1、引言

3D打印技術(shù)——按需定制、以相對低廉的成本制造產(chǎn)品——一度被認為是科幻想象，而在本世紀初已經(jīng)變成現(xiàn)實，其在建筑工程中的運用和發(fā)展，獲得越來越多的人員的青睞和關(guān)注。如何在模型設(shè)計領(lǐng)域引入建筑信息模型（Building InformationModel，BIM），使其在建設(shè)工程的全壽命周期內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果，是許多工程人員進行思考的一個問題。

2、BIM（建筑信息模型）技術(shù)

BIM（Building Information Modeling、建筑信息模型）理念最早源于受到了1973年全球石油危機的影響，美國各行業(yè)都需要考慮提高行業(yè)效益的問題，1975年喬治亞理工大學的Chunk Eastman教授在其研究的課題“Building Description System”中提出“a computer-based description of-abuilding”，以便于實現(xiàn)建筑工程的可視化和量化分析，提高工程建設(shè)效率[1] 。

現(xiàn)在對BIM的定義很多，美國國家BIM標準（NBIMS）由于采用開放投票方式來確定了具體標準內(nèi)容，目前人們一般比較認可這一標準對BIM的定義[2]，簡要來說，定義由三部分組成：（1）BIM是一個設(shè)施（建設(shè)項目）物理和功能特性的數(shù)字表達；

（2）BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；

（3）在項目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協(xié)同作業(yè)。

總體來說，BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它一般應(yīng)具有以下幾個方面的特點[3]：能為項目的協(xié)同建設(shè)提供相應(yīng)支持；模型中涉及的信息是可計算的，是數(shù)字化、參數(shù)定義的能自由調(diào)整互動的信息；該信息可以通過計算機即時的進行2D/3D/參數(shù)顯示和編輯；能生成完整的圖形、非圖形數(shù)據(jù)報告方式。

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用發(fā)達的計算機技術(shù)，通過參數(shù)模型整合各項目的相關(guān)信息，在項目立項、決策、設(shè)計、施工、監(jiān)理、交竣工和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為各方建設(shè)主體提供一個協(xié)同工作的基礎(chǔ)，能在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

3、3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的思想及技術(shù)根源源自1892年，J.E.Blanther在其專利（#473901）中建議的用分層制造法構(gòu)成地形圖方法。1902年，Carlo Baese的專利（#774549）提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。

早期的這些專利雖然提出了一些快速成型的基本原理，但還很不完善，更沒有實現(xiàn)快速成型機械及其使用原材料的商品化。而進入20世紀80年代后期，由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，3D制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展，1993年麻省理工大學教授EmanuaI Sachs創(chuàng)造了三維打印技術(shù)（3DP），將金屬、陶瓷的粉末通過粘接劑粘在一起成形，可稱之真正實現(xiàn)了“19個世紀的思想，20世紀的技術(shù)”。

3.1設(shè)計原理

現(xiàn)在一般的3D打印的設(shè)計過程是：先通過計算機輔助設(shè)計（CAD）或其他計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型進行逐層分解為截面，從而指導打印機逐層打印。打印機通過使用三角面來大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率就越高。

3.2打印過程

打印機通過讀取交互文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，但制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，具體耗時需根據(jù)模型的尺寸以及復雜程度而定。而用3D打印的技術(shù)則將時間縮短為數(shù)個小時，3D打印技術(shù)則可以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。目前一個桌面尺寸的3D打印機就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組所制造模型的需要。

3.3成型

目前3D打印機的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，而在彎曲的表面，為獲得更精致細膩的物品，可以先用當前的3D打印機打出稍大一點的物體，再經(jīng)過表面打磨而得到表面光滑的“高分辨率”物品。具體運用中可以同時使用多種材料進行打印，也可以在打印的過程中使用支撐物，比如在打印出某些有倒掛狀的物體時，就可以使用一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

4、運用與發(fā)展

結(jié)合BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)，在不久的未來，建造一棟建筑，就像現(xiàn)在制造企業(yè)生產(chǎn)某種產(chǎn)品一樣。一個大體量建筑，其建造施工將與生產(chǎn)制造企業(yè)生產(chǎn)一架飛機或汽車一樣，兩者沒有什么差別。這些新型的技術(shù)發(fā)展，將已經(jīng)改變了人們的生活，具體在建筑工程中，可以有以下幾個方面的運用：

4.1設(shè)計方案評審：

借助于BIM設(shè)計數(shù)據(jù)，通過3D打印實體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域（設(shè)計、制造、施工、業(yè)主）的人員可以對產(chǎn)品實現(xiàn)方案、外觀、立面等有直觀的觀感，從而更直接進行實物設(shè)計的評價。BIM技術(shù)具有的全數(shù)字還原不失真的立體展示、能進行相關(guān)構(gòu)件碰撞、結(jié)構(gòu)物風洞及相關(guān)測試等優(yōu)點，目前已經(jīng)被現(xiàn)許多設(shè)計機構(gòu)的大型設(shè)施或場館所利用。也可以結(jié)合BIM的建模，通過3D打印，將先期構(gòu)建的精確建筑模型來進行效果展示與相關(guān)測試，這樣所發(fā)揮的優(yōu)勢和無可比擬的逼真效果將更為直觀。

4.2建筑總體與裝修展示評價、投標：

利用BIM的全數(shù)字化，實現(xiàn)模型真彩及紋理打印，可快速制造出建筑的設(shè)計模型，進行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示、評價和調(diào)整。

4.3建筑土建施工：

解決參數(shù)化設(shè)計、異形建筑形體或局部復雜用傳統(tǒng)的設(shè)計軟件、圖紙、施工技術(shù)難以精確表達的問題，。BIM的逐漸應(yīng)用，可打印材料增加、體量變大和成本降低，可以完全實現(xiàn)直接打印出建筑裝飾構(gòu)件，再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場安裝拼接，甚至可以打印具有足夠強度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而節(jié)約資源，實現(xiàn)真正意義上的工廠化施工。

4.4管道安裝[5]：

通過BIM技術(shù)，實時完全掌握相關(guān)工程量，采用3D無損打印，保證了安裝工程、管道工程與土建工程的無縫銜接，從而對保證工程質(zhì)量，加快工程進度，降低工程費用，起到極大的作用。

4.5施工管理：

通過BIM技術(shù)，完成施工的組織、施工技術(shù)的模擬，并通過3D打印，得到更加直觀、可視的過程管理空間，實現(xiàn)施工管理的可視化、直接化，并通過提前對模型的觀察分析，可以提高項目管理的安全性、進度的可控性。

4.6裝飾設(shè)計：

通過個性化的定制，結(jié)合BIM信息，實現(xiàn)完成業(yè)主在個性化家居家具設(shè)計、家具模型、個性墻紙等方面的的創(chuàng)意和裝飾需求。

5、結(jié)束語

隨著 3D 打印技術(shù)和BIM技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個性化定制” 將成為重要的生產(chǎn)模式。3D 打印與BIM技術(shù)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式，會衍生出諸如3D建筑模型建模員、制圖員、3D建筑模型店、3D建筑打印店等諸多工種和店鋪，催生出一系列需求，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。

但目前無論是對于BIM技術(shù)，還是3D打印技術(shù)，都存在著相當?shù)募夹g(shù)和實現(xiàn)的難度。諸如BIM技術(shù)中，如何使建筑模型得到全壽命周期的運用、如何降低3維設(shè)計的難度，使之與大眾相適應(yīng)；3D技術(shù)中，對金屬材料如工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，如何進行3D打印，快速成型零件的精度和表面質(zhì)量如何滿足工程直接使用要求，都是需要進一步解決的問題。

參考文獻：

[1] Eastman， Charles，F(xiàn)isher David，Lafue， Gilles and others.An Outline of the Building Descripiton System：Institute of Physical Planning[J].Carnegie-Mellon University ，1974.

[2] National Institute of Building Sciences buildingSMART alliance，National BIM Standard - United StatesTM [S].Version 2，January 2011.

[3] 張泳，張云波.BIM及其對工程項目管理人員的影響[J].項目管理技術(shù)，2009（9）.

[4] 王錦輝.比洛克·霍什內(nèi)維斯：“給我兩年，打印出一幢房子”[N].中國新聞周刊，2012（45）.

[5] 趙民琪，邢磊.BIM技術(shù)在管道預支加工中的運用[J].安裝，2012（1）.

（本文審稿 張端丹 ）