建筑3D打印中BIM技術(shù)應(yīng)用的研究分析

湯政

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，建筑行業(yè)也逐步的向低能耗、低污染、精細(xì)化施工轉(zhuǎn)變。通過BIM下的三維信息化軟件建立模型;拆分及優(yōu)化模型;將BIM模型導(dǎo)入到建筑3D打印機(jī)中進(jìn)行打印模型。模型可以用來進(jìn)行多設(shè)計(jì)方案對比、實(shí)體展示施工方案與進(jìn)度部署、打印異形構(gòu)件等工作。從應(yīng)用流程及應(yīng)用范圍上對建筑3D打印技術(shù)和BIM技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，進(jìn)而對未來建筑業(yè)二者相互結(jié)合共同發(fā)展的趨勢進(jìn)行了展望，使得建筑3D打印技術(shù)與BIM技術(shù)的合作共同推動(dòng)工業(yè)化建筑成為可能。

Abstract： With the rapid growth of China's economy， the construction industry has gradually shifted to low-energy， low pollution， and refined construction. The model is built by the 3D information software under BIM; the model is split and optimized; the BIM model is imported into the architectural 3D printer for printing model. The model can be used to compare multiple design scenarios， physically display construction plans and schedule deployments， and print shaped components. From the application process and application scope， the 3D printing technology and BIM technology of the building have been studied and analyzed in detail， and the future development trend of the construction industry has been prospected， which makes the cooperation between architectural 3D printing technology and BIM technology. It is possible to jointly promote industrialized construction.

關(guān)鍵詞：建筑3D打印;BIM技術(shù);建筑信息化

Key words： architectural 3D printing;BIM technology;building information

中圖分類號：TU17;TU71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0149-04

0 ?引言

近年來伴隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速增長，建筑業(yè)面臨的問題也越來越多。能源的日益短缺、環(huán)境污染的日益加大也都掣肘著建筑行業(yè)向工業(yè)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)變。早在國家的“十三五”規(guī)劃中已經(jīng)提出建筑行業(yè)要朝著綠色化、工業(yè)化、信息化、個(gè)性化進(jìn)行發(fā)展，逐漸降低當(dāng)前低科技含量、高生產(chǎn)成本、工業(yè)化程度低等不利因素對建筑行業(yè)的影響。第三次工業(yè)革命帶來了3D建筑打印技術(shù)。過近些年的發(fā)展，該技術(shù)已可用于打印大型建筑模型和建筑物、構(gòu)筑物，也讓更多的人意識到3D打印建筑物引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)變革即將成為建筑行業(yè)未來的發(fā)展方向。伴隨著BIM技術(shù)中的三維建筑信息化模型推廣發(fā)展與應(yīng)用，建筑3D打印技術(shù)與BIM的共同協(xié)作將會(huì)對整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展與轉(zhuǎn)變起到至關(guān)重要的作用。住建部2016年在《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確要求針對建筑業(yè)要結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行建筑3D打印設(shè)備及材料的探索與研究。

1 ?研究現(xiàn)狀及意義

1.1 研究現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)90年代國外就已出現(xiàn)最基本的3D快速成型技術(shù)，主要是利用CAD等軟件進(jìn)行三維模型的繪制，然后逐層進(jìn)行坐標(biāo)分解，通過特殊的打印設(shè)備將金屬、樹脂等材料逐層進(jìn)行打印麻將每一層的打印輪廓進(jìn)行拼裝推進(jìn)直至形成一個(gè)尺寸、形狀與三維模型一直的實(shí)體建筑[1]。近十年來，美國南加州大學(xué)B.Khoshnevis等人通過打印材料的試驗(yàn)、有限元分析、輪廓工藝的建造等方式對多噴嘴輪廓工藝建造系統(tǒng)機(jī)械手臂無沖突運(yùn)行路徑進(jìn)行了分析研究。隨后英國LimS等人提出了層層堆積形成整體的混凝土3D打印技術(shù)。隨后2008年，D-shape建造方法的提出與實(shí)踐使得該技術(shù)直接用在太空基地的建設(shè)。相比國外，國內(nèi)直到2013年我國學(xué)者以及部分企業(yè)才致力于建筑3D打印技術(shù)的研究與開發(fā)并取得了一定的成果。特別是上海盈創(chuàng)科技，在2014年便運(yùn)用建筑3D打印技術(shù)在一天的時(shí)間內(nèi)成功并快速的打印出10棟2層建筑[2]，如圖1所示。隨后2015年展出的西安首棟建筑3D打印別墅，從生產(chǎn)到搭建完成只用了十幾天的時(shí)間，這比傳統(tǒng)別墅修建時(shí)間節(jié)省了半年以上，大大節(jié)省了建筑中的時(shí)間成本和進(jìn)度成本[3]。

早在上世紀(jì)80年，美國科學(xué)家就曾提出關(guān)于建筑模型等基本概念。2002年，Autodesk公司正式提出BIM的概念，即為Building Information Modeling。隨后美國推出了3D-4D-BIM的國家計(jì)劃并制定了相應(yīng)的BIM應(yīng)用指南及標(biāo)準(zhǔn)[4]。2010年至今，政府的支持與大批量日本的企業(yè)對BIM技術(shù)的應(yīng)用使得日本很快時(shí)間內(nèi)已基本全面普及BIM技術(shù)的應(yīng)用。日本、韓國、馬來西亞、歐洲各國也在積極推進(jìn)本土BIM技術(shù)的應(yīng)用與本土標(biāo)準(zhǔn)的制定[5-6]。BIM在國外快速發(fā)展的同時(shí)，在國內(nèi)BIM（建筑信息化模型）的理念也逐步成型。特別是在香港，BIM技術(shù)廣泛的用在地產(chǎn)開發(fā)、施工管理中。隨后的“十五”、“十一五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃中BIM技術(shù)被列入重點(diǎn)支撐項(xiàng)目[7]。在國家政策下大量的設(shè)計(jì)院、地產(chǎn)開發(fā)商、高校研究所等紛紛成立BIM團(tuán)隊(duì)，對BIM技術(shù)進(jìn)行全方位的研究[8]。國內(nèi)的南水北調(diào)工程、世博會(huì)中國館、等項(xiàng)目中都用到了全壽命周期下的BIM技術(shù)，圖2所示為南水北調(diào)中運(yùn)用BIM技術(shù)建立的泵站模型。

1.2 研究意義

現(xiàn)如今傳統(tǒng)建筑行業(yè)中的高污染、高消耗、高成本問題日益嚴(yán)重，建筑3D打印技術(shù)與BIM信息化技術(shù)的提出與共同運(yùn)用為上述問題提供了解決方法和技術(shù)支持。BIM技術(shù)不單單是一個(gè)3D建造模型的工具，它可以在全壽命周期中不同階段參與在建建筑的建造管理[9]。而3D建筑打印技術(shù)則可以在建造前提前對BIM3D模型進(jìn)行打印，更加直觀的分析對比各種建筑設(shè)計(jì)方案選出最優(yōu)解。BIM建造技術(shù)可以在虛擬的環(huán)境中模擬整個(gè)施工過程，而3D打印技術(shù)則可以打印出按要求比例縮放的、高精度忠于建筑的3D模型。招投標(biāo)人員、施工人員均可以更加直觀的360°方位觀察目的建筑，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)問題，還可以確定該項(xiàng)目的重難點(diǎn)所在[10]。隨著兩大技術(shù)逐漸的發(fā)展進(jìn)步，混凝土3D打印機(jī)甚至可以直接等比例打印建筑實(shí)體結(jié)構(gòu)，大大降低的建筑成本。因近乎全機(jī)械化施工，因此可以24小時(shí)不間斷打印施工、無模板施工，也就極大縮短了單位建筑的建造時(shí)間。建筑3D打印與BIM技術(shù)的結(jié)合使得項(xiàng)目各參與人員分工更條理、目的更明確。二者的共同工作，也會(huì)為整個(gè)建筑生命周期開辟一條低消耗、低成本的綠色環(huán)保快捷之路。

2 ?建筑3D打印中BIM技術(shù)的應(yīng)用流程分析

工程流程指的是單項(xiàng)任務(wù)從問題提出到任務(wù)結(jié)束的完整過程。流程決定著該工程的工作思路及工作效益、效率。因此，設(shè)計(jì)并建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)用流程并保證該流程的準(zhǔn)確行及可控制性至關(guān)重要。建筑3D打印中BIM技術(shù)的應(yīng)用流程基本分為四個(gè)流程，如圖3所示。

2.1 構(gòu)建三維數(shù)字化模型

建筑3D打印的首要前提就是搭建三維數(shù)字化BIM模型。根據(jù)項(xiàng)目要求及材質(zhì)屬性等制定切實(shí)可行的3D模型的構(gòu)建方案，在同一個(gè)BIM平臺中，使得建筑、結(jié)構(gòu)、綠色、設(shè)備等專業(yè)協(xié)同工作[5]。在建好三維數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上對建筑進(jìn)行施工模擬、碰撞檢查等后期工序，一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工相沖突等情況，可以直接在BIM信息化平臺中進(jìn)行修改。BIM建模中常選用Revit、3dsMAX、SolidWorks等軟件進(jìn)行建模，建模結(jié)束后可直接導(dǎo)出dwg和stl格式的模型文件與建筑3D打印機(jī)進(jìn)行對接。

2.2 3D打印模型拆分及參數(shù)優(yōu)化

將3D模型導(dǎo)入建筑3D打印機(jī)中后，就要具體考慮模型在打印過程中的實(shí)施過程。模型本身構(gòu)件復(fù)雜、空間立體感強(qiáng)，一次打印成型的難度比較大。因此要把建筑3D打印的BIM模型進(jìn)行模塊化拆分、打印比例的縮放[3]。建筑3D打印模型拆分及切片原理如圖4所示。

在拆分模型中要求：模塊化構(gòu)件尺寸不應(yīng)大于建筑3D打印的上限尺寸;降低打印懸臂構(gòu)件的可能性;合理打印必要的構(gòu)件支撐體等。對各個(gè)模塊化模型再進(jìn)行分層切片處理和層片路徑劃分，拆分優(yōu)化完畢后，分別導(dǎo)出stl格式文件以便下一步打印。

2.3 實(shí)施打印

建筑3D打印機(jī)器在開始正式打印前要進(jìn)行校正、試打印。首先要保證打印臺面干凈整潔，耗材準(zhǔn)備充足，確保機(jī)器打印過程的順利進(jìn)行。對拆分的3D模型分批次進(jìn)行逐次打印，在打印過程中要安排專職人員時(shí)刻監(jiān)測打印機(jī)運(yùn)行狀況及打印效果。如果打印過程中有意外狀況出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)暫停打印。每個(gè)模塊構(gòu)件打印結(jié)束后，用小鏟刀輕輕鏟下并產(chǎn)出支撐構(gòu)件。如果選用建筑混凝土3D打印機(jī)，還需要嚴(yán)格控制混凝土漿液的配合比、杜絕大顆粒粒料的出現(xiàn)，圖5所示為建筑3D打印機(jī)現(xiàn)場打印出的混凝土構(gòu)件。

2.4 模型后期處理及上色

拆分打印出來的BIM模型單元還無法拼裝成一個(gè)整體，還需要進(jìn)行打磨、刨光等后期處理工序。對分段打印的構(gòu)件還需要把連接界面進(jìn)行打磨處理，以便在膠粘的時(shí)候有更好的粘結(jié)效果。BIM三維模型中的每一個(gè)構(gòu)件、每一個(gè)面都是附有材料屬性的，也對應(yīng)著相應(yīng)的顏色。為了讓三維模型外觀更有感官性，就要對打印好的模型進(jìn)行上色處理，力求做到建筑3D打印模型的整體色彩效果與BIM三維模型中相一致，如圖6所示[9]。

3 ?建筑3D打印中BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍分析

3.1 三維立體化設(shè)計(jì)與打印

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)出圖均為2D平面圖，建筑設(shè)計(jì)人員、施工人員都要靠自身的想象來進(jìn)行施工等操作。就這樣在2D到3D的轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)計(jì)意圖、尺寸等經(jīng)常被錯(cuò)誤解讀。BIM技術(shù)的三維模型技術(shù)可以直觀、準(zhǔn)確的展現(xiàn)出各設(shè)計(jì)構(gòu)件的尺寸、位置、材料屬性等重要參數(shù)。通過三維可視化的視角及漫游來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，構(gòu)件之間的不合理碰撞。隨后將BIM中的三維模型導(dǎo)入建筑3D打印機(jī)中，快速打印出設(shè)計(jì)階段初始模型，將設(shè)計(jì)從2D轉(zhuǎn)變到3D。設(shè)計(jì)人員通過對打印出的模型進(jìn)行分析來進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)修改或優(yōu)化。

3.2 多方案的直接對比

在施工前、施工中，特別是在前期招投標(biāo)階段，工作人員可以利用建筑3D打印技術(shù)打印出多個(gè)BIM模型。從BIM模型的導(dǎo)出到3D模型的打印成型只需要短短24小時(shí)，速度遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)雕刻模型方法。就這樣短時(shí)間內(nèi)高效率的打印出多方案模型，對多個(gè)方案進(jìn)行對比分析，查看各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。圖7為某別墅設(shè)計(jì)中，陽臺欄桿方案的對比與選型。通過BIM+建筑3D打印來討論不同模型對應(yīng)的工程及建筑未來場景，最終在多選擇中定出最佳方案，有效提高評審效率和質(zhì)量[6]。

3.3 實(shí)體展示施工方案與進(jìn)度部署

單位工程在施工過程中很難明確直觀的展示出施工流程。項(xiàng)目中就可以提前利用BIM技術(shù)建立施工中、竣工后的數(shù)字化模型，通過建筑3D打印機(jī)快速打印成型，就可以直觀的展示施工方案。在打印BIM模型時(shí)候，還可以通過對打印模型的不同著色來展示不同施工過程不同時(shí)段的劃分和部署情況。相比以往2D圖紙前的講解，BIM+3D打印的方式把施工方案和施工部署變得更加直觀化、更有說服力。BIM信息化模型可以查看建筑中任意平面圖、剖面圖、漫游動(dòng)畫、整體渲染，施工單位人員與甲方人員監(jiān)理人員溝通時(shí)更通透直觀?，F(xiàn)如今隨著建筑3D打印技術(shù)的發(fā)展，一些建筑構(gòu)件可以直接打印出來。這種直接打印出的建筑構(gòu)件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)與BIM三維模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)完全相符。等建筑構(gòu)件批量打印生產(chǎn)出再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，采用裝配式施工技術(shù)直接進(jìn)行拼接安裝。圖8為BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)共同建造的某市污水處理設(shè)備用房模型及現(xiàn)場的效果圖[10]。

3.4 異形構(gòu)件打印

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速化發(fā)展，建筑也從傳統(tǒng)的方塊形狀逐漸向多樣性進(jìn)行轉(zhuǎn)變。為能達(dá)到預(yù)想的建筑個(gè)性化，建筑師在結(jié)構(gòu)外形、材質(zhì)或裝飾上下足了功夫。個(gè)性化建筑內(nèi)包含的各種異形構(gòu)件、板殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、負(fù)責(zé)的薄壁構(gòu)件反而給結(jié)構(gòu)工程師及施工人員帶來了大量的挑戰(zhàn)。建筑3D打印的最大優(yōu)勢就在于無需模具拼裝直接對復(fù)雜異形構(gòu)件的打印，如圖9所示。3D打印的特點(diǎn)是多個(gè)2D界面輪廓的逐層疊加，構(gòu)件越復(fù)雜就越能體現(xiàn)出快速化、精細(xì)化打印的優(yōu)越性。而BIM三維信息化模型也就給建筑3D打印提供了前期根本的數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。運(yùn)用建筑3D打印+BIM技術(shù)還可以直接打印復(fù)雜鋼筋模型用來演示鋼筋施工順序，使得各方工作人員溝通更暢通。

4 ?結(jié)論

現(xiàn)如今建筑行業(yè)逐漸由粗獷化施工、高資源消耗和高噪聲污染向精細(xì)化施工、低耗能、低污染方向轉(zhuǎn)變。建筑3D打印技術(shù)與BIM技術(shù)的協(xié)同與結(jié)合給現(xiàn)代建筑行業(yè)指引出一條嶄新道路。建筑3D+BIM技術(shù)應(yīng)用中建設(shè)方案的選擇、施工具體部署與進(jìn)度部署、復(fù)雜構(gòu)件的打印等都讓建筑全壽命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)變的立體化和具體化。對二者協(xié)同工作過程的分析使得建筑3D打印+BIM技術(shù)更規(guī)范化。這兩種新技術(shù)的集成應(yīng)用在今后的研究和應(yīng)用中展現(xiàn)出了廣闊應(yīng)用前景，也會(huì)逐漸從個(gè)性化小數(shù)量的建筑轉(zhuǎn)變到大批量、高效率和低成本的3D打印裝配式建筑中去。未來建筑3D打印+BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣的發(fā)展趨勢是無法阻擋的。

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