基于BIM 和3D 打印的裝配式裝修綠色施工應(yīng)用實踐

李森萍 陳普華 馮建行 韋力奮

（1 廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院；2 廣東誠加裝飾設(shè)計工程有限公司）

0 引言

國內(nèi)經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人民生活水平日益改善，人民對生活品質(zhì)的要求逐漸提高。建筑業(yè)中傳統(tǒng)裝修帶來的施工工期長、濕作業(yè)質(zhì)量風(fēng)險大、工種勞動力需求多、維護和替換耗材浪費大、環(huán)保程度低等問題，已不能滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展需求。2018 年2 月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在發(fā)布實施的《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出：推進裝飾裝修與主體結(jié)構(gòu)的一體化發(fā)展，推廣全裝修，鼓勵裝配式裝修[1]。裝配式裝修具備工期短、干作業(yè)施工、工種勞動力需求少、耗材浪費少、環(huán)保程度高等優(yōu)勢，完全符合綠色施工理念，是未來裝修行業(yè)發(fā)展的一種新趨勢。BIM 和3D 打印技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)手段，如何有效保證裝配式裝修綠色施工的實施效果，是本研究的重點。

1 裝配式裝修與綠色施工

1.1 裝配式裝修

裝配式裝修是以部品部件（按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求，在工廠集中加工生產(chǎn)好）的形式，在施工現(xiàn)場進行組合安裝，主要涵蓋裝配式地坪體系、裝配式墻面、裝配式吊頂?shù)?，具備以下四大特性?/p>

⑴標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計：裝修設(shè)計、建筑設(shè)計采用一體化的模數(shù)；對建筑、管線等與裝修進行碰撞檢查。

⑵工業(yè)化生產(chǎn)：在工廠集中加工生產(chǎn)的部品部件，其型號規(guī)格、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)做到統(tǒng)一。

⑶裝配化施工：采用施工現(xiàn)場組合安裝，通過管理規(guī)范施工現(xiàn)場安裝的工藝流程。

⑷信息化協(xié)同：部品部件實現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，將部品部件的配送與現(xiàn)場施工的進度進行協(xié)同，將部品部件的工廠制造與施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行協(xié)同。

與傳統(tǒng)裝修相比，裝配式裝修在工期、工藝品質(zhì)、工序流程、維護和替換、環(huán)保程度方面，具備明顯優(yōu)勢，具體如表1 所示。

表1 裝配式裝修和傳統(tǒng)裝修對比

1.2 綠色施工

綠色施工是指工程建設(shè)中一種能夠節(jié)約資源與保護環(huán)境的施工活動，以“四節(jié)一環(huán)?！睘榛炯s束，以“以人為本”為核心要求，對建筑的安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居等方面的性能進行綜合評價[2]。綠色施工具備以下三大特性[3]：

⑴環(huán)境友好性：綠色施工有效解決建筑業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護之間存在的矛盾，不生搬硬套技術(shù)或經(jīng)驗，而是因地制宜，從所處環(huán)境實際情況出發(fā)，合理利用當(dāng)?shù)刈匀粭l件。

⑵可持續(xù)發(fā)展性：在可持續(xù)發(fā)展理念基礎(chǔ)上，進行施工生產(chǎn)或項目管理活動，通過在生產(chǎn)模式以及管理理念方面的提升和創(chuàng)新，做到保護環(huán)境、節(jié)約能源。

⑶系統(tǒng)性：施工過程作為建筑全生命周期中一部分，綠色理念貫穿于施工過程各子環(huán)節(jié)，減少單位或部門之間的問題碰撞和內(nèi)部消耗，從而顯著提高項目生產(chǎn)效率。

裝配式裝修徹底改變傳統(tǒng)裝修模式，體現(xiàn)出施工工序簡單，干作業(yè)、裝配式施工，減少對資源和能源的浪費的優(yōu)點，符合綠色施工資源節(jié)約理念。

2 BIM、3D 打印技術(shù)在裝配式裝修綠色施工中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在裝配式裝修綠色施工中的應(yīng)用

BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技術(shù)，2002 年在國外首次提出，目前已得到國內(nèi)外的廣泛認可，可以實現(xiàn)將建筑的全生命周期建筑信息，全部集成在一個三維BIM 模型的數(shù)據(jù)庫中，各參建單位人員都可以基于BIM 技術(shù)，在同一個平臺上進行工作協(xié)同，從而切實有效提高工作效率、降低成本、節(jié)省資源和能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[4]。

2.1.1 BIM 施工模擬

BIM 施工模擬是指實際施工過程在計算機上的虛擬實現(xiàn)，利用BIM 建模軟件（目前常用的有Revit、Tekla、Bentley 等），創(chuàng)建出建筑物的三維BIM 模型，以及施工模擬環(huán)境。與傳統(tǒng)施工方案編制方式不同，能夠以實時、交互和直觀形象的模擬形式，實現(xiàn)對已有的施工方案進行驗證和不斷完善。

BIM 施工模擬操作流程如圖1 所示。對裝配式裝修施工過程進行BIM 施工模擬，可以提前了解到一些可能在實際施工過程中出現(xiàn)的技術(shù)、質(zhì)量、安全等方面的問題，提前想好應(yīng)對措施，避免和減少后續(xù)正常施工過程中可能出現(xiàn)的返工、資源浪費等不利現(xiàn)象，進而優(yōu)化好施工方案，合理配置施工資源，節(jié)省施工成本，加快施工進度，控制施工質(zhì)量[5～6]，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖1 基于BIM 的施工模擬體系流程

2.1.2 BIM 施工技術(shù)交底

在建筑業(yè)中，正式施工前，施工企業(yè)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員要向參與現(xiàn)場施工的人員進行施工技術(shù)交底（是一項非常重要的技術(shù)管理工作），可以使參與現(xiàn)場施工的人員掌握工程項目的施工重難點、技術(shù)性要求、工藝流程、施工方法、施工措施等，便于后續(xù)科學(xué)有序地組織現(xiàn)場施工，保證施工質(zhì)量，避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生[7]。

然而，傳統(tǒng)的裝配式裝修施工技術(shù)交底，屬于一維、二維層次，會顯得很抽象，復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造很難得到精確表達，基于BIM 模型的施工技術(shù)交底（一般步驟如圖2 所示），則屬于三維層次，可以有效提高裝配式裝修施工技術(shù)交底內(nèi)容的直觀性和精確度，極大提高工作效率，接受交底的現(xiàn)場安裝人員也能很快理解施工方案和設(shè)計方案，施工工藝的執(zhí)行更加徹底，減少對資源和能源的浪費，保證綠色施工的實施效果。

圖2 基于BIM 模型施工技術(shù)交底一般步驟

2.2 3D 打印技術(shù)在裝配式裝修綠色施工中的應(yīng)用

3D 打?。?D Printing）技術(shù)可以實現(xiàn)讓實體物品從無到有，常稱“增材制造”（傳統(tǒng)的制造方式為“減材制造”），屬于一種快速成型技術(shù)[8]，基于三維模型，采用木塑、金屬、碳纖維、尼龍等3D 打印耗材，在3D 打印機上通過逐層打印方式形成模型整體，目前也可利用光固化成形，對應(yīng)的3D 打印耗材多為液體狀的光敏樹脂。

2.2.1 3D 打印節(jié)點構(gòu)造

要進行節(jié)點構(gòu)造的3D 打印，首先需要在Revit、Solidworks、UG 等三維建模軟件中創(chuàng)建好所需的節(jié)點構(gòu)造三維模型，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換，然后進行3D 打印，具體打印流程如圖3 所示。

圖3 3D 打印流程

借助3D 打印機，通過調(diào)整節(jié)點構(gòu)造模型打印比例，可以打印出1:1 實體節(jié)點構(gòu)造模型，或者放大、縮小版實體節(jié)點構(gòu)造模型,占據(jù)成本低，可作為企業(yè)管理費支出。3D 打印節(jié)點構(gòu)造模型可用于裝配式裝修施工前的施工模擬，進行材料材質(zhì)、規(guī)格型號、數(shù)量的準(zhǔn)確確定，實現(xiàn)合理配置施工資源，加快施工進度，節(jié)省施工成本，控制施工質(zhì)量[9]，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

2.2.2 3D 打印施工材料

PLA（聚乳酸，polylactic acid）作為3D 打印的常用耗材，是一種使用可再生的植物資源（如木薯、玉米等農(nóng)作物）所提取的淀粉原料制成[10]。PLA 易被土壤中的微生物降解，生成對環(huán)境不產(chǎn)生污染的CO2和水，可以說是一種綠色環(huán)保材料。

在裝配式裝修施工中，對于那些非受力部位的施工材料，且存在施工材料用量較少、按常規(guī)施工難度大且觀感效果差等情況時，可以采用BIM 技術(shù)建模，然后借助3D 打印技術(shù)，采用綠色環(huán)保材料--PLA，將該部位施工材料3D 打印出來，然后進行現(xiàn)場安裝，減少切割、節(jié)省材料、環(huán)保程度高，保證綠色施工的實施效果。

3 實際工程項目應(yīng)用實踐

以校內(nèi)實際工程項目--裝飾信息化創(chuàng)想工作室地面改造裝修工程為例，進行基于BIM 和3D 打印的裝配式裝修綠色施工的應(yīng)用實踐。裝飾信息化創(chuàng)想工作室建筑面積120m2，利用常規(guī)教室改造而成，其中主要是對地面進行改造，地面采用防靜電地板裝配式裝修綠色施工。

圖4 裝飾信息化創(chuàng)想工作室

3.1 BIM 施工模擬

防靜電地板安裝施工前，按照圖1 中基于BIM 的施工模擬體系流程，創(chuàng)建裝飾信息化創(chuàng)想工作室BIM 模型（如圖5 所示），對地面進行精細化建模（單獨創(chuàng)建支架、龍骨、螺桿、面板等族文件），然后對防靜電地板裝配式裝修綠色施工進行全真模擬。能預(yù)知防靜電地板實際安裝過程中可能遇到墻面不方正、基層地面不平、現(xiàn)有內(nèi)開門不能正常開啟等問題，事先做好一定的預(yù)案，避免和減少返工以及資源浪費不利現(xiàn)象，優(yōu)化施工方案，實現(xiàn)合理配置施工資源，節(jié)省施工成本，加快施工進度，控制施工質(zhì)量的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖5 裝飾信息化創(chuàng)想工作室BIM 模型

3.2 BIM 施工技術(shù)交底

防靜電地板安裝施工前，按照圖2 中基于BIM 模型技術(shù)交底一般步驟，創(chuàng)建防靜電地板BIM 三維模型（如圖6 所示，由支架、龍骨、螺桿、面板等族文件組成），然后形成交底文件資料，利用校內(nèi)投影設(shè)備，面向現(xiàn)場管理和安裝人員，進行可視化技術(shù)交底，有效提高防靜電地板裝配式裝修施工技術(shù)交底內(nèi)容的直觀性和精確度，極大提高工作效率。現(xiàn)場的安裝人員可以很快理解施工方案和設(shè)計方案，施工工藝的執(zhí)行更加徹底，減少對資源和能源的浪費，有效保證施工目標(biāo)的順利實現(xiàn)和綠色施工的實施效果。

圖6 防靜電地板BIM 三維模型

3.3 3D 打印節(jié)點構(gòu)造

防靜電地板安裝施工前，按照圖3 中3D 打印流程，打印出1:1 防靜電地板實體節(jié)點構(gòu)造模型（如圖7 所示，考慮面板過大，只打印局部），用于防靜電地板裝配式裝修施工前施工模擬，進行防靜電地板面板、支架、龍骨等材料（材質(zhì)、規(guī)格型號）的選型、材料數(shù)量的準(zhǔn)確確定，實現(xiàn)合理配置施工資源，加快施工進度，節(jié)省施工成本，控制施工質(zhì)量，達到提高裝配式裝修施工效率的目的，保證綠色施工的實施效果。

圖7 防靜電地板3D 打印實體模型

3.4 3D 打印施工材料

防靜電地板裝配式裝修施工中，收邊條作為非受力部位的施工材料，且存在施工材料用量較少，按常規(guī)施工采用金屬壓條施工難度大、造價高且觀感效果差等情況，可以先采用BIM 技術(shù)創(chuàng)建精準(zhǔn)三維模型，然后借助3D 打印技術(shù)，采用綠色環(huán)保材料--PLA，將施工材料收邊條3D 打印出來（如圖8 所示，得到3D 打印一體化陽角收邊條），然后進行現(xiàn)場安裝（安裝效果如圖9 所示），可以減少切割、節(jié)省材料、降低造價、環(huán)保程度高，保證綠色施工的實施效果。

圖8 3D 打印一體化陽角收邊條

圖9 3D 打印一體化陽角收邊條安裝效果

4 結(jié)論

裝配式裝修具備施工工序簡單，干作業(yè)、裝配式施工，減少對資源和能源的浪費等特點，符合綠色施工資源節(jié)約理念，是未來裝修行業(yè)發(fā)展的一種新趨勢。靈活應(yīng)用BIM 和3D 打印現(xiàn)代信息技術(shù)，具體通過BIM 施工模擬、BIM 施工技術(shù)交底、3D 打印節(jié)點構(gòu)造、3D 打印施工材料等方式，可以有效保證裝配式裝修綠色施工的實施效果，較好地解決傳統(tǒng)裝修施工帶來的施工工期長、施工環(huán)境差、耗材浪費大、環(huán)保程度低等弊端，為裝配式裝修綠色施工實際應(yīng)用提供技術(shù)支持。