建筑3D打印中BIM技术应用的研究分析

汤政

摘要：随着我国经济的快速增长，建筑行业也逐步的向低能耗、低污染、精细化施工转变。通过BIM下的三维信息化软件建立模型;拆分及优化模型;将BIM模型导入到建筑3D打印机中进行打印模型。模型可以用来进行多设计方案对比、实体展示施工方案与进度部署、打印异形构件等工作。从应用流程及应用范围上对建筑3D打印技术和BIM技术进行了详细的研究与分析，进而对未来建筑业二者相互结合共同发展的趋势进行了展望，使得建筑3D打印技术与BIM技术的合作共同推动工业化建筑成为可能。

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.

關键词：建筑3D打印;BIM技术;建筑信息化

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

中图分类号：TU17;TU71                             文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0149-04

0  引言

近年来伴随着我国的经济快速增长，建筑业面临的问题也越来越多。能源的日益短缺、环境污染的日益加大也都掣肘着建筑行业向工业化、模块化、标准化的转变。早在国家的“十三五”规划中已经提出建筑行业要朝着绿色化、工业化、信息化、个性化进行发展，逐渐降低当前低科技含量、高生产成本、工业化程度低等不利因素对建筑行业的影响。第三次工业革命带来了3D建筑打印技术。过近些年的发展，该技术已可用于打印大型建筑模型和建筑物、构筑物，也让更多的人意识到3D打印建筑物引领的产业变革即将成为建筑行业未来的发展方向。伴随着BIM技术中的三维建筑信息化模型推广发展与应用，建筑3D打印技术与BIM的共同协作将会对整个建筑产业现代化的发展与转变起到至关重要的作用。住建部2016年在《2016-2020 年建筑业信息化发展纲要》中明确要求针对建筑业要结合BIM技术进行建筑3D打印设备及材料的探索与研究。

1  研究现状及意义

1.1 研究现状

早在上世纪90年代国外就已出现最基本的3D快速成型技术，主要是利用CAD等软件进行三维模型的绘制，然后逐层进行坐标分解，通过特殊的打印设备将金属、树脂等材料逐层进行打印麻将每一层的打印轮廓进行拼装推进直至形成一个尺寸、形状与三维模型一直的实体建筑[1]。近十年来，美国南加州大学B.Khoshnevis等人通过打印材料的试验、有限元分析、轮廓工艺的建造等方式对多喷嘴轮廓工艺建造系统机械手臂无冲突运行路径进行了分析研究。随后英国LimS等人提出了层层堆积形成整体的混凝土3D打印技术。随后2008年，D-shape建造方法的提出与实践使得该技术直接用在太空基地的建设。相比国外，国内直到2013年我国学者以及部分企业才致力于建筑3D打印技术的研究与开发并取得了一定的成果。特别是上海盈创科技，在2014年便运用建筑3D打印技术在一天的时间内成功并快速的打印出10栋2层建筑[2]，如图1所示。随后2015年展出的西安首栋建筑3D打印别墅，从生产到搭建完成只用了十几天的时间，这比传统别墅修建时间节省了半年以上，大大节省了建筑中的时间成本和进度成本[3]。

早在上世纪80年，美国科学家就曾提出关于建筑模型等基本概念。2002年，Autodesk公司正式提出BIM的概念，即为Building Information Modeling。随后美国推出了3D-4D-BIM的国家计划并制定了相应的BIM应用指南及标准[4]。2010年至今，政府的支持与大批量日本的企业对BIM技术的应用使得日本很快时间内已基本全面普及BIM技术的应用。日本、韩国、马来西亚、欧洲各国也在积极推进本土BIM技术的应用与本土标准的制定[5-6]。BIM在国外快速发展的同时，在国内BIM（建筑信息化模型）的理念也逐步成型。特别是在香港，BIM技术广泛的用在地产开发、施工管理中。随后的“十五”、“十一五”国家科技攻关计划中BIM技术被列入重点支撑项目[7]。在国家政策下大量的设计院、地产开发商、高校研究所等纷纷成立BIM团队，对BIM技术进行全方位的研究[8]。国内的南水北调工程、世博会中国馆、等项目中都用到了全寿命周期下的BIM技术，图2所示为南水北调中运用BIM技术建立的泵站模型。

1.2 研究意义

现如今传统建筑行业中的高污染、高消耗、高成本问题日益严重，建筑3D打印技术与BIM信息化技术的提出与共同运用为上述问题提供了解决方法和技术支持。BIM技术不单单是一个3D建造模型的工具，它可以在全寿命周期中不同阶段参与在建建筑的建造管理[9]。而3D建筑打印技术则可以在建造前提前对BIM3D模型进行打印，更加直观的分析对比各种建筑设计方案选出最优解。BIM建造技术可以在虚拟的环境中模拟整个施工过程，而3D打印技术则可以打印出按要求比例缩放的、高精度忠于建筑的3D模型。招投标人员、施工人员均可以更加直观的360°方位观察目的建筑，进而发现并解决设计问题，还可以确定该项目的重难点所在[10]。随着两大技术逐渐的发展进步，混凝土3D打印机甚至可以直接等比例打印建筑实体结构，大大降低的建筑成本。因近乎全机械化施工，因此可以24小时不间断打印施工、无模板施工，也就极大缩短了单位建筑的建造时间。建筑3D打印与BIM技术的结合使得项目各参与人员分工更条理、目的更明确。二者的共同工作，也会为整个建筑生命周期开辟一条低消耗、低成本的绿色环保快捷之路。

2  建筑3D打印中BIM技术的应用流程分析

工程流程指的是单项任务从问题提出到任务结束的完整过程。流程决定着该工程的工作思路及工作效益、效率。因此，設计并建立科学严谨的应用流程并保证该流程的准确行及可控制性至关重要。建筑3D打印中BIM技术的应用流程基本分为四个流程，如图3所示。

2.1 构建三维数字化模型

建筑3D打印的首要前提就是搭建三维数字化BIM模型。根据项目要求及材质属性等制定切实可行的3D模型的构建方案，在同一个BIM平台中，使得建筑、结构、绿色、设备等专业协同工作[5]。在建好三维数字化模型的基础上对建筑进行施工模拟、碰撞检查等后期工序，一旦出现设计与施工相冲突等情况，可以直接在BIM信息化平台中进行修改。BIM建模中常选用Revit、3dsMAX、SolidWorks等软件进行建模，建模结束后可直接导出dwg和stl格式的模型文件与建筑3D打印机进行对接。

2.2 3D打印模型拆分及参数优化

将3D模型导入建筑3D打印机中后，就要具体考虑模型在打印过程中的实施过程。模型本身构件复杂、空间立体感强，一次打印成型的难度比较大。因此要把建筑3D打印的BIM模型进行模块化拆分、打印比例的缩放[3]。建筑3D打印模型拆分及切片原理如图4所示。

在拆分模型中要求：模块化构件尺寸不应大于建筑3D打印的上限尺寸;降低打印悬臂构件的可能性;合理打印必要的构件支撑体等。对各个模块化模型再进行分层切片处理和层片路径划分，拆分优化完毕后，分别导出stl格式文件以便下一步打印。

2.3 实施打印

建筑3D打印机器在开始正式打印前要进行校正、试打印。首先要保证打印台面干净整洁，耗材准备充足，确保机器打印过程的顺利进行。对拆分的3D模型分批次进行逐次打印，在打印过程中要安排专职人员时刻监测打印机运行状况及打印效果。如果打印过程中有意外状况出现应及时暂停打印。每个模块构件打印结束后，用小铲刀轻轻铲下并产出支撑构件。如果选用建筑混凝土3D打印机，还需要严格控制混凝土浆液的配合比、杜绝大颗粒粒料的出现，图5所示为建筑3D打印机现场打印出的混凝土构件。

2.4 模型后期处理及上色

拆分打印出来的BIM模型单元还无法拼装成一个整体，还需要进行打磨、刨光等后期处理工序。对分段打印的构件还需要把连接界面进行打磨处理，以便在胶粘的时候有更好的粘结效果。BIM三维模型中的每一个构件、每一个面都是附有材料属性的，也对应着相应的颜色。为了让三维模型外观更有感官性，就要对打印好的模型进行上色处理，力求做到建筑3D打印模型的整体色彩效果与BIM三维模型中相一致，如图6所示[9]。

3  建筑3D打印中BIM技术的应用范围分析

3.1 三维立体化设计与打印

传统的建筑设计出图均为2D平面图，建筑设计人员、施工人员都要靠自身的想象来进行施工等操作。就这样在2D到3D的转换过程中，设计意图、尺寸等经常被错误解读。BIM技术的三维模型技术可以直观、准确的展现出各设计构件的尺寸、位置、材料属性等重要参数。通过三维可视化的视角及漫游来发现设计中存在的问题，构件之间的不合理碰撞。随后将BIM中的三维模型导入建筑3D打印机中，快速打印出设计阶段初始模型，将设计从2D转变到3D。设计人员通过对打印出的模型进行分析来进行下一步的设计修改或优化。

3.2 多方案的直接对比

在施工前、施工中，特别是在前期招投标阶段，工作人员可以利用建筑3D打印技术打印出多个BIM模型。从BIM模型的导出到3D模型的打印成型只需要短短24小时，速度远超过传统雕刻模型方法。就这样短时间内高效率的打印出多方案模型，对多个方案进行对比分析，查看各个方案的优缺点。图7为某别墅设计中，阳台栏杆方案的对比与选型。通过BIM+建筑3D打印来讨论不同模型对应的工程及建筑未来场景，最终在多选择中定出最佳方案，有效提高评审效率和质量[6]。

3.3 实体展示施工方案与进度部署

单位工程在施工过程中很难明确直观的展示出施工流程。项目中就可以提前利用BIM技术建立施工中、竣工后的数字化模型，通过建筑3D打印机快速打印成型，就可以直观的展示施工方案。在打印BIM模型时候，还可以通过对打印模型的不同着色来展示不同施工过程不同时段的划分和部署情况。相比以往2D图纸前的讲解，BIM+3D打印的方式把施工方案和施工部署变得更加直观化、更有说服力。BIM信息化模型可以查看建筑中任意平面图、剖面图、漫游动画、整体渲染，施工单位人员与甲方人员监理人员沟通时更通透直观。现如今随着建筑3D打印技术的发展，一些建筑构件可以直接打印出来。这种直接打印出的建筑构件的尺寸标准等参数与BIM三维模型中的设计参数完全相符。等建筑构件批量打印生产出再运输到施工现场，采用装配式施工技术直接进行拼接安装。图8为BIM技术与3D打印技术共同建造的某市污水处理设备用房模型及现场的效果图[10]。

3.4 异形构件打印

随着我国经济的快速化发展，建筑也从传统的方块形状逐渐向多样性进行转变。为能达到预想的建筑个性化，建筑师在结构外形、材质或装饰上下足了功夫。个性化建筑内包含的各种异形构件、板壳结构构件、负责的薄壁构件反而给结构工程师及施工人员带来了大量的挑战。建筑3D打印的最大优势就在于无需模具拼装直接对复杂异形构件的打印，如图9所示。3D打印的特点是多个2D界面轮廓的逐层叠加，构件越复杂就越能体现出快速化、精细化打印的优越性。而BIM三维信息化模型也就给建筑3D打印提供了前期根本的数据与技术支持。运用建筑3D打印+BIM技术还可以直接打印复杂钢筋模型用来演示钢筋施工顺序，使得各方工作人员沟通更畅通。

4  结论

现如今建筑行业逐渐由粗犷化施工、高资源消耗和高噪声污染向精细化施工、低耗能、低污染方向转变。建筑3D打印技术与BIM技术的协同与结合给现代建筑行业指引出一条崭新道路。建筑3D+BIM技術应用中建设方案的选择、施工具体部署与进度部署、复杂构件的打印等都让建筑全寿命周期中的各个环节变的立体化和具体化。对二者协同工作过程的分析使得建筑3D打印+BIM技术更规范化。这两种新技术的集成应用在今后的研究和应用中展现出了广阔应用前景，也会逐渐从个性化小数量的建筑转变到大批量、高效率和低成本的3D打印装配式建筑中去。未来建筑3D打印+BIM技术的应用和推广的发展趋势是无法阻挡的。

参考文献：

[1]杜楚彬.“BIM与3D打印”在建筑管理方面的结合应用[J].住宅与房地产，2018（12）：135.

[2]程碧华，汪霄，潘婷.3D打印技术在建筑领域的应用及问题探析[J].科技管理研究，2018，38（07）：172-177.

[3]黄永胜.模块化建筑的结构设计与BIM技术应用研究[D].广州大学，2016.

[4]姬丽苗.基于BIM技术的装配式混凝土结构设计研究[D].沈阳建筑大学，2014.

[5]郭景，王晖，郭志坚，鲁志军.BIM与3D打印技术在建筑装饰工程中的应用[J].施工技术，2018，47（02）：120-122.

[6]刘文峰，葛亿，周正，张树坤.多源BIM信息融合技术[J].土木建筑工程信息技术，2017，9（05）：23-28.

[7]季安康，王海飙.基于BIM的3D打印技术在建筑行业的应用研究[J].科技管理研究，2016，36（24）：184-188.

[8]高果升.智能生产在PC住宅建造中的应用研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[9]傅瑜，赵渊，吴鹏程.3D打印模型在船闸工程建设中的探索与实践[J].港口科技，2015（01）：15-19.

[10]华天冉，张宏，丛勐，李进.建筑3D打印数字建造的应用探索——以南京市江宁污水处理设备用房为例[J].建设科技，2018（03）：30-33.