BIM支持下的3D打印技术在建筑工程中的运用与发展

白祖国

摘 要：本文通过分析BIM的概念及特点，分析探讨了在3D打印技术飞速发展的前提下，3D打印建筑发展的新方式，讨论了3D打印技术对建设工程项目所带来的影响和发展机遇。

关键词：BIM；3D打印；建筑工程

中图分类号：G4 文献标识码：A

1、引言

3D打印技术——按需定制、以相对低廉的成本制造产品——一度被认为是科幻想象，而在本世纪初已经变成现实，其在建筑工程中的运用和发展，获得越来越多的人员的青睐和关注。如何在模型设计领域引入建筑信息模型（Building InformationModel，BIM），使其在建设工程的全寿命周期内获得广泛应用，并取得了良好的效果，是许多工程人员进行思考的一个问题。

2、BIM（建筑信息模型）技术

BIM（Building Information Modeling、建筑信息模型）理念最早源于受到了1973年全球石油危机的影响，美国各行业都需要考虑提高行业效益的问题，1975年乔治亚理工大学的Chunk Eastman教授在其研究的课题“Building Description System”中提出“a computer-based description of-abuilding”，以便于实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率[1] 。

现在对BIM的定义很多，美国国家BIM标准（NBIMS）由于采用开放投票方式来确定了具体标准内容，目前人们一般比较认可这一标准对BIM的定义[2]，简要来说，定义由三部分组成：（1）BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；

（2）BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；

（3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

总体来说，BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它一般应具有以下几个方面的特点[3]：能为项目的协同建设提供相应支持；模型中涉及的信息是可计算的，是数字化、参数定义的能自由调整互动的信息；该信息可以通过计算机即时的进行2D/3D/参数显示和编辑；能生成完整的图形、非图形数据报告方式。

BIM技术是一种应用发达的计算机技术，通过参数模型整合各项目的相关信息，在项目立项、决策、设计、施工、监理、交竣工和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为各方建设主体提供一个协同工作的基础，能在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

3、3D打印技术

3D打印技术的思想及技术根源源自1892年，J.E.Blanther在其专利（#473901）中建议的用分层制造法构成地形图方法。1902年，Carlo Baese的专利（#774549）提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板纸板粘结成三维地形图的方法。

早期的这些专利虽然提出了一些快速成型的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速成型机械及其使用原材料的商品化。而进入20世纪80年代后期，由于计算机技术的快速发展，3D制造技术有了根本性的发展，1993年麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造了三维打印技术（3DP），将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起成形，可称之真正实现了“19个世纪的思想，20世纪的技术”。

3.1设计原理

现在一般的3D打印的设计过程是：先通过计算机辅助设计（CAD）或其他计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型进行逐层分解为截面，从而指导打印机逐层打印。打印机通过使用三角面来大致模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率就越高。

3.2打印过程

打印机通过读取交互文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（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）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，但制造出一个模型通常需要数小时到数天，具体耗时需根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则将时间缩短为数个小时，3D打印技术则可以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。目前一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组所制造模型的需要。

3.3成型

目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够，而在弯曲的表面，为获得更精致细腻的物品，可以先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再经过表面打磨而得到表面光滑的“高分辨率”物品。具体运用中可以同时使用多种材料进行打印，也可以在打印的过程中使用支撑物，比如在打印出某些有倒挂状的物体时，就可以使用一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

4、运用与发展

结合BIM技术和3D打印技术，在不久的未来，建造一栋建筑，就像现在制造企业生产某种产品一样。一个大体量建筑，其建造施工将与生产制造企业生产一架飞机或汽车一样，两者没有什么差别。这些新型的技术发展，将已经改变了人们的生活，具体在建筑工程中，可以有以下几个方面的运用：

4.1设计方案评审：

借助于BIM设计数据，通过3D打印实体模型，不同专业领域（设计、制造、施工、业主）的人员可以对产品实现方案、外观、立面等有直观的观感，从而更直接进行实物设计的评价。BIM技术具有的全数字还原不失真的立体展示、能进行相关构件碰撞、结构物风洞及相关测试等优点，目前已经被现许多设计机构的大型设施或场馆所利用。也可以结合BIM的建模，通过3D打印，将先期构建的精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，这样所发挥的优势和无可比拟的逼真效果将更为直观。

4.2建筑总体与装修展示评价、投标：

利用BIM的全数字化，实现模型真彩及纹理打印，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示、评价和调整。

4.3建筑土建施工：

解决参数化设计、异形建筑形体或局部复杂用传统的设计软件、图纸、施工技术难以精确表达的问题，。BIM的逐渐应用，可打印材料增加、体量变大和成本降低，可以完全实现直接打印出建筑装饰构件，再运输到施工现场安装拼接，甚至可以打印具有足够强度的结构构件，从而节约资源，实现真正意义上的工厂化施工。

4.4管道安装[5]：

通过BIM技术，实时完全掌握相关工程量，采用3D无损打印，保证了安装工程、管道工程与土建工程的无缝衔接，从而对保证工程质量，加快工程进度，降低工程费用，起到极大的作用。

4.5施工管理：

通过BIM技术，完成施工的组织、施工技术的模拟，并通过3D打印，得到更加直观、可视的过程管理空间，实现施工管理的可视化、直接化，并通过提前对模型的观察分析，可以提高项目管理的安全性、进度的可控性。

4.6装饰设计：

通过个性化的定制，结合BIM信息，实现完成业主在个性化家居家具设计、家具模型、个性墙纸等方面的的创意和装饰需求。

5、结束语

随着 3D 打印技术和BIM技术商业应用的发展，“大批量的个性化定制” 将成为重要的生产模式。3D 打印与BIM技术的紧密结合，将衍生出新的细分产业和新的商业模式，会衍生出诸如3D建筑模型建模员、制图员、3D建筑模型店、3D建筑打印店等诸多工种和店铺，催生出一系列需求，创造出新的经济增长点。

但目前无论是对于BIM技术，还是3D打印技术，都存在着相当的技术和实现的难度。诸如BIM技术中，如何使建筑模型得到全寿命周期的运用、如何降低3维设计的难度，使之与大众相适应；3D技术中，对金属材料如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等，如何进行3D打印，快速成型零件的精度和表面质量如何满足工程直接使用要求，都是需要进一步解决的问题。

参考文献：

[1] Eastman， Charles，Fisher 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] 张泳，张云波.BIM及其对工程项目管理人员的影响[J].项目管理技术，2009（9）.

[4] 王锦辉.比洛克·霍什内维斯：“给我两年，打印出一幢房子”[N].中国新闻周刊，2012（45）.

[5] 赵民琪，邢磊.BIM技术在管道预支加工中的运用[J].安装，2012（1）.

（本文审稿 张端丹 ）