BIM+装配式+3D打印的综合体研究

2019-03-18殷茂源

工程质量 2019年2期

殷茂源

（中国建筑第八工程局，河北张家口 100097）

0 引言

近年来，建筑领域无时无刻不在更新着打破传统概念的新兴工艺和新兴技术，BIM技术和装配式建筑就是其中的代表。在BIM领域上，我国运用 BIM技术进行生命周期管理的项目数量愈来愈多，取得的生产效益也在不断增长。装配式建筑搭载 BIM技术的综合运营理念已经出现并逐步开始运营化。而几年前新兴的3D打印技术也在突飞猛进，新兴的材料和机器，已经有了打印出概念式房屋的先例，在这之上若将 BIM+装配式+3D 打印三种概念模式结合在一起，三者联动的生产工艺与施工流程对传统建筑领域将造成“震动”。

1 行业现象

1.1 BIM技术（Building Information Modeling）

建筑信息化模型（BIM）是一种三维可视化的模型，而并非某种软件。它将传统的二维图纸转换为三维可视化的建筑模型，无论在深化设计还是施工交底中，它都可以提供参考和建议。相比较传统的二维图纸，BIM技术可以做到更好地还原。运用BIM全周期生命管理，可以有效降低成本，明确的量价分离，使得工程施工、计价更透明、更精确，既有利于业主，也有利于施工单位。

目前BIM技术已经可以运用于如场地分析、建筑策划、方案论证、性能化分析、工程量统计、管线综合、施工进度模拟、施工组织模拟、建筑系统分析等施工全生命周期的各个阶段，为施工单位、建设单位等提供全过程服务。在这之上拓展延伸发展的 BIM+VR，BIM+AR 技术也陆续开发出来，无论是工人的安全警示教育、户主看房验房、装修预见、户型浏览，甚至进行线上模拟管线排布等都可以运用 BIM技术实现，BIM技术将会全方位应用到建筑项目的各个阶段，成为项目的实际管控者。

1.2 装配式建筑（Prefabricated Construction）

装配式建筑指的是由预制构件件在工地装配而成的建筑体，主要依靠工厂生产的预制构件进行装配施工。由于构件制造方式是机械化生产，构件的质量和精度得到保证，人工浇筑出现的“涨模、漏浆、漏筋蜂窝麻面”等问题减少，建筑品质有了质的提高。2016年，国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发［2016］71 号）发文代表国家将逐渐加大装配式推广力度。装配式建筑技术日趋成熟，《“十三五”装配式建筑行动方案要求》2020年全国装配式建筑占新建建筑比例将达 15 % 以上。装配式模块工厂、延伸产业链将发展迅速。

但我国装配式建筑目前尚处于初级阶段，其中难度较高的预制装配剪力墙结构体系以及高强混凝土和预应力技术会是以后的研究趋势，预应力框架结构的预制构件和预应力剪力墙结构预制构件的研制是以后能否代替传统现浇结构的重心。整个行业的多样化发展，形成系列化、多样化的技术体系支撑，是装配式建筑发展的必然结果。

1.3 3D打印技术（3D printing）

3D 打印技术相比较前两者发展的时间近乎相同，在国内出现的理念也是近几年延伸至建筑领域。3D 打印技术最直接的效果就是所需要的任何零件、任何部位，乃至整体，仅需要3D设计图纸，3D模型等，通过数字化三维数据导入与输出，在很快的时间内得出想要的内容。从常见的模具到打印汽车，3D打印技术发展突飞猛进，在建筑领域，工期质变是其最主要的标志。自 2015年起，中国某企业已经推出了3D打印建筑房屋的理念，并且已经将其付诸于实体工程，甚至已经推出了3D打印建筑多层住宅，以及世界上第一个包含内外装饰的由3D打印的面积达1100 m2的精装别墅。3D打印技术在建筑领域应用目前尚未全面推广，但其发展之势头并不亚于BIM技术的推广，相信在不久的将来，3D打印时代也会相继到来。

2 BIM+装配式+3D 打印的技术理念

BP3D理念（BIM+Prefabricated Construction+3D printing）指的是，运用通过 BIM技术将数据三维化输出到3D打印工艺制造出成熟的装配式建筑所需零件，在其基础上再运用BIM全生命周期管理到装配式建筑中得到建筑实体的理念。它结合了 BIM+装配式+3D 打印三种技术理念，具有极大的行业未来竞争力。该理念的亮点有以下几点。

2.1 三项技术相辅相成解决发展难题

BIM技术和装配式建筑以及3D打印三项理念联合运作，可以解决目前三项技术存在的问题，有利于三项技术的发展。现今装配式建筑的制造成本仍较高，存在对特殊大型预制梁、预制柱等构件在现有的预制工厂生产困难的问题，但借助3D打印机器与BIM软件交互系统便可克服。运用3D打印制造的装配式构件节约了人工成本和时间成本，可以有效降低能耗；通过BIM软件所设计的特殊造型难交底的问题也可以通过3D打印技术来直接制造出来，做到“所得即所见”；而装配式建筑的特点是“精密建造”，需要实现精密设计和精密建造，BIM技术以精细度达到毫米级的优势与装配式“精密建造”的特点十分契合，可以实现精细化设计、精密化建造。BP3D理念使三项技术相辅相成，有效利用了三项技术的优势，并降低了单独其一的劣势。

2.2 BIM+装配式应用已经推广

在BIM+装配式建筑运用更加熟练的今天，在目前已经有大量案例的基础上，各方的施工经验，施工管理办法都会越来越成熟和规范化，相关软件也已经支持装配式建筑的模型建造和工程量计算，这对以后国家出台相关政策提供了条件和环境，为以后推广装配式提供了助力。如图1所示，某装配式项目运用BIM软件对装配式建筑构造图进行的模型绘制。

2.3 装配式建筑和3D打印的无缝衔接

目前的装配式建筑的预制构件仍需要预制构件厂提前浇筑好运到现场“搭积木”式安装。在预制构件厂较少的情况下，周边如果多个项目有预制构件需求，其制作速度和方式方法影响各个项目装配式安装速度进而影响工期。制作出大型3D设备，进行3D打印化制造装配式构件，无论是制作速度还是供货量都会大幅度提高。它不限于标准化预制构件，3D 打印可以制造出多种造型的预制构件，但制作速度并不会降低，这对以后装配式建筑造型多样化提供了另一种可能和速度。如笔者单位西虹桥项目中的预售楼的施工就运用了3D打印柱与装配预制式柱共存的方式进行建造（见图2），效果令人满意。

图1 BIM软件针对装配式建模的局部图

图2 3D打印柱与装配预制式柱局部构造图

2.4 3D打印和BIM的多视角结合

BIM技术已经是日臻成熟，3D 打印紧随其后，通过BIM技术进行审图优化的管线碰撞、预留孔洞，将模型完善后的数据转换导入3D打印机，可以使打印出来的预制构件自然留有空洞而且瑕疵大量减少，对以后的管线安装是一大亮点。而且对于BIM模型色彩度的大幅提高，以及原料的添加，3D 打印技术可以保留其渲染色彩，全覆盖式进行楼地面或墙面装修。保温防水隔热层，通过原料使用，达到打印出来的预制构件色彩度饱满，各个装饰和保护层抹面均匀，更大幅降低装修做法时间，提高装修质量。如新版的 Autodesk CAD 软件已经具备了直接连接3D打印机的功能（见图3）。

3 目前的技术难点

3.1 BP3D需要多方联合

图3 Autodesk CAD的3D打印界面图

BP3D模式尚未有项目全运作的先例，从设计、施工、交付，需要设计单位、施工单位、建设单位、咨询单位、供料商等多家协同运作，以往建设单位一味求“省”，施工单位一味求“利”的局面要打破，要形成比现有的项目运营模式更紧密、联动性更强的合作关系。

3.2 BIM对于项目的真正价值尚未完全体现

BIM技术的问题总的来说主要在两个方面，一方面 BIM技术的涵盖面虽广，但是前期投入较大，投入BIM咨询的资金往往要占到合同额的 2 %～5 %，对于项目前期来说资金压力大。国内使用BIM技术运营项目的施工单位目的是量化收益，增加利润，而建设单位更想减少成本费用，投入BIM运营的资金不能够得到可预见的收益，双方的目的不统一影响了BIM技术在项目的应用深度。另一方面BIM技术目前的实用性主要在于机电管线和漫游看房等功能，对于项目BIM实施中带来的无形社会效益及返工率、工程失误、资源优化配置等评估折合后的巨大商业价值并没有重视。规范市场BIM咨询价格，拓宽BIM技术的应用面，做到BIM技术接管现场，从典型项目落实到一般工程还需要时间。

3.3 装配式建筑和3D打印的贴合度没有达到可以批量生产的要求

目前3D打印对于打印材料的选取仍很苛刻，打印出来的房屋材料也并非传统意义上的钢筋混凝土。装饰以及保温防水等材料加入打印材料的队伍仍有着不小的距离。3D 打印的完成度也并非真正的 100 %，当其中有缺陷时的处理方法也没有准确的定论，真正意义上的安全性、抗震性也并没有相关的实验数据，仍需要国家出台标准规范后才能生产使用。

3.4 3D打印和BIM的相关性没有达到理想状态

现阶段BIM模型转换3D打印尚不成熟，并没有统一的软件集成，需要多个软件进行转译，各软件之间的兼容性问题容易导致BIM数据转换到3D打印模型的数据产生丢失或者数据转译错误。产生这种数据性问题无法排查，那么生产出来的问题构件组成的装配式楼房将会是难以预见的灾难，因此解决完美传译和如何检测模型损坏和修补，研发统一集成的BIM和3D模型同平台对接软件也是当下需要考虑的难题。

4 解决方案

BP3D技术的优势和尚未攻克的难点已经有了方向，针对以上需要攻克的难题，笔者提出以下解决意见。

4.1 学习国外先进技术理念

就目前而言欧美国家的装配式、BIM技术、3D 打印理念和应用范围是领先国内的。国外各个分项的技术应用已经十分成熟，国外的发展技术是可以学习，可以借鉴的。3D 打印材料研制和BIM数据对接3D打印，国外有相当多的案例和软件已经实现了这个方向，应该学习欧美国家出台强制的国家级政策规范BIM资质的认可度，对于制造3D打印产品的企业进行资金帮助，引进人才研发新材料等。在已有的装配式政策前提下，加大鼓励建设单位使用装配式建筑的力度，成立国家级BP3D发展联盟，统一市场上的咨询费用，实施BIM咨询的招投标机制，并给予相关企业与国外同领域专家进行交流学习的机会，参加国际的技术研讨，掌握发展动向。同时引进国外的软硬件技术与人才，注重培养相关本土人才，形成一套政府-市场-企业三者参与的成熟的BP3D体系，为的不仅仅是技术理念上跟上国外的发展脚步，更多的是掌握领域的话语权和主动权，做到技术不受制于人，软件专利于人。

4.2 合作大数据和云平台共享“多赢”

云、大、物、移、智中大数据时代的到来宣布国内建筑行业也进入了另一个焕发生命力的时代，运用大数据和云共享，可以积累先前完成的案例，包括国内工程所产生的问题、软件，以及软件生成的成果等数据。通过不断积蓄以及互相共享，数据模拟等得到成熟的运营方案，使各公司、各项目的“信息孤岛”联通起来。数据库的共享可以使软件供应方更好地收集数据优化使用效果；相对的应用方可以以用代馈，用实体项目经验反映软件中的不足。施工单位和建设单位等积极地同科研院所、大专院校、软件开发单位加强合作，通过试点、实验等既可以优化相关软件和技术，又可以较早地培养一批优秀的相关人才，一举多得。这对以后的BP3D试运营有着良好的推动作用。

4.3 积极培养新人才研发新材料掌握新技术

要做到培养人才-创新技术-研发材料三者相互促进。我国的BIM软件公司应积极同高校合作，通过开展BIM高校联赛的方式，以赛代学，同时给在校学生提供同施工企业交流的机会，走出学校的学生入职便具有熟练的软件操作技巧，这样就为企业节省了培训需要花费的资金，节省了培训付出的时间。同时企业内部也要积极开展相关技术的研讨，座谈，互相交流，具有现成的施工经验和现成的施工人才的公司可以加大 BIM奖励机制，鼓励员工学习BIM技术，以企业现成人才作为实践者，以行业内高校大学生作为储备人才，双管齐下，解决人才短缺的问题。

由于BIM软件的垄断性，我国独立拥有自己专利的 BIM软件数量较少，需要拥有一个中国制造的BIM系统。需要现行国内的BIM软件研发团队和技术人才由建造、施工BIM软件向协同协作端软件延伸，不断将触角伸向产业链上下游，经过本地化产品和配套的技术服务支撑，再由国家政策引导国内软件厂商联合发力，通过国家提供资金支持，完成独立产品研发。

材料创新是BP3D理论发展的重要支撑，3D打印材料的限制性是主因。从混凝土到钢筋，目前不能作为素材被3D打印使用，而以后发展预应力和剪力墙装配式结构，这些材料目前来说不能被替代。研发新型材料以满足3D打印的需要，创新材料成为发展的关键，创造出可以替换钢筋混凝土的新型材料或者将钢筋混凝土转换成3D打印原材，都是以后的发展方向。