突发疫情下BIM+3D打印的装配式建筑技术组合应用的优势*

陈 蕾

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

1 背景概述

新型冠状病毒疫情来势汹汹，为缓解武汉病床位紧缺问题，武汉市于2020年1月23日仿照北京小汤山医院开工建设武汉火神山医院，在短短10天之内，完成了建筑面积34 000 m2，床位1 000张的建设任务，并于2月2日正式交付。2020年1月25日，武汉开工新建建筑面积75 000 m2，床位1 500张的雷神山医院，于2月5日正式交付。两大医院自开工起就成了万千网友关注的焦点，15天之内中国建成了两所医院，国内外无不惊叹中国速度[1]。

2 突发疫情下传统装配式建筑应用存在的问题

全球已经有很多成功的装配式建筑成功案例，比如上海宝业中心、美国的新苹果总部“飞碟”大楼、德国的旭普林总部大楼等。但是由于本次疫情来势凶猛，时间紧迫，套用以前的设计建造方案显然不合适：17年前的北京小汤山医院是利用预制混凝土房屋现场组装，没有固定的尺寸，如果单纯套用小汤山的设计方案，对“二神山”医院的后期使用会有一定的影响；另外当年小汤山医院的病房没有设置隔空层防潮，也没有留有专用的医区走道，而这次疫情的患者数量更加庞大，传染性更强，在医疗专用设备安装、暖气通风、空气净化、污染废水处理、用电要求、远程诊断网络信号等方面要求更高[2]。

所以，综合考虑到“二神山”医院项目的用途和紧迫工期要求，最终方案创新性地决定采用箱式板房和钢结构建筑结合的装配式轻钢结构体系，并且结合BIM虚拟建造技术和3D打印技术来提高建造效率，保证工程质量，使这两所医院在几千万云监工情况下短短十多天时间里竣工投产使用，充分体现了装配式建筑“轻、好、快、省、节能环保”的优点。

3 “二神山”项目中BIM+装配式钢结构体系的协同组合应用

3.1 装配式钢结构技术和BIM技术

装配式建筑，指用工厂生产的预制构件在现场装配而成的建筑。钢结构的装配式建筑产业化程度高，产品与技术配置成熟，可以进行工业化生产、装配化施工组装，大大提高效率、缩短工期，并能够减少施工现场的环境污染。建筑信息模型(BIM)具有可视化、参数化、集成化等特征技术，可以对建筑进行三维精确建模，对建筑模型包括主要的预制构件进行建立和管理，同时将建筑构件的各环节，比如结构设计、施工图设计、工厂加工、现场安装等逐一有针对性地加以体现，并及时生成图表，从而极大地提高设计效率[3]。在该项目建设的各个阶段，两种先进技术都在互相融合，极大程度发挥各自优势，推动工程加速有序进行。

3.2 BIM+装配式钢结构体系设计阶段的组合应用

3.2.1 可视化空间规划和室内空间布局模拟

在该项目的方案设计前期阶段，设计师根据知音湖和黄家湖附近的地理条件、项目任务书等工程资料，在BIM软件中将项目所在的三维信息模型呈现出来，直观地分析建筑与场地之间的关系，为后期场地平整、空间定位以及景观规划提供基础[4-5]；并且通过BIM软件，对项目的场地规划、建筑布局和交通运输路线组织等做出合理的方案设计(见图1，文中所有图片均引自《人民日报》官方网站)。

图1 火神山医院BIM效果图

Chart 1 BIM Rendering of Vulcan Mountain Hospital

另外，由于“二神山”医院接治的都是重症患者，相关大型医疗设备布置多而密集，并且除标准设施外，病毒隔离区十分重要，为了达到空间密闭的要求，均采取“医患分流、人物分流、洁污分流”的原则，采用严格的“三区两通道”的设计(见图2)，设置洁净走廊，避免交叉感染，病房也配置了生活设施和独立卫生间等，并且设置了隔空层防潮。在室内空间布局设计中利用BIM三维软件进行3D渲染漫游，通过对建筑内部视野的分析，使设计人员可以直观地对医院整个室内布置进行准确分析判断和改良(见图3)。

3.2.2 构件部品的参数化设计和可视化碰撞检查

在设计中，两所医院每个集成病房均采用6 m×3 m的尺寸布局，以轻型型钢、薄钢板等钢材作为基本承重骨架，构件之间通过自攻螺丝和各种标准化连接件进行连接，建筑、结构、给排水、电气、暖气通风等各专业的设计师利用BIM平台进行模型的沟通交流，减少设计错误的发生率，并且在平台快速有效地把需要购买进场的材料信息(如产品类型、尺寸型号、生产厂家等)录入，便于提供给相关厂家进行提前生产运输。

图2 火神山医院内部结构布局

图3 雷神山医院病房样板模型

另一方面，由于传染病医院建造中涉及的给排水及消防、供配电系统、照明与监控、通风空调系统、通信弱电、医用气体工程、净化工程、室外市政配套、污水处理等十几个专业的管线数量巨大，如果前期设计安排不好位置留好高差洞口，后期施工过程中就会遇到碰撞问题，设计师利用BIM模型中的Navisworks软件进行可视化碰撞检查，协助优化设计和减少错漏，实现在有限的空间里面完成最合理的各方管线布局方案，提高后期建造效率[6]。

3.3 BIM+装配式钢结构体系生产施工阶段的组合应用

3.3.1 材料工程量的统计和构件详细信息查询

两所医院因为开工紧急，很多设备构件和集装板房需要相关企业连夜开工生产、调运、预制化的模块病房可以实现在工厂车间进行大规模生产后运输到现场进行集中、快速地拼装，所有工作流程简单明了，人员调度方便，施工操作容易。BIM模型平台可将关联的建筑信息进行有效分类、保存，通过设计模型导出所需的信息报表，如进行部品数量统计表、门窗统计表、连接件种类统计、各类钢材重量统计等[7]，向生产单位提交保证部品的生产规格与质量符合要求的相关细加工图和构件数量明细表，并在建筑部品运往施工现场安装前，制定合理的运输计划，保证施工按时进行。

3.3.2 优化施工场地布置和人员材料协调管理，保证施工进度和质量优良

该项目建造过程中，施工总承包方需要在短期内统一组织、协调，为所有参建单位提供合理有效的施工进度和人员安排，做好工序和工艺的穿插流程，保证每家单位都能最大化地发挥自家专业优势，并实现不同类型构件材料的管理高效率。总承包方充分利用BIM技术形成施工场地模型，实现可视化的施工平面布置，判断现场各区域的布置是否合理、材料堆场面积是否满足要求，并且可以根据施工进度计划在任意时间节点上查看施工场地模型的动态变化信息，为实时有效地调整场地布置提供有效科学的依据。

另外，该项目采用了BIM的虚拟VR施工手段，对比多种装配式构件连接方式，兼顾效率和品质，通过综合采用不同的拼装方式，考虑到医疗区和医护生活区不同的结构体系，将现场施工和整体吊装穿插进行，很大幅度上减少现场作业的工作量，提高吊装作业效率，节约时间，保证了工期和施工质量；使用和维护过程中通过BIM智能化系统，对医护工作环境和病房进行实时监测，提高应急设施的管理水平。

4 隔离病房项目BIM+3D打印集成建筑体系的协同组合应用

4.1 3D打印混凝土集成建筑技术

3D打印建筑利用经过特殊玻璃纤维强化处理过的混凝土材料，其强度和使用年限大大高于普通钢砼，并且可以随意填充保温材料，任意设计墙体结构，一次性解决墙体的承重结构问题，造价便宜，建造速度快，对环境污染小，节省材料浪费，还可以重复搬运使用；而集成建筑是以专业化大工厂和社会化协作的生产方式，将建筑部件加以装配集成为市场提供终极完善产品的全新建筑体系，集成建筑中水电管线和装饰装修也可以预先在工厂裁剪成通用配件[6]。将3D打印技术与集成建筑相结合，能够缩短产品制造周期，降低成本[8]。

4.2 BIM与3D打印技术的融合

实现3D打印装配式建筑的核心就是BIM技术，如何有效地将BIM技术与3D打印技术相融合，各取所长，是建筑行业未来发展过程的新思路。BIM与3D打印技术的融合创新中，需要先用BIM软件建立模型，然后转化成STL文件并对相关数据进行分析后，3D打印机按照相应路径进行打印，这中间一旦路径规划完成后，相应的三维模型也会在BIM软件中直观显示，便于进一步对打印过程进行监控和完善[9-10]。而在3D打印设备的运行流程中，首先通过机械臂将放有混凝土拌合物的装置按照打印代码运行，将BIM模型图逐层打印直接生成建筑实物；同时打印过程中的实时数据也会传输到BIM管理平台上，实现对3D打印混凝土装配式建筑生产过程中的质量、工期、成本、安全的可视化、动态化的全程管理[11]。

4.3 BIM与3D打印技术的应用

在本次疫情中，江苏、浙江、上海等建筑科技企业先后利用BIM+3D打印集成装配式建筑技术建造出几十所隔离病房运往湖北鄂州、黄冈等地。这批靠3D打印出来的隔离病房单体面积约10 m2，高2.8 m，其中利用装配技术把空调、卫生间设备、淋浴设施等安装到位，密封性和保温性均可满足单独隔离需要;隔离屋采用壳体结构，具有受力均匀、抗风、抗震的特点(见图4)；这批疫情隔离病房具有可移动、封闭保温和高强度的特点，还可以根据具体情况和防疫需要进行自由拼接、合理布置；隔离屋采用3D打印技术一体化成型，在服役期满之后，隔离屋具有可搬运性，可以运往别处使用或者可将框架结构打碎回收，重新用于3D打印原材料的生产制造。每个隔离屋用一台打印机大约需要2小时时间就可以完成，包括后期的水电卫浴安装，2-3天时间就可以交付，大大缩短了等待时间，节省了时间和人力。

图4 3D打印隔离病房吊装图

5 结语

在这次突发事件中，我国表现出的基建能力令全世界折服，BIM+3D打印装配式建筑技术的创新组合应用体现出了其较强的对环境可变性和适应性，将缩短工期、保证质量、减少场地破坏、环境保护和保证人员安全方面的众多优点体现的淋漓尽致。

另外，也要重视这项技术在未来大规模应用当中遇到的困难。

(1)在设计完成后，包含信息化模型的技术图纸会提供给构件生产商，之后还需要一定数量的技术人员进行图纸的校核和生产构件的信息处理，在这个过程中容易造成信息的传递误解和人力资源浪费；另外，因为相关技术标准的不完善，不同客户对模板有不同的要求，这也会导致生产误差的出现[12]。

(2)未来实现建筑工业化以后，需要的工人更多的是掌握对应行业信息化操作技术的产业工人，而不再是原来的建筑工，要求他们有技能，目前市场上具备相关能力的产业工人非常紧缺，所以需要对工人进行再培训与再教育，对整个建筑行业需要有个提升的过程。

创新是引领发展的第一动力[13]，BIM技术和3D打印技术的信息化融合创新，必将带动装配式建筑行业的一次全面变革。在建筑行业快速发展的浪潮推动下，装配式建筑将朝着更加高效、绿色、安全的方向发展。目前，应该通过集成融合与创新，不断推进完善信息数据标准化，引进推广先进适用的工程案例应用，推动国内建筑工业化技术的水平不断提高。