BIM+3D 打印在建筑领域的应用探究

韩液

（内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010）

1 建筑3D 打印混凝土技术及施工工艺

1.1 建筑3D 打印混凝土技术

根据bos 等人的研究汇总[1]，目前，基于3D 打印的3D 打印方法可划分为两种：一种是面向已有建筑结构的3D 打印，侧重于提升已有的建造效率。二是面向既有建筑设计的创新性突破，实现特定的功能与用途，重点面向具有较大形状的建筑构件及零件的打印。在建设中，3D 打印的施工工艺可分为轮廓工艺、D型工艺和混凝土打印三类[2]。

轮廓工艺（Contour Crafting，CC）[3]是一种添加制造技术，最早由美国南加州的大学Khosnevis 教授提出。通过计算机程序控制龙门架在三维空间中机械的移动，精准地将材料送到指定位置完成打印过程。至今，轮廓工艺已经发展趋向成熟，在国内外建筑领域得到广泛的应用。

D 型工艺[4]（D-shape），通过喷挤装置将打印材料按照一定的宽度和厚度进行打印，由意大利的工程建造师Dini提出。主要应用于中等体量的结构打印，打印材料主要是粉末材料和化学粘结剂混合组成。D 型工艺打印的结构整体性好、强度高、成本较低，但是由于其打印装置较大，实际应用中打印尺寸受限。

混凝土打印工艺[5]最早是由拉夫堡大学建筑工程学院提出这一概念，同样使用喷嘴挤压混凝土按预定轨迹逐层打印，但所要求混凝土打印过程必须更加精确，对于打印复杂结构更具优势，缺点是打印速度较慢。混凝土打印对建设过程中使用材料的凝结固化时间和强度要求较高，通常使用具有良好性能的聚丙烯纤维混凝土作为打印材料。

1.2 施工工艺

1.2.1 现场打印

现场打印的方法，主要是通过连续打印逐层叠加的方法，在地基上直接打印出建筑主体，在打印之前，需要预先设置好装置孔和构造柱的位置，然后再将其与二次浇注混凝土构成整体结构。

1.2.2 装配式打印工艺

3D 打印的装配式打印工艺是在厂房内将打印出的构件，通过维修和检验，然后运送到施工工地，再用绑扎和焊接的方法在工地上进行组装和安装。在打印之前，要在信息建模中确定好管子、窗口等开口的位置及尺寸，并预先确定预埋件的位置，待零件运至工地后，再进行二次浇筑，完成墙体的拼接。图1 是3D 打印装配式房屋建造的通用流程。

图1 3D 打印装配式建筑施工一般流程图

2 3D 打印与BIM 技术的融合

2016年8 月，国家发改委发布了《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》，明确提出要大力推进3D 打印装备与材料研发。BIM 和3D 打印是目前我国大力提倡的新型科技，它既是土木工程、软件、材料等多学科交叉、相互渗透的创新性研究思路，也能与“产业化”相适应，具有很强的市场潜力，是一种新兴的新兴科技，必将成为一个新兴的产业。

2.1 BIM 技术

BIM 是一个3D 的可视化模型，它不是一个单一的软件，而是一个3D 的可视化模型。该系统将传统的2D 制图转化为3D 虚拟的建筑物，并将其与真实的建设项目进行立体连接[6]。BIM 是一种建模成果，其在结构、性能等方面不同于传统的三维建模。在这些功能特征中，实体特征包含了结构构件的类型、空间布局、机械和材料的堆积方式等；功能特征包含了建筑结构的功能概述、建筑规范的制定、施工过程中的实时动态生成、修改、管理与共享等。

2.2 BIM-3D 打印技术

基于BIM 的建筑物建模能够保证模型的设计参数可视化表达，3D 打印则能够更为逼真、立体地表现出整个建筑物，从而实现对建筑设计的全面展示。因此，采用BIM和3D 打印的方法，可以实现对建筑物中的重要部件进行单独的打印展示[7]，从而使建筑物的材料和构造特性得到更好的展示。所以，将BIM 技术与3D 打印技术相结合，一方面可以对建筑的关键构件加以分别打印呈现，以更加清晰地呈现建筑材质与结构特征。另一方面，在需要大量的人力需求，且人工费价格高昂的今天，BIM 与3D 打印技术的有机结合，在节省不少人力资源的同时，它可以弥补建筑业资源浪费，环境污染，工期长的缺点。可以说，这两种方法的综合运用，是我国建筑业在科技发展上的一次巨大的飞跃，对建筑业的发展也有一定的促进作用。

BIM+3D 打印技术的打印流程主要是是使用Revit 对被测对象进行3D 建模，而Revit 不能直接输出STP、STEP 或STL 等，所以可以先将其转化为ACIS 文件的DWG，然后在AutoCAD 中进行输出，也可以通过3dmax输出。在完成了建模之后，可以将STL 格式的模型文档输出到3D 打印机中。具体打印流程如图2 所示。

图2 BIM+3D 打印技术流程

3 应用案例

3.1 工程概况

广东碧桂园职业学院体育馆由国良建筑工程有限公司承建，总建筑面积6930m2，建筑高度16.10m，设计使用年限50年。建筑主体结构为钢筋混凝土框架，屋面采用钢网架，室内有三面看台、标准篮球场、琴房等。其中琴房位于学院体育馆三层东侧，共20 间。

3.2 BIM 应用点介绍

3.2.1 进度应用控制点

①将进度计划安排录入或导入到Luban iWorks 中体育馆土建模型，利用网络图和横道图相辅相成的方式，可以为体育馆项目管理提供快速、准确、有效的计划安排。②通过BIM 技术建立进度计划与学院体育馆模型的关联，将原本二维的进度计划数据转化为可视的三维进度模型，每条任务都可以根据施工段、构件大小类、计算项目建立其与BIM 模型的关联，任务关联的BIM 模型数据即时展示在软件界面中。③根据当前日期和进度计划中任务的计划结束日期进行比较，对即将到期的任务或者到期未完成的任务进行提醒。

3.2.2 资料管理应用点

利用Luban iWorks 中的资料管理功能，对上传的学院体育馆工程所有资料，进行按标签分类、有序排列，并进行模型的关联，能够较好地改变以往资料混乱、容易丢失的局面。

手机安装“鲁班工场”APP，可以实现随时随地更新资料，在学院体育馆施工现场进行施工质量检查，可以上传现场检查照片，实现多个参建方实时查看。

在Luban iWorks 中，可以针对各种类型资料，创建出对应的二维码，让资料的查看变得更加便捷，在对方手机安装了“鲁班工场”APP 前提下，只需扫码即可进行资料查阅针对学院体育馆现场检查梁、柱钢筋。

3.3 BIM 施工技术交底

BIM 施工技术交底，是在常规的施工工艺交底的前提下，将BIM 等先进的信息技术方法融入其中，将原有的一维、二维层次的施工工艺交底转化为能够准确、直观地表现出复杂装修节点的立体层次施工技术交底，采用BIM模式进行施工工艺交底，可以对施工中的施工技术交底进行高效的提升，让参加施工的人员能够快速、准确地了解施工重难点、施工工艺流程、技术措施要求等。对体育馆琴房地板装饰进行BIM 技术说明，将其运用到琴房的BIM三维模型中，加强了复合地板的BIM 三维节点结构构造，能够对施工中出现的各类问题进行及时的检测和解答，从而对钢琴房强化复合地板的安装质量进行保障。

3.4 3D 打印节点构造

在3D 打印过程中，我们先用Revit、Solidworks、UG等三维建模工具建立所需要的三维结构，再用Revit 软件输出一个带有. stl 格式的三维模型，并将其输入到3D 打印机上，对其进行切割，得到一个带有. gcode 格式的三维结构模型，最后将.gcode 格式模型用SD 卡和3D 打印机相连，打印出3D 节点构造的实物模型，并通过调节结构模型的打印比率，实现1:1 的立体结构。

当前，可供3D 打印的高分子聚合物（PLA）被广泛应用于3D 打印领域，它是利用可再生的农作物（如甘薯、玉米等）提取的淀粉制备而成。它的相容性好，且可降解，拉伸性能好，非常适合3D 打印的建筑结构；因此，本文针对目前琴室铺装增强复合材料地板时，对传统增强复合材料地板上留有伸缩缝的方法进行了改良，将BIM、3D 打印等先进的信息技术结合（见图3），根据增强复合材料地板的尺寸和预留的伸缩缝宽度，选取适当的“3D 打印板簧”尺寸和个数，将其嵌入伸缩缝内，既能满足增强复合材料地板的正常热胀冷缩要求，又能提高工程建设的效率。

图3 用于体育馆琴房的“3D 打印弹簧片”

3.5 3D 打印混凝土复杂形态构件构造设计

传统混凝土施工建造模式下，建筑构件的设计和建造受到诸多限制，最为主要的是：受制于支模浇筑工艺的技术难度和钢筋混凝土材料的结构性能，复杂形态的构件由于在支模时难于定位，整个施工过程十分复杂。而在引入BIM-3D 打印混凝土技术后，根据不同建筑构件结构功能和打印建造特点的不同，结合3D 打印混凝土的材料特性和以机械臂平台为运动基础的轮廓打印工艺，将打印模型转换成STL 文件格式，就可以输入到机器内打印完成，且在打印建造的时候能够以高精确度实现。

3.5.1 建筑墙体支撑构件

建筑墙体构件通常指的是传统建筑语境里的垂直结构构件，分为抗震墙、抗风墙或结构墙，在对体育馆内部琴房的结构设计时，主要专注于自由弯曲形态的墙体设计和打印建造，目的是探寻一种兼具复杂形态和良好结构性能的3D 打印复杂墙体支撑构件，突出与传统线性形态垂直墙体建造方式的不同。

3.5.2 建筑立面装饰构件

建筑立面装饰构件指的是用于建筑外立面的实体装饰性构件，具有形态多变，自身结构稳定，保有完整或部分围合的特点。基于3D 打印混凝土技术的复杂形态建造能力，在体育馆内部进行了立面装饰性构件的设计和打印建造，施工过程中去除了传统混凝土建造过程中的支模、拆模等繁琐工艺，只需要数名操作员操作，且多种形态的装饰性构件兼具复杂形态与良好结构性能，因此节约了大量的人工、材料和管理成本。（图4）

图4 体育馆建筑立面装饰构件

4 结语

将BIM 与3D 打印相结合，灵活运用BIM 施工工艺交底、3D 打印节点构建，可有效缓解人力不足、施工管理难等问题。通过实际应用案例结果表明，BIM+3D 打印技术能够很好地解决施工现场因缺少配件带来的问题，3D打印能够针对工地的特定条件，对建筑物的构造和构件做出适当的调节，优先选择经济实用、价格低廉的材质，从而更加凸显出3D 打印的经济优点。其次，实现特殊复杂形态构件的设计和建造时，能够简洁高效化地对复杂形态构件进行构造设计打印，完成传统施工难以达到的这种技术要求，有效地保证施工进度、施工质量，可以预见，基于BIM 的3D 打印技术将会在建筑业得到广泛的推广。在未来的实际工程项目应用实践中，二者的有机融合，将为当代建筑业开辟一条全新的发展之路。