地鐵工程結合BIM+3D打印

俞靜華 楊庭琴 胡楠 張良

摘 要：地鐵工程，一直是城市建設的重點工程，得到政府各部門、社會各界人士及廣大人民群眾的廣泛關注，是反映城市建設風貌的一個縮影。工程的實施將產生巨大的社會效益、經濟效益和廣泛的社會影響及社會聲譽。我國經歷十多年的探索和發(fā)展后3D打印無論在技術、造價，還是其他應用領域方面都有了跨時代的進步。結合BIM技術指導車站復雜的管線安裝，對推廣BIM技術在集團內軌道交通項目中的應用具有重要意義。

關鍵詞：3D打印;BIM;地鐵

一、 BIM與地鐵工程的結合

（一）地鐵與BIM設計之間的配合

地鐵工程由于其專業(yè)的繁多和設計復雜性，涉及到10余種專業(yè)的共同設計，但是按照傳統(tǒng)的設計流程，不但設計流程時間長，其中不同專業(yè)的復雜碰撞也很難以二維圖紙的形式表達并修改出來。地鐵車站空間有限，專業(yè)多（近20個專業(yè)），管線復雜，容易發(fā)生拆改現(xiàn)象，造成返工、材料浪費、延誤工期。在設計階段引入BIM管線綜合設計，充分考慮安裝和運維的空間要求等因素，可指導施工的BIM管線綜合設計成果。地鐵車站的超過10個專業(yè)部署在相對狹小的車站空間內，各專業(yè)難免發(fā)生沖突;建筑、結構的布局可能加劇設備空間的擠迫。有經驗的設計咨詢單位可給出合理的設計建議，實現(xiàn)設計優(yōu)化，提高設計質量。

（二）地鐵與施工結合BIM之間的配合

進入施工階段后首先對業(yè)主代表、施工單位和監(jiān)理進行培訓，讓他們能熟練使用BIM輔助設計成果并根據(jù)BIM圖進行綜合支吊架的設計和下料，實現(xiàn)材料預加工，保證BIM成果順利的從設計階段傳遞到施工階段。施工配合主要是審核施工單位的綜合支吊架是否改變原BIM設計以及根據(jù)現(xiàn)場實際情況優(yōu)化BIM圖?，F(xiàn)場檢查主要是配合業(yè)主、監(jiān)理到現(xiàn)場檢查施工單位是否做到按BIM圖施工，對沒有做到按BIM圖施工的提出整改意見，以確保施工單位按圖施工。

（三）BIM能為地鐵工程帶來的優(yōu)勢

1、檢修空間有保證，為后期設備和管線的運維提供了技術保證。

2、BIM成果的直觀性，使得運維過程中能利用BIM成果進行工作指導。

3、BIM成果帶有屬性，通過屬性可知管線、設備的一些信息，為運維提供直觀的三維數(shù)據(jù)。

4、由于三維和二維的聯(lián)動性，利用三維生成二維圖，避免后期工程改造時尋找藍圖及核對的煩惱。

5、BIM成果為后期工程改擴建提供設計依據(jù)。

6、BIM成果中的有效信息為后期運維管理數(shù)據(jù)集成提供數(shù)據(jù)來源。

二、 BIM與3D打印技術的結合

（一）BIM模型優(yōu)勢

BIM模型能夠以三維模型的形式直觀展示具體建筑的形態(tài)以及結構，但只存在于電腦端的顯示屏內部，并且文件格式特殊，需要特定的軟件進行查看瀏覽。局限性以及專業(yè)性大大的增加。BIM可以把復雜的建筑變得簡單，同樣也可以把簡單的建筑變得更簡單。BIM尤其適用于定型產品標準化部品的建立，它可以把建立過程中的隱蔽問題表面化，幫助專業(yè)人員做到所有設備的直觀可視。

（二）3D打印方面模式

模型方面由于3D打印模型與BIM模型理論上存在互通性，但是BIM模型大多數(shù)采用Autodesk公司的revit軟件進行繪制建筑以及機電模型，同時3D打印技術一般是以1：100或1：200的比例進行打印，按照1：200的比例來打印的話，建筑結構方面幾乎都可以滿足3D打印機的最小打印尺寸（3D打印機的最小打印尺寸幾乎都為1mm左右，但是有時候要考慮3D打印材料的強度）。所以實際設計管線中長寬小于200mm的風管，橋架以及直徑小于200慢慢的水管都取消打印，只保留大尺寸的管線進行打印。同時還需要進行一些調整，涉及調整軟件為3Dsmax。

（三）打印方面調整

由于3D打印材料目前在國內以光敏固話材料來說均價均在3元/g左右，所以有些結構需要進行特殊制作，下面列舉一些打印中遇到的問題以及解決辦法。

1、結構板體量過大并結構簡單，打印成本太高，且打印速度慢，不符合實際需求。

解決方法：目前暫定修改制作方式，采用亞克力板或透明樹脂板來進行制作。

2、由于打印機打印最小精度為1mm，如果按暫定1：100比例進行打印，有可能會產生不符合美觀的視覺效果。

解決辦法：暫定模型中不繪制字體模型，按照實際模型大小進行可粘貼字體打印，最后等建筑模型打印完成再進不干膠字體粘貼。

3、由于打印機打印最小精度為1mm，機電管線支吊架實際尺寸縮小后會小于最小打印尺寸。

解決辦法：暫定采用方形支吊架，在不影響結構穩(wěn)定性的情況減少部分支吊架使用量。

4、由于打印機打印最小精度為1mm，部分機電管線如60的水管以及150*100的橋架，這些按比例縮放后模型會很脆弱，影響整體觀感，且這部分機電模型占整體模型比例小。

解決辦法：小于400尺寸的管線暫定不打印。

5、機電模型涉及到穿墻孔洞，建筑與機電分開打印的話，會存在建筑模型與機電模型碰撞不能合并的問題。

解決辦法：暫定距離頂板近的洞口直接開到墻頂，距離頂板遠的洞口在管線處進行分割，使管線與建筑模型不接觸，但距離小。

6、由于3D打印材料價格比貴，實心打印導致材料過重且本身材料支撐不住實心結構很容易垮塌。

解決辦法：具體結構輕的部位采用光敏樹脂進行空心打印，結構復雜且對承載力有要求的進行激光燒結空心打印，光敏樹脂由于造價低、打印機成本相對低。激光燒結由于材料成本高、打印機成本也高，但是都是在可控范圍內。

（四）打印前的準備

1、儀器準備

3D打印機、光固化箱、超聲波清洗機、除濕機、空調恒溫、酒精清洗劑、整理箱、UPS電源。

2、原材準備

液態(tài)原材一次儀器需添加24.5桶原材，原材不能有水分污染。

3、環(huán)境準備

保證環(huán)境干燥且恒溫、有穩(wěn)定220V電源、除濕機。

4、注意事項

（1）打印過程中嚴禁把手伸進激光打印范圍內，由于激光為納米級激光，會對皮膚造成傷害;

（2）打印過程中嚴禁改變打印環(huán)境的濕度變化，除濕機必須是始終開始，否則會導致打印模型強度變小，整體支撐不夠;

（3）打印原材料不允許在潮濕的環(huán)境下保存，如有變質的材料應立即作廢;

（4）用一種原材打印的儀器本批次不允許中途添加不同類型的液體原材，如有混合應作廢整個儀器內部的原材;

（5）半年進行一次儀器維護工作;

（6）打印室進入之前最好帶好口罩，原材料有刺激性氣味但對身體無害;

三、結語

地鐵車站機電管線復雜處主要包括設備區(qū)走廊交叉處以及設備區(qū)與公共區(qū)交接處，標準站此類位置大概有15處左右，這類管線復雜處經常出現(xiàn)空間浪費以及空間擁擠的情況，在預先進行3D打印的情況下，進行復雜節(jié)點的深化打印，真實形象的展現(xiàn)出復雜節(jié)點的合理安裝情況，減少因設計問題的局部重復安裝拆卸，節(jié)省人工、工期。機電管線安裝復雜，3D打印技術可以真實形象的指導預制化加工現(xiàn)場安裝以及指導標準構件以及復雜構建的生產制造。對于形態(tài)復雜的異性構件可以用環(huán)保材料進行預先的打印安裝，若形態(tài)完全符合預制化安裝的形式要求在進行批量的生產制造，節(jié)約材料成本。

參考文獻：

[1] 王青《3D打印：一種新興的學習技術》 [J] 2013年04期

[2]李軒 《3D打印技術過程控制問題研究進展》[J]2016年07期

[3]張學軍《3D打印技術研究現(xiàn)狀和關鍵技術》[J]2016年02期

[4]成思源《基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實驗教學》[J]2015年01期

[5]王延慶《3D打印材料應用和研究現(xiàn)狀》[J]2016年04期