BIM與3D打印應(yīng)用模式的探究

章偉豪 劉欣欣

摘要：文章以造型復(fù)雜建筑物的施工為切入點(diǎn)，將BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，探討“BIM+3D打印”新型模式，從材料性能和成本費(fèi)用方面對(duì)該模式進(jìn)行可行性探究。分析了該模式在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值和問(wèn)題。

Abstract： The article takes the construction of complex buildings as the entry point， combines BIM technology with 3D printing technology， discusses the new model of “BIM+3D printing”， and explores the feasibility of this model in terms of material performance and cost. The value and problems of this model in practical applications are analyzed.

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);3D打印;成本;造型復(fù)雜;價(jià)值

Key words： BIM technology;3D printing;cost;complex;value

中圖分類(lèi)號(hào)：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0225-03

0? 引言

隨著人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需求，建筑物的功能已經(jīng)不單單局限于為人們提供居住，設(shè)計(jì)師賦予建筑物的設(shè)計(jì)語(yǔ)言也使建筑物造型愈發(fā)美觀靈動(dòng)。外觀新穎、吸引眼球、打破常規(guī)的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前功能性建筑物的流行趨勢(shì)，這類(lèi)建筑造型獨(dú)特，具有不可復(fù)制性，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異形構(gòu)件繁多，無(wú)先例可供參考。在2018年3月召開(kāi)的“兩會(huì)”上，政府工作報(bào)告明確指出“大力改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)智能化制造，推進(jìn)污染防治取得更大成效”[1]。這一理論的提出，充分肯定了BIM技術(shù)的發(fā)展前景。

目前，作為工業(yè)組成部分之一的建筑業(yè)，發(fā)展速度相比制造業(yè)仍顯落后。造成這一差距的主要原因之一便是BIM等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用大部分是各司其職，相互獨(dú)立，各技術(shù)之間缺乏配合與輔助。在施工過(guò)程中，除了依靠BIM軟件對(duì)建筑物進(jìn)行信息技術(shù)方面的支撐，也需要?jiǎng)?chuàng)新施工技術(shù)來(lái)完成建造任務(wù)。若能輔助提高復(fù)雜施工現(xiàn)場(chǎng)與三維模型之間的認(rèn)識(shí)關(guān)系，對(duì)建筑業(yè)對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用深度會(huì)有顯著提高。

本文通過(guò)精細(xì)的文獻(xiàn)調(diào)研，分析了BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)應(yīng)用在施工過(guò)程中的成本材料優(yōu)勢(shì)并指出該模式下現(xiàn)今仍需要研究的問(wèn)題。

1? “BIM+3D打印”模式的建立

BIM技術(shù)的出現(xiàn)，首先解決了二維圖紙平面化的抽象概念。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的施工中，土建工程的模板及其支撐體系、鋼筋曲率以及施工作業(yè)平臺(tái)的空間都制約著建設(shè)過(guò)程的順利進(jìn)行，不規(guī)則結(jié)構(gòu)支模板工序繁瑣，傳統(tǒng)模板不可二次利用，浪費(fèi)材料，使高空作業(yè)的程序復(fù)雜，工地現(xiàn)場(chǎng)的安全性降低，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為異形結(jié)構(gòu)的施工提供了可供參考的解決方案。同樣，在機(jī)電安裝工程中，管線(xiàn)排布也是施工的重難點(diǎn)，使用BIM建立管綜模型后，利用3D打印機(jī)打印出效果模型，工人在安裝之前可以自己動(dòng)手拼裝模型，了解設(shè)備的安裝，設(shè)備的定位，以實(shí)物模型指導(dǎo)機(jī)電的安裝，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的效率。

將BIM與3D打印技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于建筑生產(chǎn)領(lǐng)域，以BIM模型搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)與3D打印機(jī)控制系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)由三維虛擬模型向?qū)嵨锏闹悄苻D(zhuǎn)化，這一組合模式的構(gòu)建，滿(mǎn)足了異形構(gòu)件和機(jī)電安裝的施工需求，同時(shí)，也為處于建筑行業(yè)盈利水平末端的施工企業(yè)，提高了營(yíng)業(yè)收入，增加了降低安全風(fēng)險(xiǎn)的途徑，是改善施工企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況的重要方式之一。因此“BIM+3D打印”模式是值得研究和分析的。

2? 3D打印技術(shù)的可行性分析

2.1 3D打印建筑材料的可行性分析

3D打印建筑材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)建筑物實(shí)體的核心技術(shù)。目前，國(guó)外已有部分學(xué)者就3D打印建筑材料進(jìn)行了嘗試性研發(fā)，如荷蘭專(zhuān)家采用樹(shù)脂及塑料類(lèi)材料進(jìn)行研發(fā);美國(guó)專(zhuān)家采用樹(shù)脂砂漿類(lèi)、黏土類(lèi)、混凝土類(lèi)材料進(jìn)行試驗(yàn)。通常情況下，3D打印材料主要分為四類(lèi)：塑料，金屬，陶瓷和蠟等[2]，這些材料成本高，力學(xué)性能差，且不環(huán)保應(yīng)用于建筑物以后宜居性差。

有兩種材料適合作為3D打印的原材料，一種是水泥基復(fù)合材料（Fiber-Rein-Force Concrete，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FRC）具備制作建筑承壓構(gòu)件的前提條件，它在豎直堆積性能、材料強(qiáng)度上比較符合目前混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn);另一種是以經(jīng)過(guò)加工研磨后廢棄混凝土和煤渣作為原材料，其主要作用于建筑物的裝飾性構(gòu)件[3]。

3D打印建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在宏觀方面主要受制于以下兩個(gè)影響因素：第一是材料自身的性能，;第二是由于3D打印機(jī)的工作原理屬于分層疊加形式，在材料強(qiáng)度固定的情況下削弱了結(jié)構(gòu)的整體性能，在抗剪切力破壞中存在薄弱環(huán)節(jié)。

如何使其在沒(méi)有鋼筋的配合下保持抗剪切力破壞，目前主要方法是通過(guò)摻加玻璃纖維、復(fù)合纖維等材料增加抗拉性能，雖然與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪切性能有一定差距，但作為建筑裝飾性部位的非承重結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度上仍然滿(mǎn)足要求。3D打印建筑材料由于還沒(méi)有形成固定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大多數(shù)有關(guān)材料性能的探究仍處于試驗(yàn)階段[4][5]。