突發(fā)疫情下BIM+3D打印的裝配式建筑技術(shù)組合應(yīng)用的優(yōu)勢*

陳 蕾

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

1 背景概述

新型冠狀病毒疫情來勢洶洶，為緩解武漢病床位緊缺問題，武漢市于2020年1月23日仿照北京小湯山醫(yī)院開工建設(shè)武漢火神山醫(yī)院，在短短10天之內(nèi)，完成了建筑面積34 000 m2，床位1 000張的建設(shè)任務(wù)，并于2月2日正式交付。2020年1月25日，武漢開工新建建筑面積75 000 m2，床位1 500張的雷神山醫(yī)院，于2月5日正式交付。兩大醫(yī)院自開工起就成了萬千網(wǎng)友關(guān)注的焦點(diǎn)，15天之內(nèi)中國建成了兩所醫(yī)院，國內(nèi)外無不驚嘆中國速度[1]。

2 突發(fā)疫情下傳統(tǒng)裝配式建筑應(yīng)用存在的問題

全球已經(jīng)有很多成功的裝配式建筑成功案例，比如上海寶業(yè)中心、美國的新蘋果總部“飛碟”大樓、德國的旭普林總部大樓等。但是由于本次疫情來勢兇猛，時(shí)間緊迫，套用以前的設(shè)計(jì)建造方案顯然不合適：17年前的北京小湯山醫(yī)院是利用預(yù)制混凝土房屋現(xiàn)場組裝，沒有固定的尺寸，如果單純套用小湯山的設(shè)計(jì)方案，對(duì)“二神山”醫(yī)院的后期使用會(huì)有一定的影響；另外當(dāng)年小湯山醫(yī)院的病房沒有設(shè)置隔空層防潮，也沒有留有專用的醫(yī)區(qū)走道，而這次疫情的患者數(shù)量更加龐大，傳染性更強(qiáng)，在醫(yī)療專用設(shè)備安裝、暖氣通風(fēng)、空氣凈化、污染廢水處理、用電要求、遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等方面要求更高[2]。

所以，綜合考慮到“二神山”醫(yī)院項(xiàng)目的用途和緊迫工期要求，最終方案創(chuàng)新性地決定采用箱式板房和鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)合的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系，并且結(jié)合BIM虛擬建造技術(shù)和3D打印技術(shù)來提高建造效率，保證工程質(zhì)量，使這兩所醫(yī)院在幾千萬云監(jiān)工情況下短短十多天時(shí)間里竣工投產(chǎn)使用，充分體現(xiàn)了裝配式建筑“輕、好、快、省、節(jié)能環(huán)保”的優(yōu)點(diǎn)。

3 “二神山”項(xiàng)目中BIM+裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同組合應(yīng)用

3.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)和BIM技術(shù)

裝配式建筑，指用工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場裝配而成的建筑。鋼結(jié)構(gòu)的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化程度高，產(chǎn)品與技術(shù)配置成熟，可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工組裝，大大提高效率、縮短工期，并能夠減少施工現(xiàn)場的環(huán)境污染。建筑信息模型(BIM)具有可視化、參數(shù)化、集成化等特征技術(shù)，可以對(duì)建筑進(jìn)行三維精確建模，對(duì)建筑模型包括主要的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行建立和管理，同時(shí)將建筑構(gòu)件的各環(huán)節(jié)，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工廠加工、現(xiàn)場安裝等逐一有針對(duì)性地加以體現(xiàn)，并及時(shí)生成圖表，從而極大地提高設(shè)計(jì)效率[3]。在該項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)階段，兩種先進(jìn)技術(shù)都在互相融合，極大程度發(fā)揮各自優(yōu)勢，推動(dòng)工程加速有序進(jìn)行。

3.2 BIM+裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)階段的組合應(yīng)用

3.2.1 可視化空間規(guī)劃和室內(nèi)空間布局模擬

在該項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)前期階段，設(shè)計(jì)師根據(jù)知音湖和黃家湖附近的地理?xiàng)l件、項(xiàng)目任務(wù)書等工程資料，在BIM軟件中將項(xiàng)目所在的三維信息模型呈現(xiàn)出來，直觀地分析建筑與場地之間的關(guān)系，為后期場地平整、空間定位以及景觀規(guī)劃提供基礎(chǔ)[4-5]；并且通過BIM軟件，對(duì)項(xiàng)目的場地規(guī)劃、建筑布局和交通運(yùn)輸路線組織等做出合理的方案設(shè)計(jì)(見圖1，文中所有圖片均引自《人民日?qǐng)?bào)》官方網(wǎng)站)。

圖1 火神山醫(yī)院BIM效果圖

Chart 1 BIM Rendering of Vulcan Mountain Hospital

另外，由于“二神山”醫(yī)院接治的都是重癥患者，相關(guān)大型醫(yī)療設(shè)備布置多而密集，并且除標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施外，病毒隔離區(qū)十分重要，為了達(dá)到空間密閉的要求，均采取“醫(yī)患分流、人物分流、潔污分流”的原則，采用嚴(yán)格的“三區(qū)兩通道”的設(shè)計(jì)(見圖2)，設(shè)置潔凈走廊，避免交叉感染，病房也配置了生活設(shè)施和獨(dú)立衛(wèi)生間等，并且設(shè)置了隔空層防潮。在室內(nèi)空間布局設(shè)計(jì)中利用BIM三維軟件進(jìn)行3D渲染漫游，通過對(duì)建筑內(nèi)部視野的分析，使設(shè)計(jì)人員可以直觀地對(duì)醫(yī)院整個(gè)室內(nèi)布置進(jìn)行準(zhǔn)確分析判斷和改良(見圖3)。

3.2.2 構(gòu)件部品的參數(shù)化設(shè)計(jì)和可視化碰撞檢查

在設(shè)計(jì)中，兩所醫(yī)院每個(gè)集成病房均采用6 m×3 m的尺寸布局，以輕型型鋼、薄鋼板等鋼材作為基本承重骨架，構(gòu)件之間通過自攻螺絲和各種標(biāo)準(zhǔn)化連接件進(jìn)行連接，建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖氣通風(fēng)等各專業(yè)的設(shè)計(jì)師利用BIM平臺(tái)進(jìn)行模型的溝通交流，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生率，并且在平臺(tái)快速有效地把需要購買進(jìn)場的材料信息(如產(chǎn)品類型、尺寸型號(hào)、生產(chǎn)廠家等)錄入，便于提供給相關(guān)廠家進(jìn)行提前生產(chǎn)運(yùn)輸。

圖2 火神山醫(yī)院內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

圖3 雷神山醫(yī)院病房樣板模型

另一方面，由于傳染病醫(yī)院建造中涉及的給排水及消防、供配電系統(tǒng)、照明與監(jiān)控、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、通信弱電、醫(yī)用氣體工程、凈化工程、室外市政配套、污水處理等十幾個(gè)專業(yè)的管線數(shù)量巨大，如果前期設(shè)計(jì)安排不好位置留好高差洞口，后期施工過程中就會(huì)遇到碰撞問題，設(shè)計(jì)師利用BIM模型中的Navisworks軟件進(jìn)行可視化碰撞檢查，協(xié)助優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少錯(cuò)漏，實(shí)現(xiàn)在有限的空間里面完成最合理的各方管線布局方案，提高后期建造效率[6]。

3.3 BIM+裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系生產(chǎn)施工階段的組合應(yīng)用

3.3.1 材料工程量的統(tǒng)計(jì)和構(gòu)件詳細(xì)信息查詢

兩所醫(yī)院因?yàn)殚_工緊急，很多設(shè)備構(gòu)件和集裝板房需要相關(guān)企業(yè)連夜開工生產(chǎn)、調(diào)運(yùn)、預(yù)制化的模塊病房可以實(shí)現(xiàn)在工廠車間進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行集中、快速地拼裝，所有工作流程簡單明了，人員調(diào)度方便，施工操作容易。BIM模型平臺(tái)可將關(guān)聯(lián)的建筑信息進(jìn)行有效分類、保存，通過設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出所需的信息報(bào)表，如進(jìn)行部品數(shù)量統(tǒng)計(jì)表、門窗統(tǒng)計(jì)表、連接件種類統(tǒng)計(jì)、各類鋼材重量統(tǒng)計(jì)等[7]，向生產(chǎn)單位提交保證部品的生產(chǎn)規(guī)格與質(zhì)量符合要求的相關(guān)細(xì)加工圖和構(gòu)件數(shù)量明細(xì)表，并在建筑部品運(yùn)往施工現(xiàn)場安裝前，制定合理的運(yùn)輸計(jì)劃，保證施工按時(shí)進(jìn)行。

3.3.2 優(yōu)化施工場地布置和人員材料協(xié)調(diào)管理，保證施工進(jìn)度和質(zhì)量優(yōu)良

該項(xiàng)目建造過程中，施工總承包方需要在短期內(nèi)統(tǒng)一組織、協(xié)調(diào)，為所有參建單位提供合理有效的施工進(jìn)度和人員安排，做好工序和工藝的穿插流程，保證每家單位都能最大化地發(fā)揮自家專業(yè)優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)不同類型構(gòu)件材料的管理高效率?？偝邪匠浞掷肂IM技術(shù)形成施工場地模型，實(shí)現(xiàn)可視化的施工平面布置，判斷現(xiàn)場各區(qū)域的布置是否合理、材料堆場面積是否滿足要求，并且可以根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃在任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)上查看施工場地模型的動(dòng)態(tài)變化信息，為實(shí)時(shí)有效地調(diào)整場地布置提供有效科學(xué)的依據(jù)。

另外，該項(xiàng)目采用了BIM的虛擬VR施工手段，對(duì)比多種裝配式構(gòu)件連接方式，兼顧效率和品質(zhì)，通過綜合采用不同的拼裝方式，考慮到醫(yī)療區(qū)和醫(yī)護(hù)生活區(qū)不同的結(jié)構(gòu)體系，將現(xiàn)場施工和整體吊裝穿插進(jìn)行，很大幅度上減少現(xiàn)場作業(yè)的工作量，提高吊裝作業(yè)效率，節(jié)約時(shí)間，保證了工期和施工質(zhì)量；使用和維護(hù)過程中通過BIM智能化系統(tǒng)，對(duì)醫(yī)護(hù)工作環(huán)境和病房進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高應(yīng)急設(shè)施的管理水平。

4 隔離病房項(xiàng)目BIM+3D打印集成建筑體系的協(xié)同組合應(yīng)用

4.1 3D打印混凝土集成建筑技術(shù)

3D打印建筑利用經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理過的混凝土材料，其強(qiáng)度和使用年限大大高于普通鋼砼，并且可以隨意填充保溫材料，任意設(shè)計(jì)墻體結(jié)構(gòu)，一次性解決墻體的承重結(jié)構(gòu)問題，造價(jià)便宜，建造速度快，對(duì)環(huán)境污染小，節(jié)省材料浪費(fèi)，還可以重復(fù)搬運(yùn)使用；而集成建筑是以專業(yè)化大工廠和社會(huì)化協(xié)作的生產(chǎn)方式，將建筑部件加以裝配集成為市場提供終極完善產(chǎn)品的全新建筑體系，集成建筑中水電管線和裝飾裝修也可以預(yù)先在工廠裁剪成通用配件[6]。將3D打印技術(shù)與集成建筑相結(jié)合，能夠縮短產(chǎn)品制造周期，降低成本[8]。

4.2 BIM與3D打印技術(shù)的融合

實(shí)現(xiàn)3D打印裝配式建筑的核心就是BIM技術(shù)，如何有效地將BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)相融合，各取所長，是建筑行業(yè)未來發(fā)展過程的新思路。BIM與3D打印技術(shù)的融合創(chuàng)新中，需要先用BIM軟件建立模型，然后轉(zhuǎn)化成STL文件并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，3D打印機(jī)按照相應(yīng)路徑進(jìn)行打印，這中間一旦路徑規(guī)劃完成后，相應(yīng)的三維模型也會(huì)在BIM軟件中直觀顯示，便于進(jìn)一步對(duì)打印過程進(jìn)行監(jiān)控和完善[9-10]。而在3D打印設(shè)備的運(yùn)行流程中，首先通過機(jī)械臂將放有混凝土拌合物的裝置按照打印代碼運(yùn)行，將BIM模型圖逐層打印直接生成建筑實(shí)物；同時(shí)打印過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也會(huì)傳輸?shù)紹IM管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印混凝土裝配式建筑生產(chǎn)過程中的質(zhì)量、工期、成本、安全的可視化、動(dòng)態(tài)化的全程管理[11]。

4.3 BIM與3D打印技術(shù)的應(yīng)用

在本次疫情中，江蘇、浙江、上海等建筑科技企業(yè)先后利用BIM+3D打印集成裝配式建筑技術(shù)建造出幾十所隔離病房運(yùn)往湖北鄂州、黃岡等地。這批靠3D打印出來的隔離病房單體面積約10 m2，高2.8 m，其中利用裝配技術(shù)把空調(diào)、衛(wèi)生間設(shè)備、淋浴設(shè)施等安裝到位，密封性和保溫性均可滿足單獨(dú)隔離需要;隔離屋采用殼體結(jié)構(gòu)，具有受力均勻、抗風(fēng)、抗震的特點(diǎn)(見圖4)；這批疫情隔離病房具有可移動(dòng)、封閉保溫和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，還可以根據(jù)具體情況和防疫需要進(jìn)行自由拼接、合理布置；隔離屋采用3D打印技術(shù)一體化成型，在服役期滿之后，隔離屋具有可搬運(yùn)性，可以運(yùn)往別處使用或者可將框架結(jié)構(gòu)打碎回收，重新用于3D打印原材料的生產(chǎn)制造。每個(gè)隔離屋用一臺(tái)打印機(jī)大約需要2小時(shí)時(shí)間就可以完成，包括后期的水電衛(wèi)浴安裝，2-3天時(shí)間就可以交付，大大縮短了等待時(shí)間，節(jié)省了時(shí)間和人力。

圖4 3D打印隔離病房吊裝圖

5 結(jié)語

在這次突發(fā)事件中，我國表現(xiàn)出的基建能力令全世界折服，BIM+3D打印裝配式建筑技術(shù)的創(chuàng)新組合應(yīng)用體現(xiàn)出了其較強(qiáng)的對(duì)環(huán)境可變性和適應(yīng)性，將縮短工期、保證質(zhì)量、減少場地破壞、環(huán)境保護(hù)和保證人員安全方面的眾多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)的淋漓盡致。

另外，也要重視這項(xiàng)技術(shù)在未來大規(guī)模應(yīng)用當(dāng)中遇到的困難。

(1)在設(shè)計(jì)完成后，包含信息化模型的技術(shù)圖紙會(huì)提供給構(gòu)件生產(chǎn)商，之后還需要一定數(shù)量的技術(shù)人員進(jìn)行圖紙的校核和生產(chǎn)構(gòu)件的信息處理，在這個(gè)過程中容易造成信息的傳遞誤解和人力資源浪費(fèi)；另外，因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不完善，不同客戶對(duì)模板有不同的要求，這也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)誤差的出現(xiàn)[12]。

(2)未來實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化以后，需要的工人更多的是掌握對(duì)應(yīng)行業(yè)信息化操作技術(shù)的產(chǎn)業(yè)工人，而不再是原來的建筑工，要求他們有技能，目前市場上具備相關(guān)能力的產(chǎn)業(yè)工人非常緊缺，所以需要對(duì)工人進(jìn)行再培訓(xùn)與再教育，對(duì)整個(gè)建筑行業(yè)需要有個(gè)提升的過程。

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力[13]，BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)的信息化融合創(chuàng)新，必將帶動(dòng)裝配式建筑行業(yè)的一次全面變革。在建筑行業(yè)快速發(fā)展的浪潮推動(dòng)下，裝配式建筑將朝著更加高效、綠色、安全的方向發(fā)展。目前，應(yīng)該通過集成融合與創(chuàng)新，不斷推進(jìn)完善信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，引進(jìn)推廣先進(jìn)適用的工程案例應(yīng)用，推動(dòng)國內(nèi)建筑工業(yè)化技術(shù)的水平不斷提高。