BIM與3D打印技術(shù)在西藏農(nóng)牧區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用探索

□ 蔡 婷 夏雅潔 姚欣怡

據(jù)統(tǒng)計(jì)，西藏自治區(qū)人口數(shù)量從2000—2019年一直呈增長趨勢(shì)，到2019年末常住人口已達(dá)351萬，其中，城鎮(zhèn)人口占30.9%，農(nóng)牧民占總?cè)丝诮?0%[1-2]。西藏人口主要分布在農(nóng)牧區(qū)，農(nóng)牧民居住較為分散，缺乏合理規(guī)劃，大多數(shù)農(nóng)牧區(qū)的自建房沒有按照任何建造標(biāo)準(zhǔn)，存在諸多安全隱患。在2006年初，西藏自治區(qū)人民政府就做出了在全區(qū)實(shí)施農(nóng)牧民安居工程的重大決定，在農(nóng)房改造工程實(shí)施計(jì)劃中，重點(diǎn)以改造危舊房為主[3]。隨著西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平的進(jìn)一步提高，2020年12月，西藏自治區(qū)人民政府按照《農(nóng)村住房安全性鑒定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)西藏全區(qū)行政村范圍內(nèi)的所有農(nóng)村房屋開展安全隱患的排查整治工作，對(duì)所有農(nóng)村牧區(qū)的房屋進(jìn)行“全面體檢”。本次房屋安全隱患排查整治工作于2021年1月至2023年12月期間進(jìn)入全面排查整治階段，對(duì)有可能存在安全隱患的房屋和被用作管理的農(nóng)牧區(qū)自建住宅樓，及時(shí)地組織相關(guān)專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行房屋安全性能的評(píng)估。可見，農(nóng)牧區(qū)自建房的建設(shè)問題關(guān)系民生，一直被政府部門所關(guān)注。

1 ??西藏農(nóng)牧區(qū)自建房存在的問題

1.1 缺少專業(yè)規(guī)劃

在西藏農(nóng)牧區(qū)，許多自由村是沒有規(guī)劃的，只是在村莊建設(shè)初期，會(huì)根據(jù)農(nóng)牧區(qū)生活和生產(chǎn)的特點(diǎn)，把民居建筑與畜牧業(yè)生產(chǎn)總體規(guī)劃同步規(guī)劃建設(shè)。與平原地區(qū)的村莊相比，西藏農(nóng)牧區(qū)房屋密度低，宅基地面積大，無遮擋物，呈現(xiàn)出規(guī)劃分散的特點(diǎn)。

1.2 自建房建設(shè)質(zhì)量難以保證

西藏傳統(tǒng)農(nóng)牧區(qū)的房屋大多采用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ?，相?duì)簡單。目前，農(nóng)牧區(qū)的住宅用地面積通常控制在1000m2～2000m2，主要的結(jié)構(gòu)類型有土質(zhì)結(jié)構(gòu)、木質(zhì)結(jié)構(gòu)和磚—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。原土地層結(jié)構(gòu)是西藏部分農(nóng)牧地區(qū)常見的一種地層結(jié)構(gòu)類型，其抗震性能相對(duì)較差，在部分自然村落仍可以看到。牧民大多根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)來判斷建筑效果，沒有考慮專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和建筑部分構(gòu)件的耐久性問題，比如其中相當(dāng)一部分木結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)蟲蛀，嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能。

1.3 后期維護(hù)難度大

由于西藏農(nóng)牧區(qū)內(nèi)大部分都是自建住宅，且處于平均海拔4000m以上，生態(tài)環(huán)境惡劣，缺少一系列規(guī)劃設(shè)計(jì)及后期施工規(guī)范來參照，使得住宅的后期維修費(fèi)用成本非常高。比如所有的排水、排污系統(tǒng)都是各戶獨(dú)立規(guī)劃，很多農(nóng)民對(duì)于自建住宅沒有做到充分的排水及防水裝修，房屋在長期的使用之后極易發(fā)生漏水，發(fā)生構(gòu)件被水滲透或者受到破壞等情況，極大縮短了建筑物的使用壽命。同時(shí)，農(nóng)牧區(qū)居住建筑能耗高，牧民要以牛羊糞便做飯取暖，很難維持長期使用。

2 ??BIM與3D打印技術(shù)在西藏農(nóng)牧區(qū)建設(shè)中的作用

BIM（Building Information Modeling），即所謂的大型建筑設(shè)計(jì)模型和工程信息化，最初是由一位來自喬治亞理工大學(xué)的學(xué)生Chuck Eastman研究提出的一種相關(guān)建筑理論[4]，主要基于大型建筑的整個(gè)生命周期及其特點(diǎn)用來對(duì)整個(gè)大型建筑進(jìn)行形象的描述，用以準(zhǔn)確地指導(dǎo)建筑物的規(guī)劃施工和設(shè)計(jì)建造的各個(gè)過程，對(duì)其按照一定工程量順序進(jìn)行，并將工程建設(shè)過程分成若干階段，使每個(gè)階段都可以建立一個(gè)模型。我國自2003年引入BIM技術(shù)以來，建設(shè)部和各級(jí)地方政府對(duì)其給予了足夠的支持和重視，相繼制定了一系列的政策引導(dǎo)其推廣和應(yīng)用。2015年6月16日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部正式印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,再次明確指出BIM信息技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)，要求建筑行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)BIM信息技術(shù)與建筑信息技術(shù)的整合應(yīng)用，到2020年末，隨著各大建筑企業(yè)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性的新立項(xiàng)建筑工程項(xiàng)目對(duì)BIM技術(shù)的使用率在勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)中至少占90%。目前，BIM建筑技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國的現(xiàn)代化建筑工程的建設(shè)中，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和作用也越來越凸顯，其不僅是一個(gè)全新的現(xiàn)代化建筑技術(shù)，還是一個(gè)當(dāng)前現(xiàn)代化建筑行業(yè)的新技術(shù)框架、新發(fā)展規(guī)劃、新戰(zhàn)略。

建筑的3D打印結(jié)構(gòu)技術(shù)最早由Josep Hpegna在1957年提出[5]，這是一種可以對(duì)通過水泥建筑材料逐層不斷累加和逐漸凝固而組合成為自由立體形狀的建筑構(gòu)件進(jìn)行建筑施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新打印技術(shù)，也是一種形態(tài)構(gòu)件的建造方法。其中，3D打印技術(shù)的基本原理，主要是基于3D模型數(shù)據(jù)為了形成三維實(shí)體模型，通過零部件增材制造技術(shù)，即采取分層和疊加制造，逐層進(jìn)行疊加。與其他傳統(tǒng)工程技術(shù)相比, 3D 打印技術(shù)不但可以大幅度地改善材料資源的綜合利用效率，而且可以使我們?cè)诟痰臅r(shí)間內(nèi)直接打印生產(chǎn)出比較復(fù)雜的產(chǎn)品[6]。與傳統(tǒng)建筑業(yè)的生產(chǎn)建造方式相比，BIM與3D打印技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于工程建筑，不僅代表著技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)方式創(chuàng)新，更重要的是它具有低污染、低耗能、建造工期短的優(yōu)點(diǎn)，而在西藏這樣的特殊自然環(huán)境和地質(zhì)情況下，這些優(yōu)點(diǎn)更加突顯。

2.1 提升建設(shè)水準(zhǔn)

西藏農(nóng)牧區(qū)的地表土質(zhì)多為凍土，要在該區(qū)域建造建筑物或者構(gòu)筑物，首先要對(duì)地基的處理及土質(zhì)的凍融性進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)建筑材料的選取及施工工藝也有一定要求，相較而言建筑工況相對(duì)復(fù)雜。如果利用BIM結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，首先需借助BIM技術(shù)建立建筑信息的可視化三維模型，再結(jié)合3D打印技術(shù)完成建筑實(shí)體的精準(zhǔn)快速施工，這可以使很多建筑設(shè)計(jì)及施工變得簡單和直觀。利用此技術(shù)可以很好地預(yù)估適合這一地質(zhì)條件的材料和建造方式，并提供多種建設(shè)組合方案，可有效規(guī)避各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而提升農(nóng)牧區(qū)建筑的建設(shè)水準(zhǔn)。

2.2 改善設(shè)計(jì)過程

由于西藏很多農(nóng)牧區(qū)都是自建房屋，造型相對(duì)簡單。BIM模擬工作完成后，可利用3D打印技術(shù)制作出具有較高精度的房屋結(jié)構(gòu)模型。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，農(nóng)牧民利用VR技術(shù)或者實(shí)物模型觀察所建項(xiàng)目竣工后的實(shí)景，通過更具空間和層次感的建筑實(shí)體模型及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題。相較于需具備一定工程基礎(chǔ)才能識(shí)別的施工圖圖紙，應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)模型更容易讓農(nóng)牧民理解。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)使農(nóng)牧民更愿意主動(dòng)投入到自建房屋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的過程中。

2.3 提高后期維護(hù)效率及節(jié)能減排

由于西藏特殊的環(huán)境、地理?xiàng)l件，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決建房后的問題。建筑施工完成后，可以使用移動(dòng)設(shè)備將正在運(yùn)營的住宅數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，將房屋落戶數(shù)據(jù)添加到BIM軟件模型中，這對(duì)后期房屋的維護(hù)具有重大意義。在我國農(nóng)牧區(qū)的自建住宅工程中的節(jié)能低碳和降污染措施的實(shí)現(xiàn)方面，運(yùn)用BIM軟件對(duì)建筑材料的使用能耗、建筑成本、建筑熱環(huán)境質(zhì)量三個(gè)影響因素的綜合分析，可以促使農(nóng)牧區(qū)的自建住宅項(xiàng)目產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[7]。此外，運(yùn)用BIM與3D打印技術(shù)可以直接打印建造住宅，使施工整個(gè)過程更加智能化。在施工過程中通過合理分配和利用資源，能夠節(jié)省人力、節(jié)約成本，同時(shí)也能減少對(duì)環(huán)境的污染，起到一定的環(huán)境保護(hù)作用，也可以使農(nóng)牧區(qū)自建住宅工程產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

2.4 促進(jìn)社會(huì)發(fā)展

目前BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)的應(yīng)用并不是很廣泛，在我國的應(yīng)用更是很少，近幾年才開始迅速發(fā)展。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的市場和社會(huì)氛圍下，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的工具，創(chuàng)新其發(fā)展方法和模式，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)型和升級(jí)，已經(jīng)成為當(dāng)前我國建設(shè)領(lǐng)域和行業(yè)的大勢(shì)所趨。BIM技術(shù)作為新時(shí)代產(chǎn)品，為建筑業(yè)帶來了一場技術(shù)革命，未來必將取代傳統(tǒng)制圖方式。隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)的普及和應(yīng)用日趨深入，其實(shí)際應(yīng)用的成效也得到了全國乃至世界范圍內(nèi)的重視。目前國內(nèi)的BIM技術(shù)處于發(fā)展推廣階段，企業(yè)應(yīng)當(dāng)緊跟時(shí)代潮流，站在行業(yè)前沿，充分發(fā)揮中國特色，走適合企業(yè)自身的轉(zhuǎn)型道路。對(duì)于像西藏農(nóng)牧區(qū)這樣特殊的地理環(huán)境，更能凸顯其優(yōu)勢(shì)。

3 ??BIM與3D打印技術(shù)在西藏農(nóng)牧區(qū)建設(shè)中的缺陷

BIM和3D打印技術(shù)雖然對(duì)于建筑行業(yè)有許多優(yōu)點(diǎn)，著莫大的好處，但是再好的技術(shù)也存在著一定的缺陷。

3.1 缺乏參考典型案例

由于BIM與3D打印相結(jié)合的技術(shù)在我國的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，對(duì)于西藏這樣高原地區(qū)的典型應(yīng)用案例更是少之又少。技術(shù)人員對(duì)于這種新技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足，一些尺寸、材料溫度指標(biāo)和配比比例均處于探索嘗試階段，使得BIM和3D打印技術(shù)相結(jié)合在建筑業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展受阻[9]。并且工程完成的指標(biāo)也很難掌握，沒有一個(gè)參考對(duì)象，這就對(duì)工程的進(jìn)度造成了一定的影響，有可能導(dǎo)致建造出來的建筑存在一定的問題。而且西藏的地質(zhì)條件并沒有平原地區(qū)的優(yōu)勢(shì)，遇到的問題可能更為棘手，需要做好迎接挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

3.2 建造材料受到限制

由于3D打印技術(shù)在建筑材料的應(yīng)用水平相對(duì)較高，材料必須具有一定的柔韌性，并且它們能夠作為液態(tài)物質(zhì)在打印中進(jìn)行使用，打印工作完成后也會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量材料凝結(jié)速率。尤其是在西藏農(nóng)牧區(qū)這樣的惡劣高原環(huán)境和凍土條件下，3D打印技術(shù)在建筑材料的化學(xué)和耐腐蝕性上都比普通建筑所需的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格?，F(xiàn)在的3D打印是以水泥為基礎(chǔ)，用石膏來固定凝結(jié)，使用玻璃纖維來加強(qiáng)材料的韌性強(qiáng)度，但是這仍然不是理想的3D打印材料，可見建筑材料對(duì)于3D打印技術(shù)的發(fā)展仍有一定限制。

4 ??結(jié)語

現(xiàn)階段BIM與3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，盡管在實(shí)際施工過程中仍存在著有效性和應(yīng)用效率方面的問題，然而，對(duì)于西藏農(nóng)牧區(qū)居民自建房屋規(guī)范化的問題，應(yīng)用BIM與3D打印技術(shù)進(jìn)行建設(shè)始終利大于弊。相信在不久的將來，隨著技術(shù)問題的進(jìn)一步解決，BIM與3D打印技術(shù)將在農(nóng)牧區(qū)自建房建設(shè)中發(fā)揮更加巨大的作用。