BIM技術(shù)+3D打印技術(shù)融合于裝配式建筑的機(jī)制研究

摘 要：BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)、裝配式建筑是目前建筑業(yè)的三大研究熱點(diǎn)，其中與傳統(tǒng)建筑聯(lián)系最緊密的當(dāng)屬裝配式建筑，是傳統(tǒng)建筑面臨新時(shí)代做出的第一反應(yīng)，發(fā)展到現(xiàn)在其距離完全裝配化，制造化尚有距離。而BIM技術(shù)作為建筑業(yè)的信息承載平臺(tái)，不僅在設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段產(chǎn)生作用，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段確定的信息可以服務(wù)于建筑的整個(gè)生命周期，但針對(duì)于各種用途開發(fā)出來的對(duì)應(yīng)插件卻逐漸使BIM平臺(tái)愈發(fā)復(fù)雜，不利于BIM技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。3D打印技術(shù)對(duì)于建筑業(yè)屬于舶來品，雖然在建筑業(yè)的發(fā)展時(shí)間尚短，但絲毫不影響其給建筑業(yè)帶來的巨大影響。目前，單一技術(shù)的發(fā)展已呈現(xiàn)瓶頸，該文將三大技術(shù)融合考慮，以裝配式建筑的現(xiàn)有模式為主體，以BIM技術(shù)作為裝配式建筑的信息平臺(tái)，以3D打印技術(shù)為裝配式建筑的技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)建筑業(yè)的徹底轉(zhuǎn)型，提高現(xiàn)有建筑的裝配率，推動(dòng)建筑業(yè)向制造業(yè)轉(zhuǎn)化，農(nóng)民工向產(chǎn)業(yè)工人轉(zhuǎn)化提供一種研究思路。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；3D打印技術(shù)；裝配式建筑；耦合式發(fā)展；建筑業(yè)

中圖分類號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0075-05

Abstract： At present， BIM technology， 3D printing technology and prefabricated architecture are the three major research hotspots in the construction industry， among them， the prefabricated architecture is the most closely related to the traditional architecture， which is the first reaction of the traditional architecture in the new era， it is still far away from complete assembly and manufacturing. As the information bearing platform of the construction industry， BIM technology not only plays a role in the design and optimization stage， and the information determined in its design and optimization stage can serve the whole life cycle of the building， but the corresponding plug-ins developed for various uses gradually make the BIM platform more and more complex， which is not conducive to the sustainable development of BIM technology. 3D printing technology is imported to the construction industry， although its development time in the construction industry is still short， but it does not affect its great impact on the construction industry. At present， the development of single technology has shown a bottleneck. This paper considers the integration of the three technologies， taking the existing mode of assembly architecture as the main body， BIM technology as the information platform of assembly architecture， and 3D printing technology as the technical basis of assembly architecture， so as to promote the complete transformation of the construction industry， improve the assembly rate of existing buildings， promote the transformation of the construction industry to manufacturing， and provide a research idea for the transformation of migrant workers into industrial workers.

Keywords： BIM technology; 3D printing technology; prefabricated architecture; coupled development; construction industry

BIM（Building Information Modeling），意為建筑信息模型，以下簡稱BIM技術(shù)，繼手工畫圖向軟件畫圖轉(zhuǎn)變后的建筑業(yè)的第三次躍遷。自1975年美國伊士曼集團(tuán)提出以來，得到了行業(yè)矚目。經(jīng)多年研究，至2007年美國更是在全球范圍內(nèi)公布首版國家級(jí)的BIM標(biāo)準(zhǔn)，首倡建造過程中產(chǎn)生的信息共享于建筑全生命周期內(nèi)。其具備的特點(diǎn)可以極大地改善現(xiàn)有建筑施工作業(yè)的方式。

1 概念論述

1.1 BIM技術(shù)

1.1.1 可視化

BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資料的集成整合，即將傳統(tǒng)二維的建筑施工圖中的平、立剖面圖及結(jié)構(gòu)施工圖中的配筋及各種說明和相關(guān)數(shù)據(jù)信息集成到BIM技術(shù)平臺(tái)上面，以三維形式呈現(xiàn)建筑物效果，做到項(xiàng)目參建各方想了解那個(gè)構(gòu)件的信息直接選中即可，減少項(xiàng)目建設(shè)過程中施工人員的識(shí)圖負(fù)擔(dān)，并以此留存的信息可以很好地指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)階段。朱華[1]探討了將BIM技術(shù)引入到CFG樁施工過程中，并得出在CFG樁施工過程中引入BIM技術(shù)，不僅可以使樁長計(jì)算工作量大幅減少，還可以很大程度上避免手算過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，同時(shí)從BIM技術(shù)平臺(tái)中導(dǎo)出的樁身的相關(guān)數(shù)據(jù)可以用于指導(dǎo)CFG樁的施工過程。宋曉玉等[2]在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中引入BIM技術(shù)，認(rèn)為此方法能夠減少人工操作產(chǎn)生的誤差，還能幫助施工人員較以往更快地確定合理有效的施工方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度的實(shí)時(shí)跟蹤管理，確保施工進(jìn)度與成本目標(biāo)的同步運(yùn)行。關(guān)于BIM技術(shù)的應(yīng)用研究不止體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)層面上，現(xiàn)有的關(guān)于BIM技術(shù)在傳統(tǒng)建筑中的應(yīng)用已經(jīng)更加深入。林樹洪[3]將BIM技術(shù)與高大模板結(jié)合到一起進(jìn)行研究，并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)了可能出現(xiàn)的問題，提高了施工質(zhì)量和效率，降低了施工成本和風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.2 協(xié)調(diào)性

鑒于建筑業(yè)參與者眾多，相關(guān)方數(shù)量龐雜，雖然有開發(fā)商或者指揮部及各種辦公室居中協(xié)調(diào)，但是這種協(xié)調(diào)只是在管理上或者是規(guī)劃層面，具體到操作層面，則顯得有些粗放。如此則導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行過程中，各相關(guān)方只是各忙各的，各自負(fù)自己的責(zé)任，而對(duì)于交叉部位，則處于操作協(xié)調(diào)真空地帶。而BIM模型則提供了一個(gè)各相關(guān)方共同操作的平臺(tái)，即通過BIM軟件中的前期定位及后期的協(xié)作選項(xiàng)提供技術(shù)基礎(chǔ)。李英姬等[4]通過在技術(shù)質(zhì)量部中設(shè)立BIM技術(shù)駐場(chǎng)負(fù)責(zé)人專屬崗位，進(jìn)一步加強(qiáng)裝配式建筑中的協(xié)作性。郭偉剛[5]通過將BIM技術(shù)專屬崗位拓展成BIM技術(shù)小組，而小組成員由各專業(yè)BIM技術(shù)負(fù)責(zé)人組成，總包BIM技術(shù)負(fù)責(zé)人擔(dān)任組長的方式，探索了BIM技術(shù)在大型公共建筑施工中的應(yīng)用，進(jìn)一步增加了大型公共建筑施工過程中的協(xié)調(diào)性。

1.1.3 模擬性

傳統(tǒng)建筑業(yè)的施工模式，是在施工圖紙完成以后，才開始施工，有很多潛在的問題，圖紙的準(zhǔn)確性是依靠會(huì)審制度確保的，而會(huì)審在很大程度上依靠的是人的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)之外的問題即實(shí)際施工過程中隨著項(xiàng)目進(jìn)度的推行才能發(fā)現(xiàn)的問題，處理的方法輕則修修補(bǔ)補(bǔ)，重則拆了重建，如此既浪費(fèi)了材料又耗費(fèi)了工期，使得質(zhì)量無法得到百分之百的保障。而通過BIM模型，則可以將這些問題提前予以充分的顯示，并利用BIM軟件中碰撞檢查功能，將專業(yè)交叉部位的問題予以充分的、有說服力的呈現(xiàn)，讓圖紙實(shí)現(xiàn)在施工階段正式開始前完成最大程度的優(yōu)化和完善。進(jìn)而避免實(shí)際過程中產(chǎn)生的很多問題，節(jié)省工期，降低施工成本。通過BIM技術(shù)的模擬特點(diǎn)，傳統(tǒng)建筑業(yè)對(duì)問題的處理技術(shù)將實(shí)現(xiàn)從“補(bǔ)救”狀態(tài)向“預(yù)防”狀態(tài)的過渡。

1.2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀塑料或金屬等具有黏性的材料，以逐層打印來完成物體制造的一種快速成型技術(shù)，又被稱為增材制造。作為建筑材料中使用量最大的一種材料，由于混凝土與3D打印技術(shù)所用的材料具有很大的相通性，3D打印技術(shù)被很快地引入到了建筑業(yè)當(dāng)中，并吸引了從業(yè)者的目光。楊光等[6]對(duì)3D打印技術(shù)中用到的混凝土材料從其組成材料角度進(jìn)行了技術(shù)和應(yīng)用分析，認(rèn)為現(xiàn)有混凝土與3D打印技術(shù)相結(jié)合，仍需要改進(jìn)。史慶軒等[7]從3D打印混凝土的工作和力學(xué)性能的研究方法和研究結(jié)果方面介紹了3D打印混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并指出其存在的主要問題，對(duì)建筑業(yè)產(chǎn)生著持續(xù)的、不可逆的影響。湯寄予等[8]介紹了層間弱界面和力學(xué)各向異性為代表的2個(gè)3D打印混凝土的主要特征，同時(shí)研究了打印路徑、速率、間隔和擠出形狀等參數(shù)對(duì)打印結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及打印效率的影響。徐卓越等[9]在建筑3D打印中分別對(duì)普通硅酸鹽水泥、復(fù)合型普通水泥等五大類膠凝材料的應(yīng)用展開了研究，同時(shí)介紹了3D打印漿體的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、擠出性和可建造性等相關(guān)參數(shù)。作為考驗(yàn)建筑施工技術(shù)的超高層建筑，左自波等[10]研究了超高層建筑工程中3D打印技術(shù)應(yīng)用的可行性。

1.3 裝配式建筑

裝配式建筑指的是構(gòu)件在工廠提前預(yù)制，然后使用運(yùn)輸工具將預(yù)制好的構(gòu)件運(yùn)到擬建建筑物地點(diǎn)，然后在該地點(diǎn)進(jìn)行拼接安裝的一種與傳統(tǒng)建筑業(yè)有所區(qū)別的新的建造方式，目前技術(shù)比較成熟的有預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式混凝土建筑及木制結(jié)構(gòu)建筑等。由于其工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝2個(gè)階段的建造方式，所用材料、構(gòu)件部位的連接質(zhì)量、以及全新的管理方式和使用范圍就引起了眾多學(xué)者的注意。李娜等[11]探討了超高性能混凝土在裝配式建筑中的應(yīng)用。張保巖等[12]以酒店為例，探討了裝配式建筑中連接部位以現(xiàn)澆方式施工的質(zhì)量問題。江衛(wèi)平[13]提出了一種工程總承包下的裝配式建筑精細(xì)化施工方法。

2 BIM技術(shù)+3D打印技術(shù)融合裝配式建筑的應(yīng)用價(jià)值

目前，關(guān)于BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)和裝配式建筑的研究很多，但大多是單獨(dú)的或者是BIM技術(shù)和裝配式建筑相結(jié)合進(jìn)行研究[14-15]。雖然3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用還不成熟，但絲毫不影響其廣闊的應(yīng)用前景。如果其能與BIM技術(shù)和裝配式建筑相結(jié)合，全新的建筑業(yè)基礎(chǔ)將進(jìn)一步奠定，為建筑業(yè)的全面轉(zhuǎn)型做好鋪墊。

2.1 為建筑業(yè)制造化提供全面的物質(zhì)基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的建筑業(yè)是在擬建建筑物地點(diǎn)上進(jìn)行施工，受限于擬建建筑物地點(diǎn)的環(huán)境及建筑作業(yè)的露天性，其施工環(huán)境具有較大的波動(dòng)，是擬建建筑物地點(diǎn)施工的現(xiàn)狀也是建筑業(yè)制造化發(fā)展的主要瓶頸。裝配式建筑將傳統(tǒng)建筑業(yè)整個(gè)建筑在擬建建筑物地點(diǎn)的施工轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)件在生產(chǎn)基地施工，而在擬建建筑物地點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)件結(jié)合部位的施工。而3D打印技術(shù)尤其是3D打印技術(shù)配套的3D打印混凝土將會(huì)進(jìn)一步解決構(gòu)件結(jié)合部位的連接問題，將擬建建筑物地點(diǎn)的施工程序從構(gòu)件的連接部位施工進(jìn)一步將轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)層間的施工或樓棟之間連接的施工。如果說裝配式建筑、3D打印技術(shù)為建筑業(yè)制造化提供的是物質(zhì)或者硬件基礎(chǔ)，那么BIM技術(shù)將為建筑業(yè)的制造化提供軟件或者是信息基礎(chǔ)。

2.2 為建筑業(yè)機(jī)械化提供全面的技術(shù)基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的建筑業(yè)屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，大部分的建筑作業(yè)基本都是靠人工來完成，其質(zhì)量、速度都受人工影響較大，隨著建筑業(yè)作業(yè)地點(diǎn)和環(huán)境的穩(wěn)定，進(jìn)一步的建筑作業(yè)集成平臺(tái)開發(fā)將成為可能，即建筑業(yè)機(jī)械化地將人工作業(yè)的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)化、定量化將是建筑作業(yè)集成平臺(tái)開發(fā)的關(guān)鍵理念。使得建筑業(yè)一方面可以大幅度緩解一線的“用工荒”，同時(shí)可以加速建筑工人向產(chǎn)業(yè)工人的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步方便建筑工人的管理。

2.3 為建筑業(yè)無人化提供全面的行業(yè)前景

眾所周知，勞動(dòng)密集型一直是社會(huì)對(duì)建筑業(yè)的傳統(tǒng)認(rèn)知，勞動(dòng)密集型意味著建筑業(yè)需要的勞動(dòng)力大，科技含量低，再加上相較于其他行業(yè)的惡劣工作環(huán)境，使得建筑業(yè)從原來的朝陽產(chǎn)業(yè)、人人向往的產(chǎn)業(yè)，逐漸變得不再受人歡迎，成為了社會(huì)眼中的“棄兒”行業(yè)。近幾年各高校頻頻出現(xiàn)土木工程專業(yè)錄取分?jǐn)?shù)持續(xù)下降，報(bào)考人數(shù)持續(xù)下降即是明證。為了建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和增加建筑行業(yè)的科技含量，各種各樣的機(jī)器人如雨后春筍迅速在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[16-18]。另一方面各種集成平臺(tái)亟待開發(fā)，如此，未來的建筑行業(yè)將在現(xiàn)有技術(shù)的支持下，全面邁入無人時(shí)代。

3 BIM技術(shù)+3D打印技術(shù)融合裝配式建筑的技術(shù)分析

3.1 BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)裝配式建筑耦合結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型方向已大致明確，即以裝配式建筑作為傳統(tǒng)建筑轉(zhuǎn)型的第一步完成物質(zhì)生產(chǎn)環(huán)境的轉(zhuǎn)變，以BIM技術(shù)作為傳統(tǒng)建筑轉(zhuǎn)型的第二步完成協(xié)作方式的轉(zhuǎn)變，以3D打印技術(shù)作為傳統(tǒng)建筑轉(zhuǎn)型的第三步完成物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，其具體協(xié)作模式如圖1所示。

從圖1中可知，傳統(tǒng)建筑業(yè)中的勘察單位、設(shè)計(jì)單位和施工單位，通過BIM平臺(tái)既有先后的操作關(guān)系，又同時(shí)可以進(jìn)行協(xié)作，經(jīng)過模擬無誤以后的模型可以直接通過3D打印設(shè)備和鋼筋搭建平臺(tái)制作實(shí)際構(gòu)件。制作出的初步構(gòu)件可以暫時(shí)存放，滿足要求的構(gòu)件可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行初步的或者是全部的拼裝，也可以經(jīng)過運(yùn)輸部門將構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

3.2 BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)及裝配式建筑耦合方式

BIM技術(shù)作為一種傳統(tǒng)建筑業(yè)的數(shù)字化信息承載平臺(tái)可以為裝配式建筑提供全方位、全階段、全生命周期的信息支持。通過BIM，設(shè)計(jì)人員可以在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)和改進(jìn)建筑構(gòu)件，對(duì)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)精確定位和組裝。而3D打印技術(shù)為裝配式建筑的定制化和靈活化發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)3D打印技術(shù)能夠結(jié)合實(shí)際需求而快速制造具有復(fù)雜形狀的構(gòu)件，改善裝配式建筑個(gè)性化、多樣化的預(yù)期。由此可知，作為建筑業(yè)的新技術(shù)，BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)未來將分別以裝配式建筑的軟硬件平臺(tái)共同推動(dòng)傳統(tǒng)建筑業(yè)成功轉(zhuǎn)型。

4 BIM技術(shù)+3D打印技術(shù)融合裝配式建筑的發(fā)展建議

4.1 加快設(shè)備研發(fā)力度

傳統(tǒng)的建筑施工多依靠人工操作，隨著工程量的增加，只是簡單地增加工人數(shù)量，設(shè)備研發(fā)率較低，且設(shè)備研發(fā)多在人力承受范圍之外，對(duì)于小而精的一些操作還是以人為主，因此，建筑設(shè)備研發(fā)力度較小。隨著信息化的發(fā)展，尤其是數(shù)字中國的概念提出以來，建筑業(yè)的設(shè)備研發(fā)力度持續(xù)增加，眾多施工機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，機(jī)器人的產(chǎn)生雖然降低了勞動(dòng)密集性提高了機(jī)械化，但是其集成化比較低，研發(fā)集成性的施工平臺(tái)必要且迫切。

4.2 持續(xù)完善BIM技術(shù)平臺(tái)

現(xiàn)有BIM軟件對(duì)設(shè)計(jì)類工作兼容性和互通性較差，導(dǎo)致建筑設(shè)計(jì)和管理過程中存在信息孤島問題。因此，需要加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)平臺(tái)的開放性和互聯(lián)性研發(fā)，實(shí)現(xiàn)不同BIM軟件之間的數(shù)據(jù)互通和信息共享，提高建筑設(shè)計(jì)和管理的協(xié)同效率。因此，其作為共同的成熟的技術(shù)平臺(tái)還有待發(fā)展。目前的BIM軟件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)建筑設(shè)計(jì)和施工的數(shù)字化，但是在一些復(fù)雜的設(shè)計(jì)和管理環(huán)節(jié)仍然需要人工干預(yù)，導(dǎo)致效率不高。因此，需要加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)平臺(tái)的智能化和自動(dòng)化研發(fā)，提高其在建筑設(shè)計(jì)和管理中的應(yīng)用效率。另外，BIM技術(shù)平臺(tái)需要更加安全和可靠。隨著BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)和管理中的應(yīng)用不斷深化，其所涉及的信息安全和數(shù)據(jù)可靠性問題也日益凸顯。因此，需要加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)平臺(tái)安全性和可靠性的研發(fā)，保障建筑設(shè)計(jì)和管理過程中信息的安全和可靠。

4.3 持續(xù)改進(jìn)3D打印技術(shù)

現(xiàn)有的3D打印技術(shù)對(duì)于建筑業(yè)來說尚不成熟，其不成熟主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，是現(xiàn)有的3D打印技術(shù)使用的材料只是混凝土材料成分中的細(xì)骨料和水泥，而對(duì)于受力性能更好的粗骨料受限于打印噴頭直徑的問題尚持觀望態(tài)度。其次，現(xiàn)有的建筑業(yè)3D打印技術(shù)打印出來的成果只是局限于素混凝土，而對(duì)于傳統(tǒng)建筑業(yè)規(guī)模最大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，亟待開發(fā)相關(guān)平臺(tái)彌補(bǔ)3D打印設(shè)備的缺陷。最后是3D打印技術(shù)與建筑業(yè)的適應(yīng)性需要進(jìn)一步開發(fā)。3D打印技術(shù)不是源自建筑業(yè)，目前的研究還是以3D打印技術(shù)為立足點(diǎn)來進(jìn)行，即改變建筑業(yè)的方方面面去適應(yīng)3D打印技術(shù)，而不是從建筑的角度來去改善3D打印技術(shù)。

5 結(jié)束語

作為建筑業(yè)目前新興的三大技術(shù)，發(fā)展速度和程度不一，裝配式建筑的發(fā)展速度目前最快，也最為成熟，已有部分地區(qū)開始商用，但其局限性已開始顯現(xiàn)，如現(xiàn)有建筑以裝配率來衡量建筑的裝配程度。而BIM技術(shù)由于目前各插件之間互不兼容，由此導(dǎo)致的施工人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)資料重新制作模型而增加的工作量也成為限制其發(fā)展的原因，3D打印技術(shù)目前在建筑業(yè)上的應(yīng)用尚不成熟，但并不影響其帶來的廣闊前景。三大技術(shù)單一研究均已出現(xiàn)了“瓶頸”，但是目前將三大技術(shù)融合研究尚較少，本文所提建議希望為三大新技術(shù)協(xié)同研究提供借鑒價(jià)值，為傳統(tǒng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型建言獻(xiàn)策。

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