地铁工程结合BIM+3D打印

俞静华 杨庭琴 胡楠 张良

摘 要：地铁工程，一直是城市建设的重点工程，得到政府各部门、社会各界人士及广大人民群众的广泛关注，是反映城市建设风貌的一个缩影。工程的实施将产生巨大的社会效益、经济效益和广泛的社会影响及社会声誉。我国经历十多年的探索和发展后3D打印无论在技术、造价，还是其他应用领域方面都有了跨时代的进步。结合BIM技术指导车站复杂的管线安装，对推广BIM技术在集团内轨道交通项目中的应用具有重要意义。

关键词：3D打印;BIM;地铁

一、 BIM与地铁工程的结合

（一）地铁与BIM设计之间的配合

地铁工程由于其专业的繁多和设计复杂性，涉及到10余种专业的共同设计，但是按照传统的设计流程，不但设计流程时间长，其中不同专业的复杂碰撞也很难以二维图纸的形式表达并修改出来。地铁车站空间有限，专业多（近20个专业），管线复杂，容易发生拆改现象，造成返工、材料浪费、延误工期。在设计阶段引入BIM管线综合设计，充分考虑安装和运维的空间要求等因素，可指导施工的BIM管线综合设计成果。地铁车站的超过10个专业部署在相对狭小的车站空间内，各专业难免发生冲突;建筑、结构的布局可能加剧设备空间的挤迫。有经验的设计咨询单位可给出合理的设计建议，实现设计优化，提高设计质量。

（二）地铁与施工结合BIM之间的配合

进入施工阶段后首先对业主代表、施工单位和监理进行培训，让他们能熟练使用BIM辅助设计成果并根据BIM图进行综合支吊架的设计和下料，实现材料预加工，保证BIM成果顺利的从设计阶段传递到施工阶段。施工配合主要是审核施工单位的综合支吊架是否改变原BIM设计以及根据现场实际情况优化BIM图。现场检查主要是配合业主、监理到现场检查施工单位是否做到按BIM图施工，对没有做到按BIM图施工的提出整改意见，以确保施工单位按图施工。

（三）BIM能为地铁工程带来的优势

1、检修空间有保证，为后期设备和管线的运维提供了技术保证。

2、BIM成果的直观性，使得运维过程中能利用BIM成果进行工作指导。

3、BIM成果带有属性，通过属性可知管线、设备的一些信息，为运维提供直观的三维数据。

4、由于三维和二维的联动性，利用三维生成二维图，避免后期工程改造时寻找蓝图及核对的烦恼。

5、BIM成果为后期工程改扩建提供设计依据。

6、BIM成果中的有效信息为后期运维管理数据集成提供数据来源。

二、 BIM与3D打印技术的结合

（一）BIM模型优势

BIM模型能够以三维模型的形式直观展示具体建筑的形态以及结构，但只存在于电脑端的显示屏内部，并且文件格式特殊，需要特定的软件进行查看浏览。局限性以及专业性大大的增加。BIM可以把复杂的建筑变得简单，同样也可以把简单的建筑变得更简单。BIM尤其适用于定型产品标准化部品的建立，它可以把建立过程中的隐蔽问题表面化，帮助专业人员做到所有设备的直观可视。

（二）3D打印方面模式

模型方面由于3D打印模型与BIM模型理论上存在互通性，但是BIM模型大多数采用Autodesk公司的revit软件进行绘制建筑以及机电模型，同时3D打印技术一般是以1：100或1：200的比例进行打印，按照1：200的比例来打印的话，建筑结构方面几乎都可以满足3D打印机的最小打印尺寸（3D打印机的最小打印尺寸几乎都为1mm左右，但是有时候要考虑3D打印材料的强度）。所以实际设计管线中长宽小于200mm的风管，桥架以及直径小于200慢慢的水管都取消打印，只保留大尺寸的管线进行打印。同时还需要进行一些调整，涉及调整软件为3Dsmax。

（三）打印方面调整

由于3D打印材料目前在国内以光敏固话材料来说均价均在3元/g左右，所以有些结构需要进行特殊制作，下面列举一些打印中遇到的问题以及解决办法。

1、结构板体量过大并结构简单，打印成本太高，且打印速度慢，不符合实际需求。

解决方法：目前暂定修改制作方式，采用亚克力板或透明树脂板来进行制作。

2、由于打印机打印最小精度为1mm，如果按暂定1：100比例进行打印，有可能会产生不符合美观的视觉效果。

解决办法：暂定模型中不绘制字体模型，按照实际模型大小进行可粘贴字体打印，最后等建筑模型打印完成再进不干胶字体粘贴。

3、由于打印机打印最小精度為1mm，机电管线支吊架实际尺寸缩小后会小于最小打印尺寸。

解决办法：暂定采用方形支吊架，在不影响结构稳定性的情况减少部分支吊架使用量。

4、由于打印机打印最小精度为1mm，部分机电管线如60的水管以及150*100的桥架，这些按比例缩放后模型会很脆弱，影响整体观感，且这部分机电模型占整体模型比例小。

解决办法：小于400尺寸的管线暂定不打印。

5、机电模型涉及到穿墙孔洞，建筑与机电分开打印的话，会存在建筑模型与机电模型碰撞不能合并的问题。

解决办法：暂定距离顶板近的洞口直接开到墙顶，距离顶板远的洞口在管线处进行分割，使管线与建筑模型不接触，但距离小。

6、由于3D打印材料价格比贵，实心打印导致材料过重且本身材料支撑不住实心结构很容易垮塌。

解决办法：具体结构轻的部位采用光敏树脂进行空心打印，结构复杂且对承载力有要求的进行激光烧结空心打印，光敏树脂由于造价低、打印机成本相对低。激光烧结由于材料成本高、打印机成本也高，但是都是在可控范围内。

（四）打印前的准备

1、仪器准备

3D打印机、光固化箱、超声波清洗机、除湿机、空调恒温、酒精清洗剂、整理箱、UPS电源。

2、原材准备

液态原材一次仪器需添加24.5桶原材，原材不能有水分污染。

3、环境准备

保证环境干燥且恒温、有稳定220V电源、除湿机。

4、注意事项

（1）打印过程中严禁把手伸进激光打印范围内，由于激光为纳米级激光，会对皮肤造成伤害;

（2）打印过程中严禁改变打印环境的湿度变化，除湿机必须是始终开始，否则会导致打印模型强度变小，整体支撑不够;

（3）打印原材料不允许在潮湿的环境下保存，如有变质的材料应立即作废;

（4）用一种原材打印的仪器本批次不允许中途添加不同类型的液体原材，如有混合应作废整个仪器内部的原材;

（5）半年进行一次仪器维护工作;

（6）打印室进入之前最好带好口罩，原材料有刺激性气味但对身体无害;

三、结语

地铁车站机电管线复杂处主要包括设备区走廊交叉处以及设备区与公共区交接处，标准站此类位置大概有15处左右，这类管线复杂处经常出现空间浪费以及空间拥挤的情况，在预先进行3D打印的情况下，进行复杂节点的深化打印，真实形象的展现出复杂节点的合理安装情况，减少因设计问题的局部重复安装拆卸，节省人工、工期。机电管线安装复杂，3D打印技术可以真实形象的指导预制化加工现场安装以及指导标准构件以及复杂构建的生产制造。对于形态复杂的异性构件可以用环保材料进行预先的打印安装，若形态完全符合预制化安装的形式要求在进行批量的生产制造，节约材料成本。

参考文献：

[1] 王青《3D打印：一种新兴的学习技术》 [J] 2013年04期

[2]李轩 《3D打印技术过程控制问题研究进展》[J]2016年07期

[3]张学军《3D打印技术研究现状和关键技术》[J]2016年02期

[4]成思源《基于数字化逆向建模的3D打印实验教学》[J]2015年01期

[5]王延庆《3D打印材料应用和研究现状》[J]2016年04期