BIM与3D打印技术在西藏农牧区建设中的应用探索

□ 蔡 婷 夏雅洁 姚欣怡

据统计，西藏自治区人口数量从2000—2019年一直呈增长趋势，到2019年末常住人口已达351万，其中，城镇人口占30.9%，农牧民占总人口近70%[1-2]。西藏人口主要分布在农牧区，农牧民居住较为分散，缺乏合理规划，大多数农牧区的自建房没有按照任何建造标准，存在诸多安全隐患。在2006年初，西藏自治区人民政府就做出了在全区实施农牧民安居工程的重大决定，在农房改造工程实施计划中，重点以改造危旧房为主[3]。随着西藏自治区经济和社会发展水平的进一步提高，2020年12月，西藏自治区人民政府按照《农村住房安全性鉴定技术导则》对西藏全区行政村范围内的所有农村房屋开展安全隐患的排查整治工作，对所有农村牧区的房屋进行“全面体检”。本次房屋安全隐患排查整治工作于2021年1月至2023年12月期间进入全面排查整治阶段，对有可能存在安全隐患的房屋和被用作管理的农牧区自建住宅楼，及时地组织相关专业人员对其进行房屋安全性能的评估。可见，农牧区自建房的建设问题关系民生，一直被政府部门所关注。

1   西藏农牧区自建房存在的问题

1.1 缺少专业规划

在西藏农牧区，许多自由村是没有规划的，只是在村庄建设初期，会根据农牧区生活和生产的特点，把民居建筑与畜牧业生产总体规划同步规划建设。与平原地区的村庄相比，西藏农牧区房屋密度低，宅基地面积大，无遮挡物，呈现出规划分散的特点。

1.2 自建房建设质量难以保证

西藏传统农牧区的房屋大多采用当地材料建造，相对简单。目前，农牧区的住宅用地面积通常控制在1000m2～2000m2，主要的结构类型有土质结构、木质结构和砖—钢筋混凝土结构等。原土地层结构是西藏部分农牧地区常见的一种地层结构类型，其抗震性能相对较差，在部分自然村落仍可以看到。牧民大多根据自己的认识来判断建筑效果，没有考虑专业标准质量和建筑部分构件的耐久性问题，比如其中相当一部分木结构构件出现虫蛀，严重影响建筑结构的使用功能。

1.3 后期维护难度大

由于西藏农牧区内大部分都是自建住宅，且处于平均海拔4000m以上，生态环境恶劣，缺少一系列规划设计及后期施工规范来参照，使得住宅的后期维修费用成本非常高。比如所有的排水、排污系统都是各户独立规划，很多农民对于自建住宅没有做到充分的排水及防水装修，房屋在长期的使用之后极易发生漏水，发生构件被水渗透或者受到破坏等情况，极大缩短了建筑物的使用寿命。同时，农牧区居住建筑能耗高，牧民要以牛羊粪便做饭取暖，很难维持长期使用。

2   BIM与3D打印技术在西藏农牧区建设中的作用

BIM（Building Information Modeling），即所谓的大型建筑设计模型和工程信息化，最初是由一位来自乔治亚理工大学的学生Chuck Eastman研究提出的一种相关建筑理论[4]，主要基于大型建筑的整个生命周期及其特点用来对整个大型建筑进行形象的描述，用以准确地指导建筑物的规划施工和设计建造的各个过程，对其按照一定工程量顺序进行，并将工程建设过程分成若干阶段，使每个阶段都可以建立一个模型。我国自2003年引入BIM技术以来，建设部和各级地方政府对其给予了足够的支持和重视，相继制定了一系列的政策引导其推广和应用。2015年6月16日，住房城乡建设部正式印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》,再次明确指出BIM信息技术的应用目标，要求建筑行业内实现BIM信息技术与建筑信息技术的整合应用，到2020年末，随着各大建筑企业的快速发展，实现创造性的新立项建筑工程项目对BIM技术的使用率在勘测、设计、施工和运行维护中至少占90%。目前，BIM建筑技术已被广泛应用于我国的现代化建筑工程的建设中，其实际应用价值和作用也越来越凸显，其不仅是一个全新的现代化建筑技术，还是一个当前现代化建筑行业的新技术框架、新发展规划、新战略。

建筑的3D打印结构技术最早由Josep Hpegna在1957年提出[5]，这是一种可以对通过水泥建筑材料逐层不断累加和逐渐凝固而组合成为自由立体形状的建筑构件进行建筑施工结构设计的新打印技术，也是一种形态构件的建造方法。其中，3D打印技术的基本原理，主要是基于3D模型数据为了形成三维实体模型，通过零部件增材制造技术，即采取分层和叠加制造，逐层进行叠加。与其他传统工程技术相比, 3D 打印技术不但可以大幅度地改善材料资源的综合利用效率，而且可以使我们在更短的时间内直接打印生产出比较复杂的产品[6]。与传统建筑业的生产建造方式相比，BIM与3D打印技术相结合应用于工程建筑，不仅代表着技术创新和生产方式创新，更重要的是它具有低污染、低耗能、建造工期短的优点，而在西藏这样的特殊自然环境和地质情况下，这些优点更加突显。

2.1 提升建设水准

西藏农牧区的地表土质多为冻土，要在该区域建造建筑物或者构筑物，首先要对地基的处理及土质的冻融性进行分析，同时对建筑材料的选取及施工工艺也有一定要求，相较而言建筑工况相对复杂。如果利用BIM结合3D打印技术进行设计施工，首先需借助BIM技术建立建筑信息的可视化三维模型，再结合3D打印技术完成建筑实体的精准快速施工，这可以使很多建筑设计及施工变得简单和直观。利用此技术可以很好地预估适合这一地质条件的材料和建造方式，并提供多种建设组合方案，可有效规避各种潜在风险，从而提升农牧区建筑的建设水准。

2.2 改善设计过程

由于西藏很多农牧区都是自建房屋，造型相对简单。BIM模拟工作完成后，可利用3D打印技术制作出具有较高精度的房屋结构模型。在进行设计时，农牧民利用VR技术或者实物模型观察所建项目竣工后的实景，通过更具空间和层次感的建筑实体模型及时发现存在的问题。相较于需具备一定工程基础才能识别的施工图图纸，应用BIM技术的设计模型更容易让农牧民理解。同时，这项技术的应用也会使农牧民更愿意主动投入到自建房屋设计标准化的过程中。

2.3 提高后期维护效率及节能减排

由于西藏特殊的环境、地理条件，BIM技术的应用可以很好地解决建房后的问题。建筑施工完成后，可以使用移动设备将正在运营的住宅数据上传至网络云平台，将房屋落户数据添加到BIM软件模型中，这对后期房屋的维护具有重大意义。在我国农牧区的自建住宅工程中的节能低碳和降污染措施的实现方面，运用BIM软件对建筑材料的使用能耗、建筑成本、建筑热环境质量三个影响因素的综合分析，可以促使农牧区的自建住宅项目产生良好的社会效益和经济效益[7]。此外，运用BIM与3D打印技术可以直接打印建造住宅，使施工整个过程更加智能化。在施工过程中通过合理分配和利用资源，能够节省人力、节约成本，同时也能减少对环境的污染，起到一定的环境保护作用，也可以使农牧区自建住宅工程产生良好的经济效益[8]。

2.4 促进社会发展

目前BIM技术与3D打印技术的应用并不是很广泛，在我国的应用更是很少，近几年才开始迅速发展。在“互联网+”的市场和社会氛围下，基于移动互联网的工具，创新其发展方法和模式，实现其转型和升级，已经成为当前我国建设领域和行业的大势所趋。BIM技术作为新时代产品，为建筑业带来了一场技术革命，未来必将取代传统制图方式。随着BIM技术在国内的普及和应用日趋深入，其实际应用的成效也得到了全国乃至世界范围内的重视。目前国内的BIM技术处于发展推广阶段，企业应当紧跟时代潮流，站在行业前沿，充分发挥中国特色，走适合企业自身的转型道路。对于像西藏农牧区这样特殊的地理环境，更能凸显其优势。

3   BIM与3D打印技术在西藏农牧区建设中的缺陷

BIM和3D打印技术虽然对于建筑行业有许多优点，着莫大的好处，但是再好的技术也存在着一定的缺陷。

3.1 缺乏参考典型案例

由于BIM与3D打印相结合的技术在我国的应用尚处于初级阶段，对于西藏这样高原地区的典型应用案例更是少之又少。技术人员对于这种新技术的实践经验相对不足，一些尺寸、材料温度指标和配比比例均处于探索尝试阶段，使得BIM和3D打印技术相结合在建筑业中的应用发展受阻[9]。并且工程完成的指标也很难掌握，没有一个参考对象，这就对工程的进度造成了一定的影响，有可能导致建造出来的建筑存在一定的问题。而且西藏的地质条件并没有平原地区的优势，遇到的问题可能更为棘手，需要做好迎接挑战的准备。

3.2 建造材料受到限制

由于3D打印技术在建筑材料的应用水平相对较高，材料必须具有一定的柔韧性，并且它们能够作为液态物质在打印中进行使用，打印工作完成后也会有一个相应的标准来衡量材料凝结速率。尤其是在西藏农牧区这样的恶劣高原环境和冻土条件下，3D打印技术在建筑材料的化学和耐腐蚀性上都比普通建筑所需的标准更加严格。现在的3D打印是以水泥为基础，用石膏来固定凝结，使用玻璃纤维来加强材料的韧性强度，但是这仍然不是理想的3D打印材料，可见建筑材料对于3D打印技术的发展仍有一定限制。

4   结语

现阶段BIM与3D打印技术正处于快速发展阶段，尽管在实际施工过程中仍存在着有效性和应用效率方面的问题，然而，对于西藏农牧区居民自建房屋规范化的问题，应用BIM与3D打印技术进行建设始终利大于弊。相信在不久的将来，随着技术问题的进一步解决，BIM与3D打印技术将在农牧区自建房建设中发挥更加巨大的作用。