BIM技术+3D打印技术融合于装配式建筑的机制研究

摘 要：BIM技术、3D打印技术、装配式建筑是目前建筑业的三大研究热点，其中与传统建筑联系最紧密的当属装配式建筑，是传统建筑面临新时代做出的第一反应，发展到现在其距离完全装配化，制造化尚有距离。而BIM技术作为建筑业的信息承载平台，不仅在设计和优化阶段产生作用，其设计和优化阶段确定的信息可以服务于建筑的整个生命周期，但针对于各种用途开发出来的对应插件却逐渐使BIM平台愈发复杂，不利于BIM技术的可持续发展。3D打印技术对于建筑业属于舶来品，虽然在建筑业的发展时间尚短，但丝毫不影响其给建筑业带来的巨大影响。目前，单一技术的发展已呈现瓶颈，该文将三大技术融合考虑，以装配式建筑的现有模式为主体，以BIM技术作为装配式建筑的信息平台，以3D打印技术为装配式建筑的技术基础，推动建筑业的彻底转型，提高现有建筑的装配率，推动建筑业向制造业转化，农民工向产业工人转化提供一种研究思路。

关键词：BIM技术；3D打印技术；装配式建筑；耦合式发展；建筑业

中图分类号：TU74 文献标志码：A 文章编号：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），意为建筑信息模型，以下简称BIM技术，继手工画图向软件画图转变后的建筑业的第三次跃迁。自1975年美国伊士曼集团提出以来，得到了行业瞩目。经多年研究，至2007年美国更是在全球范围内公布首版国家级的BIM标准，首倡建造过程中产生的信息共享于建筑全生命周期内。其具备的特点可以极大地改善现有建筑施工作业的方式。

1 概念论述

1.1 BIM技术

1.1.1 可视化

BIM技术可以实现设计资料的集成整合，即将传统二维的建筑施工图中的平、立剖面图及结构施工图中的配筋及各种说明和相关数据信息集成到BIM技术平台上面，以三维形式呈现建筑物效果，做到项目参建各方想了解那个构件的信息直接选中即可，减少项目建设过程中施工人员的识图负担，并以此留存的信息可以很好地指导项目建设的各个阶段。朱华[1]探讨了将BIM技术引入到CFG桩施工过程中，并得出在CFG桩施工过程中引入BIM技术，不仅可以使桩长计算工作量大幅减少，还可以很大程度上避免手算过程中出现的错误，同时从BIM技术平台中导出的桩身的相关数据可以用于指导CFG桩的施工过程。宋晓玉等[2]在钢结构施工过程中引入BIM技术，认为此方法能够减少人工操作产生的误差，还能帮助施工人员较以往更快地确定合理有效的施工方案，同时实现项目进度的实时跟踪管理，确保施工进度与成本目标的同步运行。关于BIM技术的应用研究不止体现在结构层面上，现有的关于BIM技术在传统建筑中的应用已经更加深入。林树洪[3]将BIM技术与高大模板结合到一起进行研究，并对其风险评估进行了模拟，预测了可能出现的问题，提高了施工质量和效率，降低了施工成本和风险。

1.1.2 协调性

鉴于建筑业参与者众多，相关方数量庞杂，虽然有开发商或者指挥部及各种办公室居中协调，但是这种协调只是在管理上或者是规划层面，具体到操作层面，则显得有些粗放。如此则导致整个项目运行过程中，各相关方只是各忙各的，各自负自己的责任，而对于交叉部位，则处于操作协调真空地带。而BIM模型则提供了一个各相关方共同操作的平台，即通过BIM软件中的前期定位及后期的协作选项提供技术基础。李英姬等[4]通过在技术质量部中设立BIM技术驻场负责人专属岗位，进一步加强装配式建筑中的协作性。郭伟刚[5]通过将BIM技术专属岗位拓展成BIM技术小组，而小组成员由各专业BIM技术负责人组成，总包BIM技术负责人担任组长的方式，探索了BIM技术在大型公共建筑施工中的应用，进一步增加了大型公共建筑施工过程中的协调性。

1.1.3 模拟性

传统建筑业的施工模式，是在施工图纸完成以后，才开始施工，有很多潜在的问题，图纸的准确性是依靠会审制度确保的，而会审在很大程度上依靠的是人的经验。经验之外的问题即实际施工过程中随着项目进度的推行才能发现的问题，处理的方法轻则修修补补，重则拆了重建，如此既浪费了材料又耗费了工期，使得质量无法得到百分之百的保障。而通过BIM模型，则可以将这些问题提前予以充分的显示，并利用BIM软件中碰撞检查功能，将专业交叉部位的问题予以充分的、有说服力的呈现，让图纸实现在施工阶段正式开始前完成最大程度的优化和完善。进而避免实际过程中产生的很多问题，节省工期，降低施工成本。通过BIM技术的模拟特点，传统建筑业对问题的处理技术将实现从“补救”状态向“预防”状态的过渡。

1.2 3D打印技术

3D打印技术是一种以计算机模型文件为基础，运用粉末状塑料或金属等具有黏性的材料，以逐层打印来完成物体制造的一种快速成型技术，又被称为增材制造。作为建筑材料中使用量最大的一种材料，由于混凝土与3D打印技术所用的材料具有很大的相通性，3D打印技术被很快地引入到了建筑业当中，并吸引了从业者的目光。杨光等[6]对3D打印技术中用到的混凝土材料从其组成材料角度进行了技术和应用分析，认为现有混凝土与3D打印技术相结合，仍需要改进。史庆轩等[7]从3D打印混凝土的工作和力学性能的研究方法和研究结果方面介绍了3D打印混凝土的国内外研究现状，并指出其存在的主要问题，对建筑业产生着持续的、不可逆的影响。汤寄予等[8]介绍了层间弱界面和力学各向异性为代表的2个3D打印混凝土的主要特征，同时研究了打印路径、速率、间隔和挤出形状等参数对打印结构力学性能及打印效率的影响。徐卓越等[9]在建筑3D打印中分别对普通硅酸盐水泥、复合型普通水泥等五大类胶凝材料的应用展开了研究，同时介绍了3D打印浆体的凝结时间、流动性、挤出性和可建造性等相关参数。作为考验建筑施工技术的超高层建筑，左自波等[10]研究了超高层建筑工程中3D打印技术应用的可行性。

1.3 装配式建筑

装配式建筑指的是构件在工厂提前预制，然后使用运输工具将预制好的构件运到拟建建筑物地点，然后在该地点进行拼接安装的一种与传统建筑业有所区别的新的建造方式，目前技术比较成熟的有预制钢结构建筑、装配式混凝土建筑及木制结构建筑等。由于其工厂预制、现场拼装2个阶段的建造方式，所用材料、构件部位的连接质量、以及全新的管理方式和使用范围就引起了众多学者的注意。李娜等[11]探讨了超高性能混凝土在装配式建筑中的应用。张保岩等[12]以酒店为例，探讨了装配式建筑中连接部位以现浇方式施工的质量问题。江卫平[13]提出了一种工程总承包下的装配式建筑精细化施工方法。

2 BIM技术+3D打印技术融合装配式建筑的应用价值

目前，关于BIM技术、3D打印技术和装配式建筑的研究很多，但大多是单独的或者是BIM技术和装配式建筑相结合进行研究[14-15]。虽然3D打印技术在建筑业的应用还不成熟，但丝毫不影响其广阔的应用前景。如果其能与BIM技术和装配式建筑相结合，全新的建筑业基础将进一步奠定，为建筑业的全面转型做好铺垫。

2.1 为建筑业制造化提供全面的物质基础

传统的建筑业是在拟建建筑物地点上进行施工，受限于拟建建筑物地点的环境及建筑作业的露天性，其施工环境具有较大的波动，是拟建建筑物地点施工的现状也是建筑业制造化发展的主要瓶颈。装配式建筑将传统建筑业整个建筑在拟建建筑物地点的施工转变为构件在生产基地施工，而在拟建建筑物地点进行构件结合部位的施工。而3D打印技术尤其是3D打印技术配套的3D打印混凝土将会进一步解决构件结合部位的连接问题，将拟建建筑物地点的施工程序从构件的连接部位施工进一步将转变为结构层间的施工或楼栋之间连接的施工。如果说装配式建筑、3D打印技术为建筑业制造化提供的是物质或者硬件基础，那么BIM技术将为建筑业的制造化提供软件或者是信息基础。

2.2 为建筑业机械化提供全面的技术基础

传统的建筑业属于劳动密集型行业，大部分的建筑作业基本都是靠人工来完成，其质量、速度都受人工影响较大，随着建筑业作业地点和环境的稳定，进一步的建筑作业集成平台开发将成为可能，即建筑业机械化地将人工作业的动作标准化、定量化将是建筑作业集成平台开发的关键理念。使得建筑业一方面可以大幅度缓解一线的“用工荒”，同时可以加速建筑工人向产业工人的转变，进一步方便建筑工人的管理。

2.3 为建筑业无人化提供全面的行业前景

众所周知，劳动密集型一直是社会对建筑业的传统认知，劳动密集型意味着建筑业需要的劳动力大，科技含量低，再加上相较于其他行业的恶劣工作环境，使得建筑业从原来的朝阳产业、人人向往的产业，逐渐变得不再受人欢迎，成为了社会眼中的“弃儿”行业。近几年各高校频频出现土木工程专业录取分数持续下降，报考人数持续下降即是明证。为了建筑行业的持续发展和增加建筑行业的科技含量，各种各样的机器人如雨后春笋迅速在建筑行业得到广泛应用[16-18]。另一方面各种集成平台亟待开发，如此，未来的建筑行业将在现有技术的支持下，全面迈入无人时代。

3 BIM技术+3D打印技术融合装配式建筑的技术分析

3.1 BIM技术、3D打印技术装配式建筑耦合结构

传统建筑业的转型方向已大致明确，即以装配式建筑作为传统建筑转型的第一步完成物质生产环境的转变，以BIM技术作为传统建筑转型的第二步完成协作方式的转变，以3D打印技术作为传统建筑转型的第三步完成物质生产技术的转变，其具体协作模式如图1所示。

从图1中可知，传统建筑业中的勘察单位、设计单位和施工单位，通过BIM平台既有先后的操作关系，又同时可以进行协作，经过模拟无误以后的模型可以直接通过3D打印设备和钢筋搭建平台制作实际构件。制作出的初步构件可以暂时存放，满足要求的构件可以根据客户的需求进行初步的或者是全部的拼装，也可以经过运输部门将构件运到现场进行安装。

3.2 BIM技术、3D打印技术及装配式建筑耦合方式

BIM技术作为一种传统建筑业的数字化信息承载平台可以为装配式建筑提供全方位、全阶段、全生命周期的信息支持。通过BIM，设计人员可以在该平台上设计和改进建筑构件，对构件实现精确定位和组装。而3D打印技术为装配式建筑的定制化和灵活化发展提供了技术基础。同时3D打印技术能够结合实际需求而快速制造具有复杂形状的构件，改善装配式建筑个性化、多样化的预期。由此可知，作为建筑业的新技术，BIM技术和3D打印技术未来将分别以装配式建筑的软硬件平台共同推动传统建筑业成功转型。

4 BIM技术+3D打印技术融合装配式建筑的发展建议

4.1 加快设备研发力度

传统的建筑施工多依靠人工操作，随着工程量的增加，只是简单地增加工人数量，设备研发率较低，且设备研发多在人力承受范围之外，对于小而精的一些操作还是以人为主，因此，建筑设备研发力度较小。随着信息化的发展，尤其是数字中国的概念提出以来，建筑业的设备研发力度持续增加，众多施工机器人应运而生，机器人的产生虽然降低了劳动密集性提高了机械化，但是其集成化比较低，研发集成性的施工平台必要且迫切。

4.2 持续完善BIM技术平台

现有BIM软件对设计类工作兼容性和互通性较差，导致建筑设计和管理过程中存在信息孤岛问题。因此，需要加强对BIM技术平台的开放性和互联性研发，实现不同BIM软件之间的数据互通和信息共享，提高建筑设计和管理的协同效率。因此，其作为共同的成熟的技术平台还有待发展。目前的BIM软件虽然能够实现建筑设计和施工的数字化，但是在一些复杂的设计和管理环节仍然需要人工干预，导致效率不高。因此，需要加强对BIM技术平台的智能化和自动化研发，提高其在建筑设计和管理中的应用效率。另外，BIM技术平台需要更加安全和可靠。随着BIM技术在建筑设计和管理中的应用不断深化，其所涉及的信息安全和数据可靠性问题也日益凸显。因此，需要加强对BIM技术平台安全性和可靠性的研发，保障建筑设计和管理过程中信息的安全和可靠。

4.3 持续改进3D打印技术

现有的3D打印技术对于建筑业来说尚不成熟，其不成熟主要体现在以下几个方面。首先，是现有的3D打印技术使用的材料只是混凝土材料成分中的细骨料和水泥，而对于受力性能更好的粗骨料受限于打印喷头直径的问题尚持观望态度。其次，现有的建筑业3D打印技术打印出来的成果只是局限于素混凝土，而对于传统建筑业规模最大的钢筋混凝土结构，亟待开发相关平台弥补3D打印设备的缺陷。最后是3D打印技术与建筑业的适应性需要进一步开发。3D打印技术不是源自建筑业，目前的研究还是以3D打印技术为立足点来进行，即改变建筑业的方方面面去适应3D打印技术，而不是从建筑的角度来去改善3D打印技术。

5 结束语

作为建筑业目前新兴的三大技术，发展速度和程度不一，装配式建筑的发展速度目前最快，也最为成熟，已有部分地区开始商用，但其局限性已开始显现，如现有建筑以装配率来衡量建筑的装配程度。而BIM技术由于目前各插件之间互不兼容，由此导致的施工人员需要根据设计资料重新制作模型而增加的工作量也成为限制其发展的原因，3D打印技术目前在建筑业上的应用尚不成熟，但并不影响其带来的广阔前景。三大技术单一研究均已出现了“瓶颈”，但是目前将三大技术融合研究尚较少，本文所提建议希望为三大新技术协同研究提供借鉴价值，为传统建筑业转型建言献策。

参考文献：

[1] 朱华.BIM技术在CFG桩施工阶段的应用研究[J].建筑技术开发，2023，50（9）：102-104.

[2] 宋晓玉，李翔.论BIM技术在建筑钢结构施工过程中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2023（26）：136-138.

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