白祖國(guó)

摘 要：本文通過(guò)分析BIM的概念及特點(diǎn)，分析探討了在3D打印技術(shù)飛速發(fā)展的前提下，3D打印建筑發(fā)展的新方式，討論了3D打印技術(shù)對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目所帶來(lái)的影響和發(fā)展機(jī)遇。

關(guān)鍵詞：BIM；3D打?。唤ㄖこ?/p>

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1、引言

3D打印技術(shù)——按需定制、以相對(duì)低廉的成本制造產(chǎn)品——一度被認(rèn)為是科幻想象，而在本世紀(jì)初已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)，其在建筑工程中的運(yùn)用和發(fā)展，獲得越來(lái)越多的人員的青睞和關(guān)注。如何在模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域引入建筑信息模型（Building InformationModel，BIM），使其在建設(shè)工程的全壽命周期內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果，是許多工程人員進(jìn)行思考的一個(gè)問(wèn)題。

2、BIM（建筑信息模型）技術(shù)

BIM（Building Information Modeling、建筑信息模型）理念最早源于受到了1973年全球石油危機(jī)的影響，美國(guó)各行業(yè)都需要考慮提高行業(yè)效益的問(wèn)題，1975年喬治亞理工大學(xué)的Chunk Eastman教授在其研究的課題“Building Description System”中提出“a computer-based description of-abuilding”，以便于實(shí)現(xiàn)建筑工程的可視化和量化分析，提高工程建設(shè)效率[1] 。

現(xiàn)在對(duì)BIM的定義很多，美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）由于采用開放投票方式來(lái)確定了具體標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，目前人們一般比較認(rèn)可這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM的定義[2]，簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，定義由三部分組成：（1）BIM是一個(gè)設(shè)施（建設(shè)項(xiàng)目）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；

（2）BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程；

（3）在項(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。

總體來(lái)說(shuō)，BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。它一般應(yīng)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)[3]：能為項(xiàng)目的協(xié)同建設(shè)提供相應(yīng)支持；模型中涉及的信息是可計(jì)算的，是數(shù)字化、參數(shù)定義的能自由調(diào)整互動(dòng)的信息；該信息可以通過(guò)計(jì)算機(jī)即時(shí)的進(jìn)行2D/3D/參數(shù)顯示和編輯；能生成完整的圖形、非圖形數(shù)據(jù)報(bào)告方式。

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)參數(shù)模型整合各項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目立項(xiàng)、決策、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、交竣工和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為各方建設(shè)主體提供一個(gè)協(xié)同工作的基礎(chǔ)，能在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

3、3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的思想及技術(shù)根源源自1892年，J.E.Blanther在其專利（#473901）中建議的用分層制造法構(gòu)成地形圖方法。1902年，Carlo Baese的專利（#774549）提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。

早期的這些專利雖然提出了一些快速成型的基本原理，但還很不完善，更沒有實(shí)現(xiàn)快速成型機(jī)械及其使用原材料的商品化。而進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，3D制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展，1993年麻省理工大學(xué)教授EmanuaI Sachs創(chuàng)造了三維打印技術(shù)（3DP），將金屬、陶瓷的粉末通過(guò)粘接劑粘在一起成形，可稱之真正實(shí)現(xiàn)了“19個(gè)世紀(jì)的思想，20世紀(jì)的技術(shù)”。

3.1設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)在一般的3D打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或其他計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建模，再將建成的三維模型進(jìn)行逐層分解為截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。打印機(jī)通過(guò)使用三角面來(lái)大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率就越高。

3.2打印過(guò)程

打印機(jī)通過(guò)讀取交互文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，但制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，具體耗時(shí)需根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用3D打印的技術(shù)則將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，3D打印技術(shù)則可以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。目前一個(gè)桌面尺寸的3D打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開發(fā)小組所制造模型的需要。

3.3成型

目前3D打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，而在彎曲的表面，為獲得更精致細(xì)膩的物品，可以先用當(dāng)前的3D打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再經(jīng)過(guò)表面打磨而得到表面光滑的“高分辨率”物品。具體運(yùn)用中可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印，也可以在打印的過(guò)程中使用支撐物，比如在打印出某些有倒掛狀的物體時(shí)，就可以使用一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

4、運(yùn)用與發(fā)展

結(jié)合BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)，在不久的未來(lái)，建造一棟建筑，就像現(xiàn)在制造企業(yè)生產(chǎn)某種產(chǎn)品一樣。一個(gè)大體量建筑，其建造施工將與生產(chǎn)制造企業(yè)生產(chǎn)一架飛機(jī)或汽車一樣，兩者沒有什么差別。這些新型的技術(shù)發(fā)展，將已經(jīng)改變了人們的生活，具體在建筑工程中，可以有以下幾個(gè)方面的運(yùn)用：

4.1設(shè)計(jì)方案評(píng)審：

借助于BIM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)3D打印實(shí)體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域（設(shè)計(jì)、制造、施工、業(yè)主）的人員可以對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案、外觀、立面等有直觀的觀感，從而更直接進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)。BIM技術(shù)具有的全數(shù)字還原不失真的立體展示、能進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件碰撞、結(jié)構(gòu)物風(fēng)洞及相關(guān)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被現(xiàn)許多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的大型設(shè)施或場(chǎng)館所利用。也可以結(jié)合BIM的建模，通過(guò)3D打印，將先期構(gòu)建的精確建筑模型來(lái)進(jìn)行效果展示與相關(guān)測(cè)試，這樣所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)和無(wú)可比擬的逼真效果將更為直觀。

4.2建筑總體與裝修展示評(píng)價(jià)、投標(biāo)：

利用BIM的全數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)模型真彩及紋理打印，可快速制造出建筑的設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示、評(píng)價(jià)和調(diào)整。

4.3建筑土建施工：

解決參數(shù)化設(shè)計(jì)、異形建筑形體或局部復(fù)雜用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件、圖紙、施工技術(shù)難以精確表達(dá)的問(wèn)題，。BIM的逐漸應(yīng)用，可打印材料增加、體量變大和成本降低，可以完全實(shí)現(xiàn)直接打印出建筑裝飾構(gòu)件，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)安裝拼接，甚至可以打印具有足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)真正意義上的工廠化施工。

4.4管道安裝[5]：

通過(guò)BIM技術(shù)，實(shí)時(shí)完全掌握相關(guān)工程量，采用3D無(wú)損打印，保證了安裝工程、管道工程與土建工程的無(wú)縫銜接，從而對(duì)保證工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，降低工程費(fèi)用，起到極大的作用。

4.5施工管理：

通過(guò)BIM技術(shù)，完成施工的組織、施工技術(shù)的模擬，并通過(guò)3D打印，得到更加直觀、可視的過(guò)程管理空間，實(shí)現(xiàn)施工管理的可視化、直接化，并通過(guò)提前對(duì)模型的觀察分析，可以提高項(xiàng)目管理的安全性、進(jìn)度的可控性。

4.6裝飾設(shè)計(jì)：

通過(guò)個(gè)性化的定制，結(jié)合BIM信息，實(shí)現(xiàn)完成業(yè)主在個(gè)性化家居家具設(shè)計(jì)、家具模型、個(gè)性墻紙等方面的的創(chuàng)意和裝飾需求。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著 3D 打印技術(shù)和BIM技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個(gè)性化定制” 將成為重要的生產(chǎn)模式。3D 打印與BIM技術(shù)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式，會(huì)衍生出諸如3D建筑模型建模員、制圖員、3D建筑模型店、3D建筑打印店等諸多工種和店鋪，催生出一系列需求，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

但目前無(wú)論是對(duì)于BIM技術(shù)，還是3D打印技術(shù)，都存在著相當(dāng)?shù)募夹g(shù)和實(shí)現(xiàn)的難度。諸如BIM技術(shù)中，如何使建筑模型得到全壽命周期的運(yùn)用、如何降低3維設(shè)計(jì)的難度，使之與大眾相適應(yīng)；3D技術(shù)中，對(duì)金屬材料如工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，如何進(jìn)行3D打印，快速成型零件的精度和表面質(zhì)量如何滿足工程直接使用要求，都是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] Eastman， Charles，F(xiàn)isher David，Lafue， Gilles and others.An Outline of the Building Descripiton System：Institute of Physical Planning[J].Carnegie-Mellon University ，1974.

[2] National Institute of Building Sciences buildingSMART alliance，National BIM Standard - United StatesTM [S].Version 2，January 2011.

[3] 張泳，張?jiān)撇?BIM及其對(duì)工程項(xiàng)目管理人員的影響[J].項(xiàng)目管理技術(shù)，2009（9）.

[4] 王錦輝.比洛克·霍什內(nèi)維斯：“給我兩年，打印出一幢房子”[N].中國(guó)新聞周刊，2012（45）.

[5] 趙民琪，邢磊.BIM技術(shù)在管道預(yù)支加工中的運(yùn)用[J].安裝，2012（1）.

（本文審稿 張端丹 ）