殷茂源

（中國建筑第八工程局，河北 張家口 100097）

0 引 言

近年來，建筑領(lǐng)域無時無刻不在更新著打破傳統(tǒng)概念的新興工藝和新興技術(shù)，BIM技術(shù)和裝配式建筑就是其中的代表。在BIM領(lǐng)域上，我國運用 BIM技術(shù)進行生命周期管理的項目數(shù)量愈來愈多，取得的生產(chǎn)效益也在不斷增長。裝配式建筑搭載 BIM技術(shù)的綜合運營理念已經(jīng)出現(xiàn)并逐步開始運營化。而幾年前新興的3D打印技術(shù)也在突飛猛進，新興的材料和機器，已經(jīng)有了打印出概念式房屋的先例，在這之上若將 BIM+裝配式+3D 打印三種概念模式結(jié)合在一起，三者聯(lián)動的生產(chǎn)工藝與施工流程對傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域?qū)⒃斐伞罢饎印薄?/p>

1 行業(yè)現(xiàn)象

1.1 BIM技術(shù)（Building Information Modeling）

建筑信息化模型（BIM）是一種三維可視化的模型，而并非某種軟件。它將傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維可視化的建筑模型，無論在深化設(shè)計還是施工交底中，它都可以提供參考和建議。相比較傳統(tǒng)的二維圖紙，BIM技術(shù)可以做到更好地還原。運用BIM全周期生命管理，可以有效降低成本，明確的量價分離，使得工程施工、計價更透明、更精確，既有利于業(yè)主，也有利于施工單位。

目前BIM技術(shù)已經(jīng)可以運用于如場地分析、建筑策劃、方案論證、性能化分析、工程量統(tǒng)計、管線綜合、施工進度模擬、施工組織模擬、建筑系統(tǒng)分析等施工全生命周期的各個階段，為施工單位、建設(shè)單位等提供全過程服務(wù)。在這之上拓展延伸發(fā)展的 BIM+VR，BIM+AR 技術(shù)也陸續(xù)開發(fā)出來，無論是工人的安全警示教育、戶主看房驗房、裝修預(yù)見、戶型瀏覽，甚至進行線上模擬管線排布等都可以運用 BIM技術(shù)實現(xiàn)，BIM技術(shù)將會全方位應(yīng)用到建筑項目的各個階段，成為項目的實際管控者。

1.2 裝配式建筑（Prefabricated Construction）

裝配式建筑指的是由預(yù)制構(gòu)件件在工地裝配而成的建筑體，主要依靠工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件進行裝配施工。由于構(gòu)件制造方式是機械化生產(chǎn)，構(gòu)件的質(zhì)量和精度得到保證，人工澆筑出現(xiàn)的“漲模、漏漿、漏筋蜂窩麻面”等問題減少，建筑品質(zhì)有了質(zhì)的提高。2016年，國務(wù)院出臺《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)［2016］71 號）發(fā)文代表國家將逐漸加大裝配式推廣力度。裝配式建筑技術(shù)日趨成熟，《“十三五”裝配式建筑行動方案要求》2020年全國裝配式建筑占新建建筑比例將達 15 % 以上。裝配式模塊工廠 、延伸產(chǎn)業(yè)鏈將發(fā)展迅速。

但我國裝配式建筑目前尚處于初級階段，其中難度較高的預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及高強混凝土和預(yù)應(yīng)力技術(shù)會是以后的研究趨勢，預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的研制是以后能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的重心。整個行業(yè)的多樣化發(fā)展，形成系列化、多樣化的技術(shù)體系支撐，是裝配式建筑發(fā)展的必然結(jié)果。

1.3 3D打印技術(shù)（3D printing）

3D 打印技術(shù)相比較前兩者發(fā)展的時間近乎相同，在國內(nèi)出現(xiàn)的理念也是近幾年延伸至建筑領(lǐng)域。3D 打印技術(shù)最直接的效果就是所需要的任何零件、任何部位，乃至整體，僅需要3D設(shè)計圖紙，3D模型等，通過數(shù)字化三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入與輸出，在很快的時間內(nèi)得出想要的內(nèi)容。從常見的模具到打印汽車，3D打印技術(shù)發(fā)展突飛猛進，在建筑領(lǐng)域，工期質(zhì)變是其最主要的標(biāo)志。自 2015年起，中國某企業(yè)已經(jīng)推出了3D打印建筑房屋的理念，并且已經(jīng)將其付諸于實體工程，甚至已經(jīng)推出了3D打印建筑多層住宅，以及世界上第一個包含內(nèi)外裝飾的由3D打印的面積達1100 m2的精裝別墅。3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用目前尚未全面推廣，但其發(fā)展之勢頭并不亞于BIM技術(shù)的推廣，相信在不久的將來，3D打印時代也會相繼到來。

2 BIM+裝配式+3D 打印的技術(shù)理念

BP3D理念（BIM+Prefabricated Construction+3D printing）指的是，運用通過 BIM技術(shù)將數(shù)據(jù)三維化輸出到3D打印工藝制造出成熟的裝配式建筑所需零件，在其基礎(chǔ)上再運用BIM全生命周期管理到裝配式建筑中得到建筑實體的理念。它結(jié)合了 BIM+裝配式+3D 打印三種技術(shù)理念，具有極大的行業(yè)未來競爭力。該理念的亮點有以下幾點。

2.1 三項技術(shù)相輔相成解決發(fā)展難題

BIM技術(shù)和裝配式建筑以及3D打印三項理念聯(lián)合運作，可以解決目前三項技術(shù)存在的問題，有利于三項技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)今裝配式建筑的制造成本仍較高，存在對特殊大型預(yù)制梁、預(yù)制柱等構(gòu)件在現(xiàn)有的預(yù)制工廠生產(chǎn)困難的問題，但借助3D打印機器與BIM軟件交互系統(tǒng)便可克服。運用3D打印制造的裝配式構(gòu)件節(jié)約了人工成本和時間成本，可以有效降低能耗；通過BIM軟件所設(shè)計的特殊造型難交底的問題也可以通過3D打印技術(shù)來直接制造出來，做到“所得即所見”；而裝配式建筑的特點是“精密建造”，需要實現(xiàn)精密設(shè)計和精密建造，BIM技術(shù)以精細度達到毫米級的優(yōu)勢與裝配式“精密建造”的特點十分契合，可以實現(xiàn)精細化設(shè)計、精密化建造。BP3D理念使三項技術(shù)相輔相成，有效利用了三項技術(shù)的優(yōu)勢，并降低了單獨其一的劣勢。

2.2 BIM+裝配式應(yīng)用已經(jīng)推廣

在BIM+裝配式建筑運用更加熟練的今天，在目前已經(jīng)有大量案例的基礎(chǔ)上，各方的施工經(jīng)驗，施工管理辦法都會越來越成熟和規(guī)范化，相關(guān)軟件也已經(jīng)支持裝配式建筑的模型建造和工程量計算，這對以后國家出臺相關(guān)政策提供了條件和環(huán)境，為以后推廣裝配式提供了助力。如圖1所示，某裝配式項目運用BIM軟件對裝配式建筑構(gòu)造圖進行的模型繪制。

2.3 裝配式建筑和3D打印的無縫銜接

目前的裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件仍需要預(yù)制構(gòu)件廠提前澆筑好運到現(xiàn)場“搭積木”式安裝。在預(yù)制構(gòu)件廠較少的情況下，周邊如果多個項目有預(yù)制構(gòu)件需求，其制作速度和方式方法影響各個項目裝配式安裝速度進而影響工期。制作出大型3D設(shè)備，進行3D打印化制造裝配式構(gòu)件，無論是制作速度還是供貨量都會大幅度提高。它不限于標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件，3D 打印可以制造出多種造型的預(yù)制構(gòu)件，但制作速度并不會降低，這對以后裝配式建筑造型多樣化提供了另一種可能和速度。如筆者單位西虹橋項目中的預(yù)售樓的施工就運用了3D打印柱與裝配預(yù)制式柱共存的方式進行建造（見圖2），效果令人滿意。

圖1 BIM軟件針對裝配式建模的局部圖

圖2 3D打印柱與裝配預(yù)制式柱局部構(gòu)造圖

2.4 3D打印和BIM的多視角結(jié)合

BIM技術(shù)已經(jīng)是日臻成熟，3D 打印緊隨其后，通過BIM技術(shù)進行審圖優(yōu)化的管線碰撞、預(yù)留孔洞，將模型完善后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入3D打印機，可以使打印出來的預(yù)制構(gòu)件自然留有空洞而且瑕疵大量減少，對以后的管線安裝是一大亮點。而且對于BIM模型色彩度的大幅提高，以及原料的添加，3D 打印技術(shù)可以保留其渲染色彩，全覆蓋式進行樓地面或墻面裝修。保溫防水隔熱層，通過原料使用，達到打印出來的預(yù)制構(gòu)件色彩度飽滿，各個裝飾和保護層抹面均勻，更大幅降低裝修做法時間，提高裝修質(zhì)量。如新版的 Autodesk CAD 軟件已經(jīng)具備了直接連接3D打印機的功能（見圖3）。

3 目前的技術(shù)難點

3.1 BP3D需要多方聯(lián)合

圖3 Autodesk CAD的3D打印界面圖

BP3D模式尚未有項目全運作的先例，從設(shè)計、施工、交付，需要設(shè)計單位、施工單位、建設(shè)單位、咨詢單位、供料商等多家協(xié)同運作，以往建設(shè)單位一味求“省”，施工單位一味求“利”的局面要打破，要形成比現(xiàn)有的項目運營模式更緊密、聯(lián)動性更強的合作關(guān)系。

3.2 BIM對于項目的真正價值尚未完全體現(xiàn)

BIM技術(shù)的問題總的來說主要在兩個方面，一方面 BIM技術(shù)的涵蓋面雖廣，但是前期投入較大，投入BIM咨詢的資金往往要占到合同額的 2 %～5 %，對于項目前期來說資金壓力大。國內(nèi)使用BIM技術(shù)運營項目的施工單位目的是量化收益，增加利潤，而建設(shè)單位更想減少成本費用，投入BIM運營的資金不能夠得到可預(yù)見的收益，雙方的目的不統(tǒng)一影響了BIM技術(shù)在項目的應(yīng)用深度。另一方面BIM技術(shù)目前的實用性主要在于機電管線和漫游看房等功能，對于項目BIM實施中帶來的無形社會效益及返工率、工程失誤、資源優(yōu)化配置等評估折合后的巨大商業(yè)價值并沒有重視。規(guī)范市場BIM咨詢價格，拓寬BIM技術(shù)的應(yīng)用面，做到BIM技術(shù)接管現(xiàn)場，從典型項目落實到一般工程還需要時間。

3.3 裝配式建筑和3D打印的貼合度沒有達到可以批量生產(chǎn)的要求

目前3D打印對于打印材料的選取仍很苛刻，打印出來的房屋材料也并非傳統(tǒng)意義上的鋼筋混凝土。裝飾以及保溫防水等材料加入打印材料的隊伍仍有著不小的距離。3D 打印的完成度也并非真正的 100 %，當(dāng)其中有缺陷時的處理方法也沒有準(zhǔn)確的定論，真正意義上的安全性、抗震性也并沒有相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，仍需要國家出臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后才能生產(chǎn)使用。

3.4 3D打印和BIM的相關(guān)性沒有達到理想狀態(tài)

現(xiàn)階段BIM模型轉(zhuǎn)換3D打印尚不成熟，并沒有統(tǒng)一的軟件集成，需要多個軟件進行轉(zhuǎn)譯，各軟件之間的兼容性問題容易導(dǎo)致BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到3D打印模型的數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟失或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯錯誤。產(chǎn)生這種數(shù)據(jù)性問題無法排查，那么生產(chǎn)出來的問題構(gòu)件組成的裝配式樓房將會是難以預(yù)見的災(zāi)難，因此解決完美傳譯和如何檢測模型損壞和修補，研發(fā)統(tǒng)一集成的BIM和3D模型同平臺對接軟件也是當(dāng)下需要考慮的難題。

4 解決方案

BP3D技術(shù)的優(yōu)勢和尚未攻克的難點已經(jīng)有了方向，針對以上需要攻克的難題，筆者提出以下解決意見。

4.1 學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)理念

就目前而言歐美國家的裝配式、BIM技術(shù)、3D 打印理念和應(yīng)用范圍是領(lǐng)先國內(nèi)的。國外各個分項的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，國外的發(fā)展技術(shù)是可以學(xué)習(xí)，可以借鑒的。3D 打印材料研制和BIM數(shù)據(jù)對接3D打印，國外有相當(dāng)多的案例和軟件已經(jīng)實現(xiàn)了這個方向，應(yīng)該學(xué)習(xí)歐美國家出臺強制的國家級政策規(guī)范BIM資質(zhì)的認(rèn)可度，對于制造3D打印產(chǎn)品的企業(yè)進行資金幫助，引進人才研發(fā)新材料等。在已有的裝配式政策前提下，加大鼓勵建設(shè)單位使用裝配式建筑的力度，成立國家級BP3D發(fā)展聯(lián)盟，統(tǒng)一市場上的咨詢費用，實施BIM咨詢的招投標(biāo)機制，并給予相關(guān)企業(yè)與國外同領(lǐng)域?qū)＜疫M行交流學(xué)習(xí)的機會，參加國際的技術(shù)研討，掌握發(fā)展動向。同時引進國外的軟硬件技術(shù)與人才，注重培養(yǎng)相關(guān)本土人才，形成一套政府-市場-企業(yè)三者參與的成熟的BP3D體系，為的不僅僅是技術(shù)理念上跟上國外的發(fā)展腳步，更多的是掌握領(lǐng)域的話語權(quán)和主動權(quán)，做到技術(shù)不受制于人，軟件專利于人。

4.2 合作大數(shù)據(jù)和云平臺共享“多贏”

云、大、物、移、智中大數(shù)據(jù)時代的到來宣布國內(nèi)建筑行業(yè)也進入了另一個煥發(fā)生命力的時代，運用大數(shù)據(jù)和云共享，可以積累先前完成的案例，包括國內(nèi)工程所產(chǎn)生的問題、軟件，以及軟件生成的成果等數(shù)據(jù)。通過不斷積蓄以及互相共享，數(shù)據(jù)模擬等得到成熟的運營方案，使各公司、各項目的“信息孤島”聯(lián)通起來。數(shù)據(jù)庫的共享可以使軟件供應(yīng)方更好地收集數(shù)據(jù)優(yōu)化使用效果；相對的應(yīng)用方可以以用代饋，用實體項目經(jīng)驗反映軟件中的不足。施工單位和建設(shè)單位等積極地同科研院所、大專院校、軟件開發(fā)單位加強合作，通過試點、實驗等既可以優(yōu)化相關(guān)軟件和技術(shù)，又可以較早地培養(yǎng)一批優(yōu)秀的相關(guān)人才，一舉多得。這對以后的BP3D試運營有著良好的推動作用。

4.3 積極培養(yǎng)新人才 研發(fā)新材料 掌握新技術(shù)

要做到培養(yǎng)人才-創(chuàng)新技術(shù)-研發(fā)材料三者相互促進。我國的BIM軟件公司應(yīng)積極同高校合作，通過開展BIM高校聯(lián)賽的方式，以賽代學(xué)，同時給在校學(xué)生提供同施工企業(yè)交流的機會，走出學(xué)校的學(xué)生入職便具有熟練的軟件操作技巧，這樣就為企業(yè)節(jié)省了培訓(xùn)需要花費的資金，節(jié)省了培訓(xùn)付出的時間。同時企業(yè)內(nèi)部也要積極開展相關(guān)技術(shù)的研討，座談，互相交流，具有現(xiàn)成的施工經(jīng)驗和現(xiàn)成的施工人才的公司可以加大 BIM獎勵機制，鼓勵員工學(xué)習(xí)BIM技術(shù)，以企業(yè)現(xiàn)成人才作為實踐者，以行業(yè)內(nèi)高校大學(xué)生作為儲備人才，雙管齊下，解決人才短缺的問題。

由于BIM軟件的壟斷性，我國獨立擁有自己專利的 BIM軟件數(shù)量較少，需要擁有一個中國制造的BIM系統(tǒng)。需要現(xiàn)行國內(nèi)的BIM軟件研發(fā)團隊和技術(shù)人才由建造、施工BIM軟件向協(xié)同協(xié)作端軟件延伸，不斷將觸角伸向產(chǎn)業(yè)鏈上下游，經(jīng)過本地化產(chǎn)品和配套的技術(shù)服務(wù)支撐，再由國家政策引導(dǎo)國內(nèi)軟件廠商聯(lián)合發(fā)力，通過國家提供資金支持，完成獨立產(chǎn)品研發(fā)。

材料創(chuàng)新是BP3D理論發(fā)展的重要支撐，3D打印材料的限制性是主因。從混凝土到鋼筋，目前不能作為素材被3D打印使用，而以后發(fā)展預(yù)應(yīng)力和剪力墻裝配式結(jié)構(gòu)，這些材料目前來說不能被替代。研發(fā)新型材料以滿足3D打印的需要，創(chuàng)新材料成為發(fā)展的關(guān)鍵，創(chuàng)造出可以替換鋼筋混凝土的新型材料或者將鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換成3D打印原材，都是以后的發(fā)展方向。

5 結(jié) 語

BP3D技術(shù)的設(shè)想是基于國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展推出的、綜合運行三方技術(shù)的理念。相對于傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域，BP3D技術(shù)協(xié)調(diào)運作解決了以往勞動力短缺、施工管理困難的問題。綠色施工、智慧工地的實施也因為這項理念變得容易推行。由此技術(shù)演化的產(chǎn)業(yè)鏈也是未來建筑經(jīng)濟的一大支柱。