第11章 BIM与3D打印的集成应用
11.1 概述
11.1.1 3D打印技术概述
3D打印技术（3 Dimensional Printing）的正式名称为“增材制造”，是一种快速成型技术。它是以三维数字模型文件为基础，通过逐层打印或粉末熔铸的方式来构造物体的技术，它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印技术概念由来已久，只是受限于科技发展水平一直未能研发成功。20世纪80年代，在CAD技术、数控机床（Computer numerical control，CNC）、激光技术、材料科学充分发展的基础上，美国人Chuck Hull发明立体光刻工艺（Stereo Lithography Apparatus，SLA）并获得专利，这被认作3D打印技术的开端。
近年来，3D打印技术获得了飞速的发展，英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一书中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，更加引发了人们对3D打印技术的关注。如今3D打印技术已应用到很多领域，如：工业设计、航空航天、军工、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、汽车等，如图11-1所示为应用3D打印技术制造的装饰品、航空发动机零件、服饰、城堡和汽车。随着技术的进步，可用于3D打印的材料已超过200种，常用的3D打印材料有工程塑料、树脂、金属粉末、混凝土等。
图11-1 各式各样的3D打印产品（图片来源于网络）
11.1.2 3D打印技术在国内建筑工程领域的应用
3D打印技术在建筑工程领域的应用研究，美国、英国等国家研究人员已开展多年，研发出了多种技术形式，报道的案例较多。2014年4月，媒体纷纷报道10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦区正式交付使用，10幢小屋的建筑过程用时24小时，国内对于3D打印技术在建筑领域的应用逐渐被人熟知，如图11-2所示为上海市张江高新3D打印的建筑。2015年1月18日，盈创建筑科技（上海）有限公司召开全球发布会，宣布成功应用3D打印技术打印出一栋多层实验楼和一栋1100平方米的别墅，其中多层实验楼高15.3米，是全球最高的3D打印建筑。这两栋建筑是由盈创、中建八局和同济大学三方共同完成。据该项目实施人介绍，这
两栋打印建筑在实施过程中均应用了BIM技术。
图11-2 上海市张江高新3D打印建筑（图片来源于网络）
其实，3D打印在建筑工程领域的应用不仅仅局限于整体的3D打印建筑，在复杂构件制作、微缩模型（方案展示模型、风动模拟模型、沙盘等）制作等方面均有应用，如图11-3。而且用于微缩模型制作时，使用桌面级3D打印和相对廉价的耗材即可实现，打印机的价格在数万
至数百万元不等。
图11-3 3D打印建筑沙盘（图片来源于网络）
3）BIM技术与3D打印的集成概述
BIM技术与3D打印的集成应用，主要是工程项目在设计阶段利用3D打印机将BIM模型微缩打印出来，供方案展示、审查和进行模拟分析；在建造阶段采用3D打印机直接将BIM模型打印成实体构件和整体建筑，部分替代传统施工工艺来建造建筑。
11.2  应用原理与核心价值
11.2.1 应用原理
3D打印机和普通喷墨打印机的原理类似，工作时需要数字文件来驱动，区别是3D打印的数字文件是数字三维模型。3D打印建筑使用的打印机同样也需要建筑的三维模型文件来驱动作业，而三维模型恰恰是BIM的基础，所以这两种技术集成应用有着天然的优势。
如果没有BIM技术，3D打印首先需要用三维建模软件按照设计图纸建立打印任务三维模
型。BIM技术的出现，使建筑从规划设计到施工运维全程在三维的状态下进行，期间可以将任
意阶段的三维模型导出后发送给3D打印机，打印出建筑部件或建筑整体模型。在BIM技术与3D打印的集成应用过程中，3D打印工作省掉了额外建模环节，而BIM工作任务仅有小量增加，综合来看，显著提升了生产效率。从设计BIM模型直接导出打印模型，也避免了照图建模过程中产生的各类问题，保证了打印模型的准确性。
3d打印房屋
现阶段3D打印模型的数据格式还比较混乱，并无统一的标准，STL（Stereo Lithography）格式是多数3D打印机支持的标准格式。常用的部分BIM软件可直接导出STL文件，另一部分可通过格式转换导出STL文件，方便的实现BIM到3D打印的数据传递。
11.2.2 应用价值
BIM技术的出现，被认为是建筑业的又一次革命，BIM贯穿建筑从设计、施工和运维的全过程，打通了各阶段的信息传递，尤其在施工阶段可以帮助施工人员提高深化设计、施工策划和施工管理等方面的工作效率。3D打印技术同样带来了制造业的变革，被视为第三次工业革命的标志。以前产品设计要以生产工艺能力为前提，而3D打印技术的出现，将会颠覆这一生产思路，企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D 打印技术来实现。BIM技术与3D打印技术两种革命性技术的结合，为方案到实物的过程开辟了一条“高速公路”，同时也为复杂构件的加工制作提供了更高效的方案。以下按目前BIM技术与3D打印技术集成应用的三种模式，分别说明其应用价值。
（1）基于BIM的整体建筑3D打印。应用BIM进行建筑设计，设计模型处理后直接交付专用的3D打印机进行整体打印，建筑物可以很快的被打印出来，建造一栋简单建筑的时间大大缩短。通过3D打印技术建造房屋，只需要很少的人力投入，随着我国人力成本的逐渐升高，3D打印可有效降低人力消耗方面的成本。3D打印是“增材制造”技术，其作业过程基本不会产生扬尘和建筑垃圾，是一种绿和环保的工艺，在节能降耗和环境保护方面较传统工艺有非常明显的优势。
（2）基于BIM和3D打印复杂构件制作。传统工艺制作复杂构件，受人为因素影响较大，精度和美观度方面有所偏差不可避免。而3D打印机由电脑操控，只要有数据支撑，便可将任何复杂的异型构件快速、精确地制造出来。利用BIM技术和3D打印相结合来进行复杂构件制作，不再需要复杂的工艺、措施和模具，只需将构件的BIM模型发送到3D打印机，短时间内即可将复杂构件打印出来，少量的复杂构件用3D打印的方式，大大缩短了加工周期，降低了成本。3D打印的精度非常高，可以保障复杂异型构件几何尺寸的准确性和实体质量。
（3）基于BIM技术和3D打印的施工方案实物模型展示。BIM技术出现后，通过将BIM模型与施工方案或施工部署进行集成，然后利用三维模型进行展示交流、交底，这是非常实用的
一种应用手段。结合3D打印技术打印实物模型可以将应用效果发挥的更佳。用3D打印制作的施工方案微缩模型，可以辅助施工人员更为直观的理解方案内容；而且它携带、展示都不需要依赖计算机或其它硬件设备，同时实体模型可以360度全视角观察，克服了打印3D图片和三维视频角度单一的缺点。
11.3 应用方法与步骤
11.3.1 3D打印建筑方法和步骤
现阶段，以3D打印方式建造建筑主要有全尺寸打印、分段打印组装和组机器人集体打印装配三种主要模式。
1）全尺寸打印。即采用一台大型的3D打印机，在工厂或建筑拟建地直接打印出建筑物主要部件。此种打印方式受打印设备的限制比较明显，拟打印建筑越大，所需要的3D打印机就越大；而随着3D打印机尺寸的增大，打印精度和打印速度就会变差。所以现阶段的全尺寸打印主要是解决3D打印房屋的一些基本问题，如材料、控制、精度等。
2）分段打印组装。即建筑的模块化，在工厂里把每块打印好，最后在现场进行组装。这种方法的优点是解决了建筑尺寸的限制，缺点是现场的组装工作是劳动密集型工作，增加了成本。
3）组机器人集体打印。即一3D打印机像蜜蜂一样共同执行任务（比如打印整幢房屋）。这样，打印机的尺寸跟建筑尺寸无关，同时打印机的智能要求也可以大大降低，这种自组织、自协调的体智能方式也是现在人工智能的研究方向。欧洲航天局计划用组机器人打印的方式建造月球建筑，如图11-4。

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