BIM与3D打印的集成应用.docx

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1、第11章BIM与3D打印的集成应用概述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 Hul

2、l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

3、凝土等。ArchiCAD、Tekla Structures. CATIA等均可满足建模要求。上述软件都具有建筑、结构建模 功能，构件拆分也较为方便，并且可根据设计需要进行复杂的异形建模。BIM建模前，需要根据3D打印方案和打印设备的性能参数编制建筑部件拆分方案，构件 拆分原则见表11-2。建模过程中，需严格按照拆分方案进行建模，以免构件不能打印。构件 的编号命名要准确清晰，避免命名重复。BIM模型中所包含的数据信息可以根据设计、施工和 运维要求添加。表11-2构件拆分原则构件类型拆分原则说明墙按照打印机喷头X、Y、Z三向行程拆分；平面避开转角 和墙体相交的节点位置；竖向接缝避开弯矩大的区域柱按

4、楼层拆分；按打印机喷头Z向行程拆分；竖向接缝避 开弯矩大的区域板按照X、Y、Z三向行程拆分一般不打印楼板；如打印 时，采用墙板一体纵向打 印方式。如图n-6所示。图11-6墙 板一体打印(图片来源于网络)3) BIM模型处理和格式转换(1)模型处理3D打印机对数字模型的要求十分苛刻，模型有错误将会出现打印失败或构件有缺陷等问 题，造成材料浪费和较大的经济损失。BIM模型导出打印前需做以下处理，以满足3D打印要 求：首先，统一 BIM项目文件和3D打印机长度单位，并确保BIM模型的尺寸符合打印尺寸， 与拟打印的构件尺寸一致；其次，按照打印安排，在BIM模型上分离出各构件或建筑分段；第三，去除不需

5、要打印的模型图元，并删除多余的线、面；第四，检查模型的密封性，确保没有开口。(2)格式转换现阶段BIM软件还不能直接连接3D打印机，实现一键打印，需要将BIM模型文件转换为 3D打印机可以读取的格式。3D打印建筑的打印机多为自主开发，支持的数据格式不统一，较 为主流格式是STL格式和DXF格式。民用级的3D打印机通用格式是STL格式，在STL文件中 表面和曲线都会被转换成网状，网格由一系列的三角形组成，代表着原BIM模型的精确几何含 义。随着3D打印技术的兴起，BIM软件也开始支持导出STL格式或通过第三方插件导出STL 格式。表11-3常用BIM软件导出3D打印数据格式常用BIM软件导出ST

6、LSTL错误检查导出STL插件导出DXFRevit 2015否无有是Arch i CAD 18.0是有是Tekla Structures 21. 0否无无是CATIA 5. 1是有是本章以Autodesk公司的Revit软件为例，介绍导出STL格式文件的过程。Rev it不支持 直接导出STL格式文件，可以通过安装开源的第三方插件“STL Exporter For Revit”来实现， 该插件可在网络下载(下载地址： http:Sourceforge. net/projects/stlexporter/files/)。BIM模型处理完毕后，在Revit三维视图中调整好视图，即可运行STL Ex

7、porter For Revit 插件导出模型，如图11-7所示，插件可以选择是否导出模型中链接的模型、模型尺寸单位、 导出图元的类别和STL文件的编码格式。STL文件一般有二进制和ASCII (American Standard Code for Information Interchange)码两种格式，数据处理中，较常用的是ASCII格式。使 用Revit建立的BIM模型同样选择ASCII格式导出。(MtoM 刈n-Mn ri n图11-7 Revit模型导出STL文件(3) STL文件检查和修复由于建模软件和STL文件格式自身的缺陷，以及格式转换导出算法的不完善，所得到的 STL文件往

8、往会产生一些错误。由于STL格式文件必须遵循一定的规则才能正确的描述建筑三 维数据模型，而一个三维模型由大量的三角面组成，因此STL格式文件极易出现错误。常见的 错误有：法向量错误、不共顶点错误、顶点分离错误、悬面、面片重叠和孔洞等。部分三维建模软件自带STL文件错误检查功能，但是Revit软件不具有该功能，因此需要 借助其它软件进行STL文件错误检查。对于有较大错误的STL文件，需要返回BIM软件中修改 模型，然后重新导出STL文件；对于一般性的错误，可以利用软件进行修复。常用的STL文件 错误检查修复软有Netfabb和Emendoo以Netfabb为例，当导入的STL文件有错误时，即会

9、显示错误提示，并可以进行自动修复，自动修复有简单修复和默认修复两种模式。如图11-8、 图 11-9。明，ona f&nonnao&$D0Q &图11-8 STL文件错俣提示: 2rtE ”fl ” 7 tttM - M |01n n n s -j q，z错误提示6 ,n ma |i b才 由QM 呻MttlI” a2rMftNB胃，化 i xw。曰 f”Q幡J -5衾问精 ME#(IK图11-9 STL文件错误修复4）建筑的3D打印3D打印工作和喷墨打印机文件工作方式类似，也是从喷头喷出“油墨”，不过3D打印使 用的“油墨”是特制的建筑材料，往往是高性能的特制混凝土。3D打印机有专用的配套控

10、制 软件，将转换后的模型文件载入控制软件，在控制软件中根据喷头打印宽度、每层打印厚度、 打印材料性能等参数对模型进行分层处理，设计打印机喷头行走路线。对于复杂的异型构件需 要人工辅助或全人工设定打印机喷头的行走路线。准备工作完成后，即可进行建筑构件的打印 工作。构件打印完成后需要按照规定进行养护，待强度达到预定强度时方可进行吊动和组装作 业。图UTO构件打印过程（图片来源于新闻视频截图）图UT1打印完成的构件（图片来源于网络）5） 3D打印建筑装配模拟3D打印的构件种类比较多，不同构件的安装部位和安装顺序是不同的，装配施工需要应 用吊装设备，吊装后现场浇筑楼板等构件。应用BIM施工模拟软件，对

11、模型3D打印建筑的装 配施工进行有针对性的模拟，优化施工组织、优化构件安装顺序、优化构件吊装方案、提高吊 装施工效率。图11T2装配施工模拟11. 3.2 3D打印BIM模型的方法和步骤3D打印BIM模型的方法及步骤与3D打印建筑的步骤不同，3D打印建筑时，在打印前需要 对建筑整体模型进行拆分并设计成建筑构件模型，而3D打印BIM模型不需要构件拆分设计。 市场上有很多种3D打印机，3D打印机除按照节中根据工作方式分类，还可以按照打 印材料材质分类。目前的主要材质有石灰粉末、金属粉末、陶瓷粉末、热塑性塑料、光硬化树 脂等材料，不同材料打印出的效果也不同，因此在选择打印机的时候要根据打印物的特性和

12、目 的来选择，如1L4.2案例中为了表现设计意图，选择了表现性比较好的石灰粉末，具体的3D 打印BIM模型的步骤如下图11-13所示。图11T3 3D打印BIM模型流程图其中，第一步数据转换和第二步数据检验与3D打印建筑类似，本节不再详细介绍，主要对后续不同的步骤进行详细说明。1）打印范围调整调整3D打印范围的目的是为了使BIM模型的整体大小符合打印机有效打印范围。因为打 印机有一定的打印范围，超出范围是无法打印的，因此需要在3D打印机相配套的软件中，比 如3D Print等3D打印机操作软件，将模型通过缩放大小的方式进行调节。2）取出模型对于3D打印机来说，模型打印后取出模型也是很重要的一个

13、环节，根据3D打印机打印材 料的不同，取出模型的难度也不一样，比如金属和石灰粉两种不同材质的3D打印，在取模过 程中，金属材质的3D打印模型只要待打印冷却后取出即可；而石灰粉材质的3D打印模型，由 于石灰粉材质比较软，很容易破碎，因此，取模时则需要清理多余的石灰粉铺层，还得小心操 作避免碰坏打印成功的模型。3）模型处理模型打印后正常情况下都要对模型进行处理，根据不同的打印材质进行不同的处理措施， 比如金属材质的，对模型表面进行打磨处理，因为在打印过程中，材料衔接处会有衔接不均匀 的现象，会使模型表面粗糙。11.4应用案例及效果11. 4.1苏州3D打印试验楼项目1）工程概况苏州盈创3D打印试验

14、楼项目，位于苏州市东方大道与金谷路交叉口西南角的盈创工业园 区内。试验楼占地150平方米，采用筏板式基础，地下1层，地上5层，层高为2.8米，建筑 总高度15.3米，总建筑面积约700平方米，建筑平面图如图11-14,建成后的实体照片见图 11-15 。A G ni 3, SE胞mBSER .(xvmaav先 qsm AAOUrtB xDO国四U向修尊臣盅尊。 n M 幄窗叫WK 鬟 M M UW 99EQse IMm 凶- ： 5 n.sa 1sM的 - cm 二 ；” 阳sWft Jmt*t ： WOIrt*tlLDO士一Eteiw一*也。W峡土M -无can cw 二SSE0- 老 JM

15、.itv河爱市无e*fWIt品 期监柞JK5MxrMi,SS*fj1婚“f a m图n-14建筑平面图图1175苏州3D打印实验楼现场照片（图片来源于网络）3D打印多层实体建筑在国内外均属首例，没有特定的设计规范可以选用，作为科学研究， 设计人员在参照了现有的结构体系和相关设计规范后，提出了创新结构体系。本实验楼项目在 实施过程应用了BIM技术，对BIM技术与3D打印技术的集成应用进行了有益的探索。2）工程特点和难点本实验项目建造方案为：工厂3D打印墙体，现场拼装。因此，制定合理的拆分墙体构件， 既能保证墙体自身的强度和刚度，又可以顺利的使用3D打印机将构件打印出来是需要重点解 决的问题和难点

16、。为了提高墙体自身的强度，又能满足3D打印机的作业规则，需要创新设计墙体的结 构形式。国内外均没有建造多层3D打印机建筑的案例，也没有相关的结构设计方案，所以实 现本项目的最大难题就是整体结构方案和构件的形式。（2）多层3D打印构件的组装是本项目的又一大难点。3D打印构件其本身不配筋，它的 抗拉和抗弯性能较差，在运输、吊运和装配的时候容易损坏，因此，避免构件的不当损坏，编 制科学可行的装配施工方案显得尤为重要。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

17、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。3) BIM与3D打印集成应用的实施(

18、1)基于BIM的建筑设计本项目的结构方案设计是结合BIM软件进行，设计方案和BIM模型同步展开。本项目利用 BIM软件建模、方案讨论和施工图绘制，建筑首层结构布置如图H-16o由于本项目是一个实 验性质的项目，主要目的是研究3D打印技术在多层和高层建筑中的应用，所以要求本项目首 先在设计上实现结构安全可靠，建成后可以正常使用，而不是用作展示的模型；其次要达到验 证结构形式、测试设备、实验材料和检验工艺的目的。为达到上述要求，需要进行反复的论证并修改建筑设计方案。设计方案需要综合考虑打印设备的打印尺寸、打印材料的技术参数和结构受力分析，这个过程十分繁琐，应用BIM技术进 行辅助设计，设计人员和相

19、关研究人员可以直观沟通，对比多种方案的优劣。图11-16项目首层结构布置模型(2)构件打印项目完成设计后，按照构件拆分方案，在BIM软件中将构件模型隔离出来，处理后输出模 型，然后进行3D打印作业。在打印前根据打印构件样式需设定打印程序，规划打印机喷嘴的 运行路线等一系列参数。应用BTM模型指导3D打印作业，避免了重复建模情况，也保证了模 型的打印精度。打印完成的部分构件见图11-17.图UT7打印完成的构件(图片来源于网络)(3)吊装方案模拟本项目的构件种类达27种之多，不同构件的安装部位和安装顺序是不同的，装配施工需 要应用吊装设备，吊装后还应现场浇筑楼板等构件，图11T8为建筑正在装配施

20、工中。应用基 于BIM技术施工模型软件，对模型3D打印建筑的装配施工进行有针对性的模拟，优化施工组 织、优化构件安装顺序、优化构件吊装方案、提高吊装施工效率。图11-18构件装配（图片来源于网络）特别说明本案例内容均引用自实验楼项目完成单位（中国建筑第八工程局有限公司、盈创建筑科技 （上海）有限公司和同济大学）所发表的相关论文、著作和新闻报道。本案例的原创性以及文 中陈述内容（包括图片等）归本实验楼项目完成单位所有。未经本实验楼项目完成单位授权， 不得引用转载，否则将追究法律责任。11.4.2 3D打印在南通CBD中央商务中心和苏州中南中心项目的应用1）应用概况BIM技术的出现，使得传统的建筑

21、设计由二维转向三维模型设计（BIM信息模型），3D打 印技术的出现使得虚拟的三维模型转向三维实体模型，为了实现BIM信息模型的打印，业内人 士尝试了将BIM技术与3D打印技术相结合进行BIM模型的3D打印。图11-19南通CBD BIM模型第一个项目是南通CBD中央商务中心，图HT9是项目的BIM模型。该项目位于南通市新 城区，建筑设计层数为41层，总建筑面积40235平方米，建筑高度为157.5米，结构形式为 钢筋混凝土框架剪力墙结构。第二个项目为苏州中南中心项目，图口-20是项目的BIM模型。该项目位于苏州市工业 园区金鸡湖畔，毗邻在建的东方之门和苏州中心，包含商业、娱乐、休闲、宴会、办公

22、、会议 等功能，塔楼内更有超7星级酒店与观光层，满足各个层面的需求。整体建筑由一幢137层的 塔楼和8层裙楼组成，地下5层，北侧临近地铁代建区地下局部两层，总建筑面积约49万平 方米，塔楼主体结构高598米，塔冠顶高达729米，裙楼高61米。这两个项目主要难点为建筑立面均为弧形的超高层建筑，机电管线排布复杂，因此尝试建 筑异形部件和设备机房管线布置应用了 3D打印，目的是为了展现设计意图和机电管线优化效 果展不。图11-20苏州中南中心BIM模型2）应用原理本案例运用了 3D Systems公司制造的打印机Projet 260C,图11-21为Projet 260C实 体图片。该款打印机的打印

23、原理为铺粉式，在设备的打印区域平面中将石灰粉进行一层一层的 平铺，由3D打印喷头在打印物体平面上进行胶体喷洒，使得打印物体平面上粘有的石灰粉和胶体进行物理反应，使得石灰粉固化凝固。打印完成后对整个打印区域进行加热，促进石灰粉 和胶体的物理反应，使得打印物快速成型。待加热完成后，由人工从打印区域中将多余的未发 生物理反应的石灰粉清理回收，并取出成型的打印物。图11-21 Projet 260C实体图片3)应用过程(1)数据转换BIM技术与3D打印技术的结合，主要在于模型数据的结合，因此首先要解决的问题是模 型数据的转换。Projet 260C这款3D打印机可分为有色和无色两种打印。无色的3D打印

24、，主 要的模型格式为STL, SLC；有色的3D打印，主要的模型格式为PLY, ZPR, WRL, OBJ。主要根据 打印物的要求进行相应的模型数据转换。目前主要的BIM模型建立平台为Revit,因为Rev it没有直接输出STL、SLC、PLY、ZPR、WRL、OBJ等3D打印机输入数据格式的功能，因此需要通过其他的BIM软件或者第三方插件进 行格式的转换，如 Inventor, 3DMAX, STL Exporter For Rev it 等 BIM 工具。无色数据转换过程如图H-22所示，将Revit模型数据直接由Inventor打开，再由 Inventor输出STL格式转入3D打印数据

25、平台。有色数据转换过程，将数据由Revit输入至 3DMAX,再由3DMAX输入WRL格式转入3D打印数据平台。图11-22 STL数据转换方式图(2)打印范围调整由于BIM模型整体尺寸过大，而3D打印机打印尺寸有限，因此在打印前需要对模型的大 小进行调试，将建筑模型调整至3D打印机能够打印的尺寸，如图11-23所示为3D打印机打 印尺寸平台，如图11-24.图11-25所示为在3D打印软件中进行BIM模型尺寸调整。图11-23 3D打印机打印尺寸平台图H-24 3D打印软件打印范围调整1图11-25 3D打印软件打印范围调整2(3)模型打印3D打印机(Projet 260C)进行模型打印前会

26、进行石灰粉铺粉测试以及3D打印机喷头清 洗和测试，这需要2-3分钟的时间，在确保石灰粉及喷头无故障后实施模型打印工作。模型打 印的时间是由模型的大小(平面面积和高度)来决定的，如打印物的高度越高则所需时间越长， 比如打印一个10厘米高的BIM模型，需要2个小时左右。打印成功后3D打印机会对整个打印 区域进行加热，加热时间大概在1. 5个小时左右，促进模型的物理反应，提升模型的硬度。如 图11-26是3D打印实景图，图11-27为3D打印软件切片图。图11-26 3D打印实景图图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，

27、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11-27 3D打印软件切片图(4)取出模型由于石灰粉材质的物理硬度比较低，模型打印后从打印机中取出较为困难，常出现模型无 法取出的现象，因此模型能否成功取出显的尤为重要。假若3D打印机打印出的模型无法从打 印平台中取出，那么该打印等于是失败的。如图128所示，机电管线模型在打印后，取出模 型的过程中需要进行多余石灰粉清理。图11-28 3D打印模型清理图(5)模型固化由于石灰粉的物理硬度过

28、低，为了解决打印后模型硬度问题，需要对模型进行固化处理,对模型表面添加固化剂colourbond,图11-29为固化剂实拍图，其主要成分是氟基丙烯酸酯 （99%）、对苯二酚（1%）,固化剂在物件表面时，溶剂会蒸发，而模型表面或来自空气中的水 份（更准确是水份所形成之氢氧离子）会使单体迅速地进行阴离子聚合反应（anionic polymerization）形成长而强的链子，把模型表面黏在一起。由于其聚合过程是放热反应，其 温度会轻微上升。由于溶剂（丙酮）在其间蒸发，所以使用固化剂会产生刺激性气味。同时石 灰粉的钙分子会和酸以及空气中的碳分子产生化学反应，形成碳酸钙。通过这样的方式提升模 型的整体

29、硬度。图11-29固化剂实拍图4）应用效果在项目中，通过BIM技术和3D打印技术的集成应用，实现3D实体模型代替3D数字化模 型展示建筑构件细节，更具有真实感并能达到准确传递信息的目的。项目中充分利用3D实体 模型的形象、立体和真实感对设计方案进行充分的表达和传递，为业主或各参与方带来计算机 显示图像所不能实现的实实在在的触感，使得参建各方对设计意图产生更深刻的理解。虽然三 维计算机模型在转述设计意图方面也有着非常大的帮助作用，但建筑物仍然需要3D实体模型 来有效地传达细部特点和其他信息。图11-30为3D打印南通CBD模型，图11-31为3D打印 设备机房管线模型，图1卜32为3D打印苏州中

30、南中心BIM模型，展现了建模整体外观效果以 及设备机房管线综合优化效果。图11-30 3D打印南通CBD模型图11-31 3D打印设备机房管线模型图11-32 3D打印苏州中南中心BIM模型11.5 存在的问题及发展趋势.1现阶段存在的问题3D打印微缩BIM模型的应用已较为成熟，一些实际工程项目也已经开始尝试使用3D打印 的异型构件，但是基于BIM技术和3D打印技术集成建造实际建筑还处于探索和试验阶段，仍 有许多亟需解决的技术问题。1)缺少3D打印建筑相关规范3D打印建筑还处于研究试验阶段，国家没有3D打印建筑的相关规范，所以3D打印建筑 还不具备应用于一般建筑的条件。现阶段的3D打印建筑还未

31、很好的解决结构和构件配筋的问 题，这不但制约了可打印建筑的高度，也使各界对于其结构安全性有较多疑虑。2) BIM与3D打印的数据接口没有规范3D打印技术正处于快速发展的阶段，3D打印机的数据格式在国际上没有统一的标准。虽 然STL被业界默认为统一格式，但是STL格式标准制定于20世纪80年代，随着3D打印技术 的发展，其不能存储颜色、材料及内部结构等信息的缺陷日益凸显，而新的数据格式AMF (Additive Manufacturing File Format)还未获得广泛认可。用于建筑行业的3D打印机多 为自主开发，数据格式更加混乱，部分企业甚至还将其作为核心机密予以保护，这就使得制定 BI

32、M模型与3D打印机统一的数据接口十分困难，制约了BIM技术与3D打印技术的融合。3) 3D打印设备的制约3D打印机自身尺寸决定了最大打印尺寸，建筑的构件与其他产品的零部件相比，一个显 著的特点就是尺寸大。打印全尺寸的构件或整体建筑，使用的3D打印机尺寸比较大，设备制 造的难度和成本也相应增加，目前，如何打印高层建筑的难题仍未解决。建筑产品的使用地就 是建筑的施工现场，3D打印机需要异地运输、安装，对打印机的精度也有一定的影响。BIM技术和3D打印技术的集成应用还有不少路要走，在此过程中，不可避免地存在各种 各样的问题，这也是任何新技术发展、成熟的必经阶段。11. 5. 2 BIM与3D打印集成

33、应用前景作为两种变革性的新技术，可以预见，在今后很长一段时间内BIM技术和3D打印技术仍 然会被人们广泛关注。由于看好这两种技术所表现出来的广阔应用前景，许多国家纷纷加快研 究和应用的步伐。随着技术的发展，现阶段BIM技术与3D打印技术集成所存在的许多技术问 题将会得到解决，3D打印机和打印材料的价格也会趋于合理。应用成本下降会扩大3D打印技 术的应用范围和数量，进而促进3D打印技术的进步，随着3D打印技术的成熟，施工行业的自 动化水平也会得到大幅提高。虽然在普通民用建筑大批量生产的效率和经济性方面，3D打印建筑较工业化预制生产没 有优势，但是在个性化、小数量的建筑上，3D打印的优势非常明显。

34、随着个性化定制建筑市 场的兴起，3D打印建筑在这一领域的市场前景非常广阔。参考文献1王学让，杨占尧.快速成型理论与技术M.航空工业出版社，北京，2001.2葛杰，马荣全，苗冬梅，等.3D打印建筑技术在绿色建筑领域中的应用A.第十一 届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会论文集C.北京：出版者不详, 2015. 1-4.3王子明，刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用J.混凝土世界，2015, (1)： 50-57.4王丽萍，徐蓉，苗冬梅，等.苏州某试验楼项目3D打印实体建筑施工技术研究 J.施工技术,2015, 44 (10)： 89-91.5陶雨濠，张云峰，陈以一，等.3D打印技术

35、在土木工程中的应用展望J.钢结构, 2014, 29 (8)： 1-8.6郁放炼.3D打印住宅亮相苏州工业园J.住宅科技，2015, (02)： 60-61.7宋靖华，胡欣.3D建筑打印研究综述J.华中建筑，2015, (02)： 7-10.8刘薇娜，郭遵站，杨立峰.3D打印机控制系统的开发J.机械工程师，2014, (12)： 116-118.9陈素文，李程蔚，郑毅.基于3D打印技术的建筑工程施工装置及应用方法：中国, 201410176698. 2P. 2014-08-06.10龚柏茂.浅谈3D打印中设计模型的导入及相关参数调节J.浙江师范大学学报( 自然科学版)，2014, 37 (4)

36、： 453-456.11马敬畏，蒋正武，苏宇峰.3D打印混凝土技术的发展与展望J.混凝土世界， 2014, (07)： 41-46.12马义和.一种用于建筑构件3D打印的喷头:中国，201420490626. 0P. 2014-12- 24.13张斌.3D打印驱动关键技术研究D.北京印刷学院硕士论文，北京，201414袁烽，马义和，张准，等.3D混凝土非线性建筑打印体系研究J.城市环境设计,2014, (Z2)： 226-227.15李志国，陈颖，简凡捷.3D打印建筑材料相关概念辨析J.天津建设科技，2014, (03)： 8-12.16孙勃.3D打印机AutoCADUGCreoSolidwo

37、rks产品模型制作完全自学M.人民 邮电出版社，北京，2014.17作者不详.3D打印建筑，离我们还有多远？ N.中国建设报，2014-03-12 (07).18李冉，齐向东.3D打印技术在建筑行业的应用与研究J.电子技术与软件工程， 2015, (05)： 102.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

38、核心价值应用原理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

39、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。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。11.2.1 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

40、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，

41、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，是一种绿色和环保的工艺，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。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

42、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。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3

43、D图片和三 维视频角度单一的缺点。11.3 应用方法与步骤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、分段打印组装和群组机器人集体打 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

44、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）群组机器人集体打印。即一群3D打印机像蜜蜂一样共同执行任务仕匕如打印整幢房 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、自协调的群体智能方式也是现在人工智能的研究方向。欧洲航天局计划用群组机器人打 印的方式建造月球建筑，如图1卜4。图11-4欧洲航天局3D打印月球建筑构想这三种3D打印方式适用于不同的建筑类型，上海市的10栋临时房屋采用的全尺寸打印方 式，苏州工业园区的5层实验楼采用的是分段打印组装方式，国内还未见群组机器人集体打印 建筑的应用案例。分段打印组装方式对于3D打印

45、机、打印材料和打印程序的要求相对较低， 易于实现，所以该种方式应用最为广泛，本章即以分段打印组装方式为例进行介绍。打印整体建筑和复杂构件需要的打印机和打印材料往往都需要特制，而且有多种成型工 艺。现阶段常用的3D打印机建筑工艺有D型工艺和轮廓工艺(Contour crafting)两种，下面 对两种成型工艺做简要介绍，工艺对比见表11-1。1) D型工艺：由意大利发明家恩里克迪尼发明，D型工艺打印机的底部有数百个喷嘴， 喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，喷头每打印一层时形成5nlm 10mm的厚度，通过一层层黏合物和砂子的结合最终形成石质建筑物。打印的建筑物与大理石 质地

46、比较类似，强度可以满足建筑强度要求。2) 轮廓工艺：是美国南加利福尼亚大学(University of Southern California)一位 伊朗裔工程师比洛克霍什内维斯(Behrokh Khoshnevis)提出的。打印机的喷嘴在程序控制 下运动并挤出混凝土材料，然后喷嘴两侧附带的刮铲将混凝土规整平滑，一层层的混凝土材料 层叠即可形成建筑物的外形轮廓。表11-1两种3D打印建筑工艺之间的对比轮廓工艺D型工艺工艺挤压成型3D打印是否使用模板否否使用材料高性能打印混凝土含有氧化镁的粉末粘合剂不需要氯化镁水溶液喷嘴直径15mm0. 15mm喷嘴数量16300单层厚度13mm4 mnT 6 mm抗压强度未知235MPa242MPa抗折强度未知14MPa 19MPa