如将BIM与3D打印技术相结合, 可通过打印实体构件模型, 更加直观、快速地表达设计方案与复杂造型, 丰富和优化表达方式。

本文提到的3D打印机为桌面式打印机, 打印材料为PLA (聚乳酸) , 主要是打印1∶1或者缩放的构件实体模型, 在建筑装饰工程中进行应用。

建筑信息模型 (building information modeling, 简称BIM) 是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础, 进行建筑模型的建立, 通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性特点。

3D打印是快速成型技术的一种, 是一种以数字模型文件为基础, 运用粉末状金属或塑料等可黏合材料, 通过逐层打印的方式来构造物体的技术。通常采用数字技术材料打印机来实现。

以某剧院项目的隐藏式消防栓箱石材暗门的施工方案模拟为例对应用情况进行说明和总结。

在建筑室内装饰施工过程中, 隐藏式消防栓箱装饰门 (以下简称暗门) 被广泛运用。根据GB14561—2003《中华人民共和国国家标准:消火栓箱》规定, 消防栓箱门开启角度应≥160°, 开启拉力应≤50N。

在该剧院项目施工中, 消防栓安装处, 土建预留洞口深约300mm, 消防栓外口距离石材完成面约250mm;考虑施工位置为剧院公共走道区域, 走道宽度必须满足规范要求, 无法通过外移墙面完成面达到增加暗门开启空间的目的, 采用常规暗门做法受空间限制, 无法满足规范要求。项目部通过专项研究, 采用“二次转换”的办法, 模拟解决开启角度、力度等问题。

基本实施流程为:三维建模→模型拆分调整→打印参数设置→构件打印→构件处理→方案模拟。

现场测量尺寸后, 利用Revit进行建模, 在计算机中模拟方案的可行性。

设置2道转轴, 将整个转动过程分解成2个阶段, 2个阶段之间, 通过强力磁铁进行限位, 确保2次转动先后有序进行, 避免碰撞等影响成品质量情况的发生, 如图1所示。

通过1个L形连接件将2套转轴进行连接, 在上、下连接件之间用方管进行连接, 使2套转轴形成一个共同的受力体, 以此来增加暗门转动系统的承载能力, 控制饰面板安装后暗门的沉降在可控范围内, 如图2所示。

对方案可行性模拟完毕后, 考虑将构件模型打印成实体的实施方案, 即对构件模型进行调整、拆分, 以满足打印要求。

首先将实体构件进行调整, 重点能模拟门轴开启关系即可, 无需1∶1大样打印, 如图3所示。根据确定的打印构件模型, 确认打印的缩放比例和拆分方案, 主要参考以下几点原则。

1) 拆分后的构件不超过打印机可打印的最大尺寸规格。该项目应用的打印模型尺寸规格为:直径为170mm、高260mm的圆柱体。

2) 需要发生相对运动的构件要分开打印。如该项目中的门轴要转动, 2部分需拆分, 同时在尺寸上要留1~2mm的空间, 便于转动的流畅。

3) 尽量减少悬挑构件的打印。虽然打印机可识别悬挑部分, 通过加支撑来实现, 但打印效果会打折扣, 清除支撑也需要消耗时间。

4) 增加打印实体构件没有的部分。如为了实体构件能更好地展示, 需增加打印一些支撑体;或者拆分打印后, 需要进行连接的构件, 可增加榫接构造。

根据以上原则, 确认拆分方案后, 即可对原模型进行调整, 并将每个拆分单元分别导出.Stl格式文件。

打印参数设置通过Cura软件完成。在Cura软件中, 先把应用的打印机的相关参数进行设置, 比如:打印范围尺寸、喷嘴孔径、导出文件类型等。

再将.Stl格式的文件导入Cura软件中, 按照计划的打印顺序, 放置模型在打印范围内, 并根据打印的精度和时间要求, 对打印参数进行设置, 如层高、壁厚、填充密度、打印速度、支撑类型等。一般情况下, 精度要求越高, 打印耗时越长。

该项目将模型共拆分为5个单元, 拆分情况和打印放置情况如图4所示, 并分别导出.Gcode格式文件至打印机自带的SD卡中, 注意文件命名为字母与数字, 不要出现汉字。

将导入.Gcode格式文件的SD卡插入卡槽;插好电源, 开机, 由打印机自动校准平台;接着安装打印耗材, 保证耗材可正常通过送料管, 并从喷嘴喷出熔融状耗材。同时, 保证打印平台上无异物, 并涂抹固体胶, 便于熔融状耗材附着。

以上工作完成后, 即可开始打印。打印时, 重点关注起步阶段, 即底部打印是否顺利。打印过程应避免断电以及异物影响打印的正常进行。如过程中出现问题, 应及时暂停, 重新设置后开始打印。打印完成后, 用铲刀小心深入打印件与平板粘贴处, 撬下打印件。

打印完成后, 将打印单元中, 悬挑处有支撑的去掉, 并处理光滑;按照构件将各单元进行组合, 榫接部位的榫接, 未设置榫接需要组合的, 可以使用AB胶进行粘接;需要涂色进行区分不同区域的, 可以进行涂色, 此种情况, 打印耗材最好使用白色。构件单元如图5所示。

组组合合完完毕毕后后, , 即即可可进进行行方方案案模模拟拟, , 如如图图66所所示示, , 验验证证方方案案的的可可行行性性。。

BIM与3D打印技术结合, 在建筑装饰工程的应用中, 除了案例中提到的方案模拟以外, 还可以进行复杂构件装饰效果的展示、施工部署的展示、以及模型沙盘的制作等。

某幕墙项目通过在3D打印模型上着色, 展示施工段的划分和部署。如图7所示, 某项目展示GRG吊顶和折扇形背景墙的装饰效果。

BIM与3D打印技术在建筑装饰工程的应用, 目前主要利用桌面级3D打印机在施工方案的实体模拟、建筑装饰构件的实体效果展示、施工部署的实体展示以及沙盘制作等方面的应用。

同时, 也存在一定的问题和限制, 主要体现在: (1) 桌面级打印机可打印模型的最大尺寸有限制, 需要对模型进行缩放; (2) 打印的精度难以完全满足要求, 且精度越高, 耗时也越久; (3) 工业级打印机的应用还存在限制, 具体为打印材料方面的限制、打印实体构件的尺寸限制、装饰构件要求打印精度高的限制以及打印成本较高的限制等。

随着3D打印技术和建筑装饰行业的不断发展, 二者结合应用会更加紧密, 解决了目前建筑装饰行业的诸多痛点。