BIM 与机械臂协同的3D 打印建筑技术应用进展

1 技术协同原理：BIM 与机械臂的“数字- 物理”闭环

BIM（建筑信息模型）作为建筑行业的“数字操作系统”，通过整合几何信息、属性数据、时间维度（4D）及成本信息（5D），构建了覆盖设计、施工、运维全生命周期的数字化模型。而机械臂协同的 3D打印技术则通过逐层堆积材料实现物理建造，其核心在于将 BIM 模型中的三维坐标、构件尺寸及施工逻辑转化为机械臂的运动轨迹和操作指令。

技术协同的关键在于“数据驱动”与“实时反馈”的闭环控制：BIM 模型通过切片软件生成机械臂可识别的 G 代码，指导打印头按预设路径沉积材料；同时，机械臂搭载的传感器实时采集打印过程中的温度、湿度、层间粘结强度等数据，并与 BIM 模型进行比对，动态调整打印参数以确保精度。例如，广东中联建在珠海红旗镇城市驿站项目中，通过 BIM 模型规划打印路径，使机械臂在无模板条件下完成墙体、楼板等结构的一次性成型，施工效率提升 43% ，人工成本降低 80% 。

2 应用场景拓展：从异形构件到整体建筑的跨越

2.1 复杂构件的精准制造

传统工艺受模具限制，难以实现双曲面、镂空结构等复杂构件的高效生产。BIM 与机械臂协同的 3D 打印技术通过“增材制造”特性，直接从数字模型生成实体构件，无需模具且精度可达毫米级。例如，上海盈创公司利用该技术打印的 1100 平方米别墅，其异形窗框、装饰线条等构件通过 BIM 模型直接驱动机械臂打印，材料成本降低 60% ，工期缩短 70% 。

2.2 整体建筑的快速建造

在整体建筑领域，机械臂的灵活性与 BIM 的协同性突破了传统打印机的尺寸限制。通过“群组机器人协同打印”技术，多台机械臂可分区作业，实现大型建筑的原位打印。2025 年珠海红旗镇项目采用“工厂预制 + 现场组装”模式，先在厂房内打印墙体、楼板等模块，再通过机械臂吊装拼接，最终完成 136 平方米公共服务驿站的建造。该项目验证了 BIM 与机械臂协同技术在多层建筑中的可行性，为应急住房、乡村建设等场景提供了低成本解决方案。

2.3 运维阶段的智能更新

BIM 的 5D 成本信息与机械臂的柔性制造能力相结合，使建筑运维阶段的局部改造成为可能。例如，通过 BIM 模型模拟管道更换路径，机械臂可精准定位并打印新管道，避免传统施工中的大面积拆除。这种“按需打印”模式显著降低了运维成本，延长了建筑使用寿命。

3 技术优势：效率、质量与可持续性的三重提升

3.1 效率革命：工期缩短与成本优化

BIM 与机械臂协同技术通过“设计 - 施工”一体化流程，实现了从数字模型到实体建筑的无缝衔接，彻底消除了传统工艺中冗长且复杂的图纸转化、模具制作等中间环节。在传统建筑模式下，设计师完成设计图纸后，需经过多轮的图纸会审、修改，再由施工团队根据图纸制作模具，这一过程不仅耗时费力，还容易因信息传递误差导致返工。而BIM 技术构建的数字化模型，包含了建筑的所有几何信息和属性数据，机械臂可直接读取这些数据并进行打印作业，无需额外的模具制作步骤。以珠海项目为例，从 BIM 建模到机械臂打印完成仅需 15 天，而传统工艺需 60 天以上，工期大幅缩短。

此外，机械臂具备连续作业能力，可实现 24 小时无间断施工。与传统人工施工受限于工作时间和体力不同，机械臂能够持续稳定地工作，极大地提高了施工效率。同时，机械臂的操作精度高，减少了因施工误差导致的返工和修补工作，进一步节省了时间。在成本方面，由于减少了人工操作环节，人工成本降低 50%-80% 。而且，无需制作模具也降低了模具制作成本和材料浪费。同时，机械臂施工的精准性使得材料利用率提高，减少了材料的采购成本。综合来看，BIM 与机械臂协同技术在工期和成本方面具有显著优势，为建筑企业提高了市场竞争力，也为项目的快速交付和资金回笼提供了有力保障。

3.2 质量跃升：精度控制与缺陷预防

机械臂的毫米级运动精度与 BIM 的实时反馈机制相结合，为建筑施工带来了前所未有的质量控制能力，有效解决了传统施工中因人为因素导致的误差问题。在传统施工中，工人的技术水平、操作熟练程度以及疲劳程度等因素都会影响施工质量，导致构件尺寸偏差、表面不平整等问题。而机械臂由计算机程序精确控制，其运动轨迹和操作精度可达到毫米级别，能够严格按照 BIM 模型的要求进行施工，确保每一个构件的尺寸和形状都准确无误。

例如，在混凝土打印中，BIM 模型可预设每层材料的沉积厚度（通常为 10 - 50 毫米），机械臂通过激光定位系统实时监测打印位置，确保每一层材料都能精准对齐，避免了层间错位和开裂等质量隐患。同时，BIM 的实时反馈机制能够及时捕捉施工过程中的数据变化，如温度、湿度、材料流动性等，一旦发现异常情况，系统会立即调整打印参数，保证施工质量的稳定性。广东中联建的实践表明，3D 打印墙体的抗压强度比传统浇筑混凝土提高 15% ，且表面平整度误差控制在 ±2 毫米以内。这种高质量的建筑构件不仅提高了建筑的整体结构安全性，还减少了后期装修和维护的工作量，降低了建筑的全生命周期成本。此外，机械臂施工的一致性和可重复性也使得大规模建筑生产的质量能够得到有效保障，为建筑工业化的发展奠定了坚实基础。

3.3 绿色建造：材料循环与低碳排放

BIM 与机械臂协同技术通过“精准用料”实现了建筑材料的最大化利用，显著减少了建筑垃圾的产生。在传统施工中，由于无法精确计算所需材料的数量，往往会出现材料过剩或不足的情况，导致大量材料浪费和建筑垃圾堆积。而 BIM 技术能够根据建筑模型精确计算出每个构件所需的材料数量和规格，机械臂则按照精确的指令进行打印，实现了材料的按需供应，减少了 30%-60% 的建筑垃圾。

例如，珠海项目采用再生混凝土、工业废料等作为打印材料，结合 BIM 的物料管理系统，对材料的采购、运输、存储和使用进行全程监控和优化调配，实现了“零废弃”施工。这不仅降低了对自然资源的依赖，还减少了建筑垃圾对环境的污染。

结论

随着区块链、AI、物联网等技术的融合，BIM 与机械臂协同的 3D打印建筑技术将向“全链条智能化”演进：区块链技术可实现BIM 模型、施工记录、材料溯源等数据的不可篡改存证，构建建筑行业的“数字信任体系”；AI 算法可优化BIM 模型的打印路径，减少机械臂的空驶时间；物联网传感器可实时监测打印环境（如温度、湿度），动态调整材料配比。

政策层面，中国“十四五”规划明确将建筑 3D 打印列为重点研发方向，并通过“国家重点研发计划”支持关键技术攻关。预计到2030 年，BIM 与机械臂协同技术将覆盖 30% 以上的新建建筑，推动行业向“零碳、零事故、零浪费”的智能建造模式转型。

参考文献

[1] 罗立胜 , 徐春蕾 , 张永强 . "B/M+3D" 打印技术在钢结构教学中的应用研究 [J]. 科教文汇 , 2024(4):95-98.

[2] 韩液 . B∣M+3D 打印在建筑领域的应用探究 [J]. 价值工程 ,2024, 43(2):157-159.