Building information modelling based on-site 3D printer position optimization for digital fabrication

Abstract

Digital fabrication, Additive Manufacturing (AM), and Building Information Modeling (BIM) has recently been advancing in the Architecture, Engineering, and Construction (AEC) industry and have been leading to increasing number of applications of digital fabrication technologies for three-dimensional (3D) printed structures such as tiny houses, shelters, or even bridges. The 3D printing processes of structures provide advantages in terms of time, cost, and energy efficiencies, as well as health, safety, and environment (HSE) aspects. The on-site integration of 3D printing and Building Information Modeling (BIM) has shown potential to improve the production processes of digital fabrication with concrete. So far, the utilization of building models by 3D printers has been the focus of this integration for more effective digital fabrication applications. BIM can be used in the site planning and optimization of the digital fabrication process by optimally positioning the 3D printers on the construction site. In this work, a BIM-based 3D printer position optimization tool was developed using the Dynamo plugin of the Autodesk Revit software. Similar to the optimization of the site layout with BIM for major construction equipment (e.g., cranes); this tool looks at the design and geometry of the elements to be printed as well as the fresh and hardened state properties of the concrete mix. This tool considers the physical properties of a 3D printer, such as its dimensions and printing range, the geometry and location of the elements to be printed on-site, and the properties of printable concrete mixture, such as initial setting time. In the case study, the tool significantly reduced the number of steps required for printing the walls of a single-floor office building with a robotic arm 3D printer. The main objective of this research is creating an algorithm examining relocation step counts of a robotic arm 3D printer in a real case office building construction and decreasing this relocation counts from 20 to lower values with determining optimal places over the slab. The outcome of this research will enable decreasing the relocation step counts for printer to 7 from 20 and unnecessary 13 steps are eliminated. As a result of this optimization work, 65% yield is gained in terms of labor force, time and energy consumption for relocation process of the printer.

Dijital fabrikasyon, katmanlı üretim ve Yapı Bilgi Modellemesi (YBM) son zamanlarda Mimarlık, Mühendislik ve İnşaat (MMİ) endüstrisinde hızlıca gelişmekte ve küçük evler, sığınaklar ve hatta köprüler gibi üç boyutlu (3B) baskılı yapılar için dijital fabrikasyon teknolojilerinin artan sayıda uygulamasına yol açmaktadır. Yapıların 3 boyutlu baskı süreçleri, zaman, maliyet ve enerji verimliliği ile sağlık, emniyet ve çevre (SEÇ) yaklaşımları açılarından avantajlar sağlar. 3 boyutlu baskı ve Yapı Bilgi Modellemesinin (YBM) sahadaki entegrasyonu, beton ile dijital fabrikasyon üretim süreçlerini iyileştirme potansiyeli göstermiştir. Şimdiye kadar, 3 boyutlu yazıcılar tarafından sürekli kontrol edilen bina modellerinin kullanılması, daha etkili dijital üretim uygulamaları için bu entegrasyonun odak noktası olmuştur. BIM, 3 boyutlu yazıcıları şantiyede en uygun şekilde konumlandırarak, saha planlamasında ve dijital imalat sürecinin optimizasyonunda kullanılabilir. Bu çalışmada, Autodesk Revit yazılımının Dynamo eklentisi kullanılarak bir 3 boyutlu yazıcının YBM tabanlı konum optimizasyonu aracı geliştirilmiştir. Tasarlanan bu algoritma, vinçler gibi büyük inşaat ekipmanları için yapılan BIM ile saha optimizasyonu çalışmalarına benzer şekilde; yazdırılacak elemanların tasarımı ve geometrisini dikkate almakta ve bunun yanı sıra beton karışımının sertleşme süresini de değişken olarak inceleyebilmektedir. Bu araç, bir 3 boyutlu yazıcının boyutları ve baskı aralığı gibi fiziksel özelliklerini, sahada yazdırılacak elemanların geometrisi ve konumu ile yazdırılabilir beton karışımının ilk priz alma süresi özelliklerini dikkate alır. Örnek proje incelemesinde optimizasyon aracı, tek katlı bir ofis binasının duvarlarını robot kollu bir 3 boyutlu yazıcıyla basmak için gereken adım sayısını önemli ölçüde azaltabilmektedir. Bu araştırmanın temel amacı, gerçek bir ofis binası inşaatında robot kollu bir 3D yazıcının yer değiştirme adım sayılarını inceleyen bir algoritma oluşturmak ve döşeme üzerinde en uygun yerleri belirleyerek bu yer değiştirme sayılarını 20'den daha düşük değerlere indirmektir. Oluşturulan bu algoritma sayesinde yazıcı için yer değiştirme adım sayısı 20'den 7'ye düşürülerek gereksiz 13 adım ortadan kaldırılmıştır. Bu optimizasyon çalışması sonucunda yazıcının taşınma işlemi için iş gücü, zaman ve enerji tüketimi açısından %65 verim elde edilmiştir.