BIM技术在预制装配梁柱式木结构住宅产业化中的应用

陆步云 周光志 缪冬冬

1 BIM的定义

建筑信息模型（Building Information Modeling），是根据设计将整个建筑在虚拟三维环境中完整地建造出来，将整个建筑进行数字化，并能通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。该信息不仅仅是几何形状描述的视觉信息，如材质、构造、尺寸等等，它还包含大量非几何信息，如材料强度、性能、传热系数、构件的造价、采购信息等[1]。它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。BIM技术不仅仅是三维建模，也不是某一个软件，它是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[2]。说的通俗易懂一点，BIM就是通过各种数据来建立三维的建筑模型，由于三维模型可以模拟实际场景，且可视性很强，并且这些模型包含大量可以共享的其他信息，因此在建筑设计、结构设计、水电设计、节能设计、工厂生产、施工安装、造价计算、项目管理等诸多环节可以起到很好的协调和优化作用（图1）。

2 木结构住宅产业化

图1 BIM在建筑全生命周期中的作用Fig.1 The effect of BIM in whole life cycle of buildings

住宅产业化是指用工业化生产的方式来建造住宅。利用现代科学技术，先进的管理方法和工业化的生产方式去全面改造传统的住宅产业，运用现代工业手段和现代工业组织，对住宅工业化生产的各个阶段的各个生产要素通过技术手段集成和系统地整合，达到建筑的标准化，构件生产工厂化，住宅部品系列化，现场施工装配化，土建装修一体化，生产经营社会化。形成有序的工厂流水作业，从而提高质量，提高效率，提高寿命，降低成本，降低能耗。住宅产业化是机械化程度不高和粗放式生产的生产方式升级换代的必然要求，可以提高住宅生产的劳动生产率，提高住宅的整体质量，降低成本，降低物耗、能耗[3]。

BIM技术的优点和住宅产业化的目标在很多方面是一致的，BIM技术在混凝土结构、钢结构的住宅产业化中已有很多成功的应用案例。目前北京北新建材、万科、远大住工集团等中国大型房产开发建筑商已在住宅产业化方面取得了较大的成绩，并将BIM技术成功地用于住宅产业化项目之中[4]。住宅产业化的核心技术主要是主体结构技术，目前国际上形成标准化体系的结构形式有混凝土结构（包括钢筋混凝土）、钢结构（包括轻钢结构）和木结构。其中钢结构体系和木结构体系装配化程度最高[5]，木结构体系中的轻型木结构、梁柱式木结构、井干式木结构以及CLT、SIP结构等都是预制装配程度较高、易于实现住宅产业化的结构形式。

现代轻型木结构起源于北美，二战后因为大规模住宅建筑重建的市场需求，轻型木结构经历了由低级到高级，由集团住宅体系到全社会化、全行业化的通用住宅部品的发展过程。轻型木结构可以拆解为墙体、楼地面、屋架，每个部件都可以在工厂生产线上加工，到现场快速组装。轻型木结构在以下两点成功地运用了BIM设计技术，为实现轻型木结构的住宅产业化奠定了良好的基础。1)和生产、管理直接对接的三维设计软件。Softplan是加拿大一个轻型木结构设计软件，它从三维建模而不是二维图纸开始设计房屋，根据三维模型软件可以直接生成加工图，计算材料清单和报价。澳大利亚的Mitek软件可以计算桁架的结构，直接连接到设备上加工出符合结构强度的轻型木结构桁架。德国的Weto软件、cadwork软件和国内的《迟木匠》软件也是基于三维的模型设计，能给出相关的结构计算书或材料清单，计算报价，直至能连接数据机床生产加工[6]。2)模数化的设计标准。利用38 mm×89 mm、38 mm×140 mm、38 mm×184 mm、38 mm×235 mm、38 mm×286 mm这五种截面尺寸的SPF规格材，按照设计规范进行组合，基本可以满足所有对轻型木结构住宅的设计需要[7]。

3 BIM在梁柱式木结构住宅产业化中的实践

胶合木结构也可以称之为梁柱式木结构，是我国以及日本等地传统木建筑的结构形式。我国保存下来的古木建筑都是梁柱式木结构，并且到现在为止，我国的西南地区还有很多地方保留着居住传统木结构民居的习惯，尤其以贵州省黔东南地区为代表和特色[8]。当地州政府希望通过木结构住宅产业化项目来提升当地木结构民居的质量，并通过木结构住宅产业化项目来降低木结构的成本，建造农民能住得起的木结构（图2）。

图2 黔东南木结构民居设计方案与其结构模型Fig.2 Design scheme and construction model of wooden house in Southeast of Guizhou province

在实施梁柱式木结构住宅产业化的道路上，借鉴混凝土结构、钢结构以及轻型木结构产业化实施的过程，尝试将BIM技术运用到产业化整个项目的各个阶段。总结有以下几个设计要点：

1）SI结构体系。将梁柱式木结构分解成“S(skeleton-支撑体)”和“I(infill-填充体)”两大体系。具体细分为S体系，包含梁、柱、连接件等，I体系，包含墙板、楼板、门、窗、楼梯、美人靠、屋面系统、厨卫系统、水电系统、内装系统等。为了便于以后的工业化生产和现场安装，梁柱采用胶合木方柱，用金属连接件连接，而不是用传统的圆柱和榫卯连接。墙体不再是传统的单层木质墙体，而是将结构、保温、隔音、内外装饰材料可以一体化进行预制的整体轻型木龙骨组合墙体。

2）梁柱对齐，柱网间距有限制。黔东南地区的木结构民居开间柱和柱之间的距离一般在3～4m，高度通常为两层加阁楼，层高一般不超过10 m，因此它的梁柱构件尺寸、整体复合墙体构件的尺寸和重量都可以控制在一定范围之内，不会给运输和安装带来很多的不便。

3）墙体、门窗等构件尺寸使用设计模数。在建筑设计标准化过程中要综合考虑墙体、门窗、楼梯、整体卫浴等部件的模数设计。但木结构主要材料如SPF、OSB板等都是采用英制尺寸而非公制尺寸，比如SPF尺寸为38 mm×89 mm、38 mm×140 mm、38 mm×184 mm、38 mm×235 mm、38 mm×286 mm，OSB板 的 尺 寸 为1 220 mm×2 440 mm，这些尺寸与《住宅建筑模数协调标准》中规定的住宅建筑设计模数100或50[9]是不一致的。是浪费些材料向现行的建筑设计标准模数靠拢，还是就材料尺寸重新建立木结构体系的标准模数？木结构住宅产业化的体系在我国是不成熟的产业，优化的潜力是相当大的，而木结构中不仅仅OSB板，其他如石膏板、水泥压力板、硅酸钙板、胶合板等等都是采用英制尺寸，因此建议根据材料尺寸建立木结构体系的标准模数，比如10。

4）满足一定个性化需求。将梁柱式木结构拆解成SI两大体系的多个构件，这些构件在制定了生产和验收标准后可以由各行业多家企业参与生产制造，最终木结构是一个集成系统。并且这些构件因为使用了设计模数，还可以进行模块化设计，自由组合，可以组合出偏厦、走廊、多开间，以满足不同地基尺寸的各种平面、立面方案。在针对性的开发了设计软件以后，销售设计师可以快速地根据客户的不同需要完成个性化的设计方案。最终木结构企业只是一个组装厂，只需到市场采购所需要的部件和构件，做好安装和售后服务，就能满足不同客户的个性化需求。

5）使用整体卫浴、整体楼梯、整体厨房等标准化产品。构件生产工厂化、住宅部品系列化是实现住宅产业化的两个前提条件。除了梁柱、墙体等结构构件在工厂预制加工外，卫生间、厨房、楼梯这些在装修过程中非常费时费力的部分也要实现预制，直接采购安装，以达到装饰一体化的要求[10]。我国的整体卫浴、整体楼梯、整体厨房经过这些年的行业发展都已经有完全能符合预制装配的产品，并且也有了自己的产品标准。比如中华人民共和国建筑工业行业标准JG/T 405—2013《住宅内用成品楼梯》，JG/T 184—2006《住宅整体厨房》，JG/T 183—2006《住宅整体卫浴间》。

由生产线生产的构件在进行装配之前，构件之间、构件与设备之间的吻合度可能会存在风险，这直接关系到施工安全、施工周期以及成本控制。因此在BIM平台上搭建精细的三维模型，模拟施工过程，进行多方案比较评估，不断修正逻辑并反馈设计，可以发现问题，降低风险以达到优化施工的目的。采用BIM技术将设计和生产施工模拟以后，一栋220 m2的新型苗侗木结构民居住宅产业化项目样板房，所有主体构件全部在工厂预制加工完成，现场只需要12天就可以完成全部的施工，包括主体结构、外装和内装（图3）。我们运用cadwork软件建立该项目的BIM模型，不仅设定了各个构件的材质、重量、尺寸等信息，还尝试设定了诸如材料强度、性能、传热系数、加工精度、构件造价、供应商信息等参数。这些信息在木结构产业化的储存环节、运输环节、项目管理环节、市场营销等环节都可以共享，大大提高了各环节的工作效率。

图3 新型苗侗木结构民居住宅产业化项目样板房（位于剑河县）Fig.3 Sample of wooden house industrialization project(sited in Jianhe)

4 小结

木结构住宅是易于实现预制装配式、实现工业化生产、标准化制作的结构体系。住宅产业化可以划分为九个系统，即：前期系统、设计系统、生产系统、虚拟施工系统、装配系统、运输系统、监管系统、储存系统、营销系统。BIM技术在这九个环节中可以协调所有项目参与者的关系。BIM就是通过数字化技术，在计算机中建立一个虚拟的建筑，提供单一的、完整的、有逻辑的建筑信息库。它的应用不仅局限于设计阶段，而是贯穿于整个项目全生命周期的各个阶段[11]。在预制装配梁柱式木结构住宅产业化项目中引进BIM技术，改变了传统二维图纸设计方法，从三维模型直接入手木结构建筑设计，在前期方案阶段，可快速、直观地将建筑方案展示在客户面前。在生产中，用BIM模型直接导出生产加工图，利用BIM技术的可视化与协调性等特点，避免设计错误和生产错误。同时在项目管理过程中，运用基于模型定义（MBD）的信息管理系统，从最高管理层（战略层，主要由ERP系统完成）、中层管理层（战术层，主要由ERP和MES系统共同完成）、基层管理层（运行层，主要由MES系统和生产控制系统PCS完成）分为三个层次纵向管理，可大大提高各环节的效率，降低建筑产业化成本。

[1] 臧伟. BIM领域应用于建筑设计的典型软件[J]. 时代建筑, 2013(2):38-43.

[2] 何关培. BIM总论[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2014.

[3] 李忠富, 关柯. 中国住宅产业化发展的步骤、途径与策略[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 2000, 33(1):92-96.

[4] 刘颖春. 我国住宅产业化现状与发展对策研究[J]. 吉林工商学院学报, 2008, 24(6): 43-45.

[5] 仇保兴. 关于装配式住宅发展的思考[J]. 住宅产业, 2014 (2):10-16.

[6] 迟忠斌.木结构建筑设计软件与示范工程应用[J].建设科技, 2008,5(1): 47-49.

[7] 刘长春, 孙媛媛. 轻型木结构工业化住宅内装模块化研究及应用[J].施工技术, 2016, 45(4):35-38.

[8] 陆步云, 李芳, 周光志. 黔东南传统木结构民居保护与建设项目的研究与实践[J]. 林产工业, 2016, 43(11):10-13.

[9] GB/T 50100—2001 住宅建筑模数协调标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[10] 喻迺秋. 推进我国木结构产业发展的思路[N]. 中华建筑报, 2014-08-12.

[11] 孙月恒. 建筑信息模型对住宅产业化的重要作用[J]. 住宅产业,2012 (8):55-58.