BIM技术在木结构建筑设计中优化作用探析

张成龙 ，杜弘阳 （吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

BIM技术在现代木结构建筑设计、施工、全生命周期运营管理的应用目前处于初期阶段。木结构建筑的装配化设计决定了其构件的三维数字化、模数化的需求。同时在工程上也提出了木结构建筑设计建造一体化的需求。本文结合BIM技术和木结构建筑特点，从设计角度分析BIM技术在木结构建筑设计中的运用与优化，为建筑设计创造出更多的可能性。

1 木结构建筑特点

伴随着工业革命的兴起，混凝土、钢铁以及其他不可再生的材料逐渐取代传统的砖木材料。然而，现代城市在快速发展的同时，也面对着资源短缺、环境破坏等一系列的挑战。近年来，随着技术革新，木材作为一种绿色可再生建材逐步回归到大众视野之中。与其他的建筑材料相比，木结构建筑有以下几个优势。

1.1 气候适应性强

木材由于特殊的微孔结构，拥有较低的导热系数，是天然的不良导热体。通过建筑技术的优化，木结构建筑的围护构件具有优异的保温隔热效果，实际测试中，在同样厚度的条件下，木材的隔热值是实心砖墙3倍，比标准的混凝土高16倍，比钢材高400倍，比铝材高1600倍[4]。这意味着，在相同的气候环境中，木结构建筑拥有更好的室内环境。同时也说明，木结构建筑的气候适应性更强。在良好的建筑维护基础上，木结构建筑更适应于恶劣的气候环境。

1.2 预制化程度高

通过工厂化的预制，木结构建筑的误差可以被控制到很低的水平，保证了建筑中各种构件的使用性能。得益于装配式技术的运用，木结构建筑的现场施工更为高效。同时，易安装的特点也使拆卸完的建筑材料可以被二次利用。

1.3 抗震能力好

木结构建筑自重较轻但同时又具有极高的强度。同样厚度的木结构是钢结构或混凝土结构重量的五分之一[4]。在受到地震的威胁时，木材自身具有柔韧性可以有效吸收能量，保证建筑的安全。

1.4 环境影响小

木材是一种可以循环利用、可降解的绿色建材。树木的生长可以有效固定二氧化碳，吸收温室气体。配合装配式技术，木结构房屋的建造湿作业更少，施工对环境的破坏更小。此外，木材具有天然的纹理和色彩，构件的裸露具有极好的表现能力，可以减少二次装修产生的环境污染。

木材性能优越，其本身所展现的色彩、纹理等特点在建筑的内外部空间表现中具有非常出众的效果。但在同时，木结构建筑构件体量不大、数量众多、构造复杂的特性增加了木结构建筑设计的难度。BIM技术在设计上的运用可以有效优化建筑设计，使建筑表达效果和装配式建筑技术运用的结合更紧密。

2 BIM技术与木结构建筑设计优化作用

2.1 可视化设计手段在木结构建筑设计中的优化

在木结构建筑中，利用裸露建筑结构的设计手段可以有效的表达建筑材料的自然美和结构美。但在同时也无形的增加了设计师对建筑内外部空间表现的把控难度。即时的可视化手段可以帮助设计师构筑空间意境，减少设计时间，增加设计绘图效率。

相较于传统的CAD软件，BIM技术可以提供更为全面的建筑信息。同时也具备了建筑模型的可视化的能力。通过对2D图纸补充的数据，计算机可以根据建筑信息自动表达出即时的三维可视化模型。这种技术在建筑设计中可以降低可视化表达的成本。

相对于2D的地形，BIM提供的三维场地模型可以帮助设计师更全面的分析场地与建筑之间的关系，辅助设计师得出建筑与场地之间更好的解决方案。

2.2 建筑模型库在木结构建筑设计中的优化

木材易加工的特点提供了木结构建筑装配化的可能性。通过对木结构构件的分析，工厂对木结构建筑的预制化的提出了丰富的解决方案。同时，这也催生出了装配式建筑设计规范化的要求。以Revit为例，在木结构建筑设计阶段，软件中自带的关键族已经可以帮助设计师快速筛选出符合建筑使用尺度的构件。

2.2.1 提高设计效率

木结构建筑模型库的建立可以有效的帮助设计师选用更合理、更有利于表达的建筑构件。

针对于标准化的构件，包括墙体、门窗等的常用构件已经形成了标准的模型库。在构件库的展示中，使用者不仅可以利用构件名称、造型来找到自己所需要的构件，而且通过参数的微调快速调整构件状态，使构件快速运用到建筑模型中。

对于特殊构件，设计师可以根据设计需求自行设计构件来补充模型库的缺失。在轻型木结构框架体系的运用中，郭颖恺等人利用Revit和Dynam o设计了一套完整的参数化建模编程，验证了参数化快速建模的可行性[3]。与三维建模软件不同的是，BIM软件中的构件具有参数化的特性。通过对参数的调整，构件可以快速适应于不同的项目，提高建模效率。

图1 最终的表达效果

2.2.2 提高建筑模型精准度

模型库的建立不仅能提高设计师绘图效率，也使建筑模型的精度得到进一步的提升。提升建筑模型的精度，是木结构建筑的装配化非常重要一个环节。以日本建筑师坂茂设计的新Sw atch大楼为例，设计师利用4600余块网架构件组成了一个巨大的木结构办公建筑。项目的难度在于构件的设计不仅要考虑单个构件的精度达到生产标准，同时也需要考虑到多个构件拼合时所存在的误差。为了保证后期的施工顺利，设计师利用BIM技术的参数化特性，确定了单体构件的精度和样式，同时也保证了构件组之间的有效衔接。并为后期的木材加工提供了构件的数据定位和精准图纸。

2.3 木结构建筑专业协同设计中的优化

2.3.1 提高建筑结构体系的识别性

图2 微型塔楼的结构优化

结构优化在木结构建筑的空间营造中有至关重要的作用。木结构的结构裸露更能表现建筑结构之美。而优秀结构节点的表达可以增加建筑内部空间的识别性。新加坡科技与设计大学的M ichaelBudig的木结构微型塔楼设计[6]中，利用数字化设计方法，将建筑结构拆分成直线和曲线两种元素，并在此基础上，精简结构节点，增加系统组织逻辑，增加局部的抗拉强度的同时提高建筑独特性，获得了较好的设计表现力。

2.3.2 管线系统排布更科学

通常，设计师很少会关注管线综合对建筑空间营造的影响。但无论是线材、管道、设备都会对木结构建筑的空间表达产生巨大影响。利用BIM的信息传递，设备人员可以在建筑设计时提供专业需求。复杂设备管线可以提前设计入建筑中，保证了建筑后期使用的各种需求，并且避免内部使用时设备管线对使用空间产生视觉上的影响。

2.3.3 影响建筑环境因素的协同优化

建筑环境因素会对建筑设计产生巨大的影响。以寒冷地区为例，建筑师在进行建筑设计时需要花更多的精力去考虑建筑的气候适应性。利用BIM技术，设计师只需要掌握基础的建筑能耗知识就可以获取所需的报告，并通过即时修改设计以达到优化设计目的。例如在吉林建筑大学风屏障木结构建筑项目[7]中，作者利用Revit集成的Insight 360在短时间内得到建筑能耗分析和日照分析的报告以及相应的优化建议。并在此基础上，设计师可以通过优化建筑形态，使木结构建筑更适应于寒冷地区。

图3 能耗分析结果

不仅是针对气候影响因素，BIM模型还能够针对建筑所处环境的多种因素进行分析，例如噪声强度、人流密度等，这些辅助信息的及时反馈能帮助设计师针对性的进行优化调整。

3 结论

良好的木结构建筑的空间需要建筑多个工种协同工作，而BIM技术的应用可以有效地打破各个工种之间的藩篱。可以预见的是，随着木结构建筑与装配式技术的发展，BIM技术必然将为木结构建筑设计提供更多的可能性。同时从木结构建筑装配化的特性来看，BIM技术不仅在设计角度可以提供有力支持，在建筑快速营建、建筑后期运营维护以及木材资源的循环利用等方面有着巨大的使用前景。BIM技术的深度开发利用将更有利于木结构建筑产业的良性循环，极大的降低资源浪费，减少建筑全生命周期中对环境影响。