BIM技術在預制裝配梁柱式木結構住宅產(chǎn)業(yè)化中的應用

陸步云 周光志 繆冬冬

1 BIM的定義

建筑信息模型（Building Information Modeling），是根據(jù)設計將整個建筑在虛擬三維環(huán)境中完整地建造出來，將整個建筑進行數(shù)字化，并能通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。該信息不僅僅是幾何形狀描述的視覺信息，如材質、構造、尺寸等等，它還包含大量非幾何信息，如材料強度、性能、傳熱系數(shù)、構件的造價、采購信息等[1]。它具有可視化，協(xié)調性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點。BIM技術不僅僅是三維建模，也不是某一個軟件，它是一種應用于工程設計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[2]。說的通俗易懂一點，BIM就是通過各種數(shù)據(jù)來建立三維的建筑模型，由于三維模型可以模擬實際場景，且可視性很強，并且這些模型包含大量可以共享的其他信息，因此在建筑設計、結構設計、水電設計、節(jié)能設計、工廠生產(chǎn)、施工安裝、造價計算、項目管理等諸多環(huán)節(jié)可以起到很好的協(xié)調和優(yōu)化作用（圖1）。

2 木結構住宅產(chǎn)業(yè)化

圖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

住宅產(chǎn)業(yè)化是指用工業(yè)化生產(chǎn)的方式來建造住宅。利用現(xiàn)代科學技術，先進的管理方法和工業(yè)化的生產(chǎn)方式去全面改造傳統(tǒng)的住宅產(chǎn)業(yè)，運用現(xiàn)代工業(yè)手段和現(xiàn)代工業(yè)組織，對住宅工業(yè)化生產(chǎn)的各個階段的各個生產(chǎn)要素通過技術手段集成和系統(tǒng)地整合，達到建筑的標準化，構件生產(chǎn)工廠化，住宅部品系列化，現(xiàn)場施工裝配化，土建裝修一體化，生產(chǎn)經(jīng)營社會化。形成有序的工廠流水作業(yè)，從而提高質量，提高效率，提高壽命，降低成本，降低能耗。住宅產(chǎn)業(yè)化是機械化程度不高和粗放式生產(chǎn)的生產(chǎn)方式升級換代的必然要求，可以提高住宅生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率，提高住宅的整體質量，降低成本，降低物耗、能耗[3]。

BIM技術的優(yōu)點和住宅產(chǎn)業(yè)化的目標在很多方面是一致的，BIM技術在混凝土結構、鋼結構的住宅產(chǎn)業(yè)化中已有很多成功的應用案例。目前北京北新建材、萬科、遠大住工集團等中國大型房產(chǎn)開發(fā)建筑商已在住宅產(chǎn)業(yè)化方面取得了較大的成績，并將BIM技術成功地用于住宅產(chǎn)業(yè)化項目之中[4]。住宅產(chǎn)業(yè)化的核心技術主要是主體結構技術，目前國際上形成標準化體系的結構形式有混凝土結構（包括鋼筋混凝土）、鋼結構（包括輕鋼結構）和木結構。其中鋼結構體系和木結構體系裝配化程度最高[5]，木結構體系中的輕型木結構、梁柱式木結構、井干式木結構以及CLT、SIP結構等都是預制裝配程度較高、易于實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的結構形式。

現(xiàn)代輕型木結構起源于北美，二戰(zhàn)后因為大規(guī)模住宅建筑重建的市場需求，輕型木結構經(jīng)歷了由低級到高級，由集團住宅體系到全社會化、全行業(yè)化的通用住宅部品的發(fā)展過程。輕型木結構可以拆解為墻體、樓地面、屋架，每個部件都可以在工廠生產(chǎn)線上加工，到現(xiàn)場快速組裝。輕型木結構在以下兩點成功地運用了BIM設計技術，為實現(xiàn)輕型木結構的住宅產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎。1)和生產(chǎn)、管理直接對接的三維設計軟件。Softplan是加拿大一個輕型木結構設計軟件，它從三維建模而不是二維圖紙開始設計房屋，根據(jù)三維模型軟件可以直接生成加工圖，計算材料清單和報價。澳大利亞的Mitek軟件可以計算桁架的結構，直接連接到設備上加工出符合結構強度的輕型木結構桁架。德國的Weto軟件、cadwork軟件和國內(nèi)的《遲木匠》軟件也是基于三維的模型設計，能給出相關的結構計算書或材料清單，計算報價，直至能連接數(shù)據(jù)機床生產(chǎn)加工[6]。2)模數(shù)化的設計標準。利用38 mm×89 mm、38 mm×140 mm、38 mm×184 mm、38 mm×235 mm、38 mm×286 mm這五種截面尺寸的SPF規(guī)格材，按照設計規(guī)范進行組合，基本可以滿足所有對輕型木結構住宅的設計需要[7]。

3 BIM在梁柱式木結構住宅產(chǎn)業(yè)化中的實踐

膠合木結構也可以稱之為梁柱式木結構，是我國以及日本等地傳統(tǒng)木建筑的結構形式。我國保存下來的古木建筑都是梁柱式木結構，并且到現(xiàn)在為止，我國的西南地區(qū)還有很多地方保留著居住傳統(tǒng)木結構民居的習慣，尤其以貴州省黔東南地區(qū)為代表和特色[8]。當?shù)刂菡Ｍㄟ^木結構住宅產(chǎn)業(yè)化項目來提升當?shù)啬窘Y構民居的質量，并通過木結構住宅產(chǎn)業(yè)化項目來降低木結構的成本，建造農(nóng)民能住得起的木結構（圖2）。

圖2 黔東南木結構民居設計方案與其結構模型Fig.2 Design scheme and construction model of wooden house in Southeast of Guizhou province

在實施梁柱式木結構住宅產(chǎn)業(yè)化的道路上，借鑒混凝土結構、鋼結構以及輕型木結構產(chǎn)業(yè)化實施的過程，嘗試將BIM技術運用到產(chǎn)業(yè)化整個項目的各個階段?？偨Y有以下幾個設計要點：

1）SI結構體系。將梁柱式木結構分解成“S(skeleton-支撐體)”和“I(infill-填充體)”兩大體系。具體細分為S體系，包含梁、柱、連接件等，I體系，包含墻板、樓板、門、窗、樓梯、美人靠、屋面系統(tǒng)、廚衛(wèi)系統(tǒng)、水電系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)等。為了便于以后的工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝，梁柱采用膠合木方柱，用金屬連接件連接，而不是用傳統(tǒng)的圓柱和榫卯連接。墻體不再是傳統(tǒng)的單層木質墻體，而是將結構、保溫、隔音、內(nèi)外裝飾材料可以一體化進行預制的整體輕型木龍骨組合墻體。

2）梁柱對齊，柱網(wǎng)間距有限制。黔東南地區(qū)的木結構民居開間柱和柱之間的距離一般在3～4m，高度通常為兩層加閣樓，層高一般不超過10 m，因此它的梁柱構件尺寸、整體復合墻體構件的尺寸和重量都可以控制在一定范圍之內(nèi)，不會給運輸和安裝帶來很多的不便。

3）墻體、門窗等構件尺寸使用設計模數(shù)。在建筑設計標準化過程中要綜合考慮墻體、門窗、樓梯、整體衛(wèi)浴等部件的模數(shù)設計。但木結構主要材料如SPF、OSB板等都是采用英制尺寸而非公制尺寸，比如SPF尺寸為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 為1 220 mm×2 440 mm，這些尺寸與《住宅建筑模數(shù)協(xié)調標準》中規(guī)定的住宅建筑設計模數(shù)100或50[9]是不一致的。是浪費些材料向現(xiàn)行的建筑設計標準模數(shù)靠攏，還是就材料尺寸重新建立木結構體系的標準模數(shù)？木結構住宅產(chǎn)業(yè)化的體系在我國是不成熟的產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化的潛力是相當大的，而木結構中不僅僅OSB板，其他如石膏板、水泥壓力板、硅酸鈣板、膠合板等等都是采用英制尺寸，因此建議根據(jù)材料尺寸建立木結構體系的標準模數(shù)，比如10。

4）滿足一定個性化需求。將梁柱式木結構拆解成SI兩大體系的多個構件，這些構件在制定了生產(chǎn)和驗收標準后可以由各行業(yè)多家企業(yè)參與生產(chǎn)制造，最終木結構是一個集成系統(tǒng)。并且這些構件因為使用了設計模數(shù)，還可以進行模塊化設計，自由組合，可以組合出偏廈、走廊、多開間，以滿足不同地基尺寸的各種平面、立面方案。在針對性的開發(fā)了設計軟件以后，銷售設計師可以快速地根據(jù)客戶的不同需要完成個性化的設計方案。最終木結構企業(yè)只是一個組裝廠，只需到市場采購所需要的部件和構件，做好安裝和售后服務，就能滿足不同客戶的個性化需求。

5）使用整體衛(wèi)浴、整體樓梯、整體廚房等標準化產(chǎn)品。構件生產(chǎn)工廠化、住宅部品系列化是實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的兩個前提條件。除了梁柱、墻體等結構構件在工廠預制加工外，衛(wèi)生間、廚房、樓梯這些在裝修過程中非常費時費力的部分也要實現(xiàn)預制，直接采購安裝，以達到裝飾一體化的要求[10]。我國的整體衛(wèi)浴、整體樓梯、整體廚房經(jīng)過這些年的行業(yè)發(fā)展都已經(jīng)有完全能符合預制裝配的產(chǎn)品，并且也有了自己的產(chǎn)品標準。比如中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 405—2013《住宅內(nèi)用成品樓梯》，JG/T 184—2006《住宅整體廚房》，JG/T 183—2006《住宅整體衛(wèi)浴間》。

由生產(chǎn)線生產(chǎn)的構件在進行裝配之前，構件之間、構件與設備之間的吻合度可能會存在風險，這直接關系到施工安全、施工周期以及成本控制。因此在BIM平臺上搭建精細的三維模型，模擬施工過程，進行多方案比較評估，不斷修正邏輯并反饋設計，可以發(fā)現(xiàn)問題，降低風險以達到優(yōu)化施工的目的。采用BIM技術將設計和生產(chǎn)施工模擬以后，一棟220 m2的新型苗侗木結構民居住宅產(chǎn)業(yè)化項目樣板房，所有主體構件全部在工廠預制加工完成，現(xiàn)場只需要12天就可以完成全部的施工，包括主體結構、外裝和內(nèi)裝（圖3）。我們運用cadwork軟件建立該項目的BIM模型，不僅設定了各個構件的材質、重量、尺寸等信息，還嘗試設定了諸如材料強度、性能、傳熱系數(shù)、加工精度、構件造價、供應商信息等參數(shù)。這些信息在木結構產(chǎn)業(yè)化的儲存環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、項目管理環(huán)節(jié)、市場營銷等環(huán)節(jié)都可以共享，大大提高了各環(huán)節(jié)的工作效率。

圖3 新型苗侗木結構民居住宅產(chǎn)業(yè)化項目樣板房（位于劍河縣）Fig.3 Sample of wooden house industrialization project(sited in Jianhe)

4 小結

木結構住宅是易于實現(xiàn)預制裝配式、實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標準化制作的結構體系。住宅產(chǎn)業(yè)化可以劃分為九個系統(tǒng)，即：前期系統(tǒng)、設計系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、虛擬施工系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)。BIM技術在這九個環(huán)節(jié)中可以協(xié)調所有項目參與者的關系。BIM就是通過數(shù)字化技術，在計算機中建立一個虛擬的建筑，提供單一的、完整的、有邏輯的建筑信息庫。它的應用不僅局限于設計階段，而是貫穿于整個項目全生命周期的各個階段[11]。在預制裝配梁柱式木結構住宅產(chǎn)業(yè)化項目中引進BIM技術，改變了傳統(tǒng)二維圖紙設計方法，從三維模型直接入手木結構建筑設計，在前期方案階段，可快速、直觀地將建筑方案展示在客戶面前。在生產(chǎn)中，用BIM模型直接導出生產(chǎn)加工圖，利用BIM技術的可視化與協(xié)調性等特點，避免設計錯誤和生產(chǎn)錯誤。同時在項目管理過程中，運用基于模型定義（MBD）的信息管理系統(tǒng)，從最高管理層（戰(zhàn)略層，主要由ERP系統(tǒng)完成）、中層管理層（戰(zhàn)術層，主要由ERP和MES系統(tǒng)共同完成）、基層管理層（運行層，主要由MES系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS完成）分為三個層次縱向管理，可大大提高各環(huán)節(jié)的效率，降低建筑產(chǎn)業(yè)化成本。

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