基于BIM技術(shù)的木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計教學(xué)研究與工程應(yīng)用*

程小武 楊珩

南京工業(yè)大學(xué) 江蘇 南京 211816

引言

南京工業(yè)大學(xué)在傳統(tǒng)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究成果豐富，聚焦于傳統(tǒng)建筑保護與設(shè)計、現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)等方向，從科學(xué)研究、標準編制、工程應(yīng)用等方面進行了全面的探索。通過努力，建成了國內(nèi)高校最早、設(shè)施最全的木結(jié)構(gòu)實驗室；形成了國內(nèi)最大的木結(jié)構(gòu)研究團隊；完成了眾多有突破性的木結(jié)構(gòu)建筑與橋梁工程。在木結(jié)構(gòu)科學(xué)研究與工程設(shè)計中，南京工業(yè)大學(xué)基于BIM技術(shù)的建筑、結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計與結(jié)構(gòu)形態(tài)的可視化設(shè)計研究是一個亮點，通過從本科生到研究生的系統(tǒng)化、系列化教學(xué)培養(yǎng)，培養(yǎng)了一批熟練掌握木結(jié)構(gòu)設(shè)計BIM核心技術(shù)的人才。

1 BIM技術(shù)基本概念

BIM—建筑信息模型，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對對應(yīng)工程項目相關(guān)信息的詳盡表達。裝配式建筑的核心是“集成”，BIM技術(shù)是“集成”的手段，串聯(lián)起來設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修和管理的全過程，服務(wù)于裝配式建筑全生命周期[1]。BIM技術(shù)為裝配式設(shè)計提供技術(shù)保障，三維表達避免傳統(tǒng)二維設(shè)計圖形孤立，變更難的現(xiàn)象，有效解決了專業(yè)間、預(yù)制構(gòu)件間可能出現(xiàn)的碰撞問題。

通過研究通用BIM設(shè)計平臺REVIT和木結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計軟件CADWORK之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進行結(jié)構(gòu)計算、節(jié)點設(shè)計、構(gòu)件拆分、構(gòu)/部件加工等繼承性工序，形成正向設(shè)計流程。

圖1 木結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計流程

2 BIM在木結(jié)構(gòu)設(shè)計教育中基本理念

木結(jié)構(gòu)作為三大裝配式結(jié)構(gòu)，在其設(shè)計中要建立一種建筑方案引領(lǐng)結(jié)構(gòu)形態(tài)，并融合合理結(jié)構(gòu)受力的理念，讓木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系合理展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)形態(tài)美。

2.1 建筑方案的創(chuàng)作

在木結(jié)構(gòu)建筑方案設(shè)計教學(xué)中，通過對各種不同三維建模軟件的運用介紹，

使同學(xué)們認識到BIM軟件如Revit的應(yīng)用特點，而且利用不同軟件的融合性，當遇到復(fù)雜曲面模型時，借助曲面建模表現(xiàn)更為出色的如Rhinoceros軟件進行輔助建模，并將模型導(dǎo)入合并至Revit主模型中，完成整個BIM核模型的建立。如美國俄勒岡州比弗頓圖書館結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)美的樹形柱，在設(shè)計中運用了Revit的建模技術(shù)（圖2）。

圖2 美國比弗頓圖書館樹形結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化與分析

而在本科生、研究生結(jié)構(gòu)分析教學(xué)中，通過將revit與midas、Abaqus等有限元軟件結(jié)合，進行結(jié)構(gòu)安全性分析（如圖3）。在Autodesk Revit中分離出結(jié)構(gòu)線，導(dǎo)出至CAD文件，對不同的線型設(shè)置不同的截面屬性分圖層導(dǎo)入Midas Gen中形成結(jié)構(gòu)分析模型[2]。根據(jù)分析結(jié)果，對構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)布置進行優(yōu)化，最后將優(yōu)化數(shù)據(jù)反饋給Revit模型。將節(jié)點實體模型輸出至Abaqus有限元軟件中，進行精細化分析，得到節(jié)點的剛度系數(shù)，并在Midas Gen中對節(jié)點作相應(yīng)參數(shù)調(diào)整，從而得到更加接近實際連接特征的分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計。

圖3 BIM平臺相關(guān)設(shè)計計算軟件的融合

在學(xué)習中，建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)同學(xué)通過技術(shù)交流，將專業(yè)充分融合在一起，最終順利地將BIM技術(shù)運用到本科木結(jié)構(gòu)建筑畢業(yè)設(shè)計中，讓建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)的同學(xué)在本科階段就熟練地掌握了BIM技術(shù)[3]。

3 BIM技術(shù)在全國木結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中的應(yīng)用

南京工業(yè)大學(xué)自2015第一屆起就參加全國大學(xué)生木結(jié)構(gòu)設(shè)計邀請賽，在比賽中土木學(xué)院的木結(jié)構(gòu)方向研究生和建筑學(xué)院的本科生、研究生通力合作，取得了豐碩成果，并獲得了2018年第四屆木結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的一等獎。

而2016年度我校的參賽作品《貫·虹—基于BIM的木結(jié)構(gòu)游泳館設(shè)計》首次全面將BIM理念運用到建筑、結(jié)構(gòu)、制造、施工一體化方案設(shè)計中，令人耳目一新。

圖4 BIM核心模型的建立

圖5 BIM模型的可視化計算研究

3.1 以BIM技術(shù)為核心的設(shè)計、制造、施工一體化應(yīng)用

南京工業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊在2018年參與木結(jié)構(gòu)設(shè)計的江蘇省第十屆江蘇省園藝博覽會博覽園主展館項目中將BIM技術(shù)充分運用其中，獲得了巨大成功，項目獲得了2020年度全國綠色建筑創(chuàng)新一等獎[4]。

圖6 項目完成實景

圖7 結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)美的木拱橋

該項目方案設(shè)計、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計均在BIM模型中進行，結(jié)構(gòu)計算完成后直接生成構(gòu)件加工圖。從設(shè)計到施工均貫穿了BIM技術(shù)[5]，極大提高了設(shè)計和施工的自動化程度和安裝的精度，完美還原了建筑的細節(jié)效果。南京工業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊將BIM技術(shù)應(yīng)用到該項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、構(gòu)件加工、數(shù)字化建造等領(lǐng)域，將傳統(tǒng)BIM軟件及常規(guī)配合建模軟件（Rhinoceros）、木結(jié)構(gòu)拆分專業(yè)軟件（Cad work）、結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化軟件（Abaqus、Inspire、Midas）以及工廠加工機床接口軟件有效結(jié)合，實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑從設(shè)計到施工建造的全過程信息化，無縫對接各個環(huán)節(jié)，在園博會木結(jié)構(gòu)建筑中得到了成功應(yīng)用。

圖8 項目3D打印模型

圖9 項目基于BIM的整體平臺

4 結(jié)束語

從本科生畢業(yè)設(shè)計到全國大學(xué)生木結(jié)構(gòu)大賽再到木結(jié)構(gòu)實際項目設(shè)計實踐，南京工業(yè)大學(xué)建立了從校園到社會，從理論到實踐的BIM技術(shù)應(yīng)用，取得了豐碩成果，值得推廣。