張成龍 ，杜弘陽 （吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130000）

BIM技術(shù)在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)、施工、全生命周期運(yùn)營管理的應(yīng)用目前處于初期階段。木結(jié)構(gòu)建筑的裝配化設(shè)計(jì)決定了其構(gòu)件的三維數(shù)字化、模數(shù)化的需求。同時在工程上也提出了木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)建造一體化的需求。本文結(jié)合BIM技術(shù)和木結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)角度分析BIM技術(shù)在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用與優(yōu)化，為建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)造出更多的可能性。

1 木結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)

伴隨著工業(yè)革命的興起，混凝土、鋼鐵以及其他不可再生的材料逐漸取代傳統(tǒng)的磚木材料。然而，現(xiàn)代城市在快速發(fā)展的同時，也面對著資源短缺、環(huán)境破壞等一系列的挑戰(zhàn)。近年來，隨著技術(shù)革新，木材作為一種綠色可再生建材逐步回歸到大眾視野之中。與其他的建筑材料相比，木結(jié)構(gòu)建筑有以下幾個優(yōu)勢。

1.1 氣候適應(yīng)性強(qiáng)

木材由于特殊的微孔結(jié)構(gòu)，擁有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，是天然的不良導(dǎo)熱體。通過建筑技術(shù)的優(yōu)化，木結(jié)構(gòu)建筑的圍護(hù)構(gòu)件具有優(yōu)異的保溫隔熱效果，實(shí)際測試中，在同樣厚度的條件下，木材的隔熱值是實(shí)心磚墻3倍，比標(biāo)準(zhǔn)的混凝土高16倍，比鋼材高400倍，比鋁材高1600倍[4]。這意味著，在相同的氣候環(huán)境中，木結(jié)構(gòu)建筑擁有更好的室內(nèi)環(huán)境。同時也說明，木結(jié)構(gòu)建筑的氣候適應(yīng)性更強(qiáng)。在良好的建筑維護(hù)基礎(chǔ)上，木結(jié)構(gòu)建筑更適應(yīng)于惡劣的氣候環(huán)境。

1.2 預(yù)制化程度高

通過工廠化的預(yù)制，木結(jié)構(gòu)建筑的誤差可以被控制到很低的水平，保證了建筑中各種構(gòu)件的使用性能。得益于裝配式技術(shù)的運(yùn)用，木結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)場施工更為高效。同時，易安裝的特點(diǎn)也使拆卸完的建筑材料可以被二次利用。

1.3 抗震能力好

木結(jié)構(gòu)建筑自重較輕但同時又具有極高的強(qiáng)度。同樣厚度的木結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)重量的五分之一[4]。在受到地震的威脅時，木材自身具有柔韌性可以有效吸收能量，保證建筑的安全。

1.4 環(huán)境影響小

木材是一種可以循環(huán)利用、可降解的綠色建材。樹木的生長可以有效固定二氧化碳，吸收溫室氣體。配合裝配式技術(shù)，木結(jié)構(gòu)房屋的建造濕作業(yè)更少，施工對環(huán)境的破壞更小。此外，木材具有天然的紋理和色彩，構(gòu)件的裸露具有極好的表現(xiàn)能力，可以減少二次裝修產(chǎn)生的環(huán)境污染。

木材性能優(yōu)越，其本身所展現(xiàn)的色彩、紋理等特點(diǎn)在建筑的內(nèi)外部空間表現(xiàn)中具有非常出眾的效果。但在同時，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件體量不大、數(shù)量眾多、構(gòu)造復(fù)雜的特性增加了木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的難度。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)上的運(yùn)用可以有效優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，使建筑表達(dá)效果和裝配式建筑技術(shù)運(yùn)用的結(jié)合更緊密。

2 BIM技術(shù)與木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化作用

2.1 可視化設(shè)計(jì)手段在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

在木結(jié)構(gòu)建筑中，利用裸露建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)手段可以有效的表達(dá)建筑材料的自然美和結(jié)構(gòu)美。但在同時也無形的增加了設(shè)計(jì)師對建筑內(nèi)外部空間表現(xiàn)的把控難度。即時的可視化手段可以幫助設(shè)計(jì)師構(gòu)筑空間意境，減少設(shè)計(jì)時間，增加設(shè)計(jì)繪圖效率。

相較于傳統(tǒng)的CAD軟件，BIM技術(shù)可以提供更為全面的建筑信息。同時也具備了建筑模型的可視化的能力。通過對2D圖紙補(bǔ)充的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)建筑信息自動表達(dá)出即時的三維可視化模型。這種技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中可以降低可視化表達(dá)的成本。

相對于2D的地形，BIM提供的三維場地模型可以幫助設(shè)計(jì)師更全面的分析場地與建筑之間的關(guān)系，輔助設(shè)計(jì)師得出建筑與場地之間更好的解決方案。

2.2 建筑模型庫在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

木材易加工的特點(diǎn)提供了木結(jié)構(gòu)建筑裝配化的可能性。通過對木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分析，工廠對木結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)制化的提出了豐富的解決方案。同時，這也催生出了裝配式建筑設(shè)計(jì)規(guī)范化的要求。以Revit為例，在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)階段，軟件中自帶的關(guān)鍵族已經(jīng)可以幫助設(shè)計(jì)師快速篩選出符合建筑使用尺度的構(gòu)件。

2.2.1 提高設(shè)計(jì)效率

木結(jié)構(gòu)建筑模型庫的建立可以有效的幫助設(shè)計(jì)師選用更合理、更有利于表達(dá)的建筑構(gòu)件。

針對于標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件，包括墻體、門窗等的常用構(gòu)件已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的模型庫。在構(gòu)件庫的展示中，使用者不僅可以利用構(gòu)件名稱、造型來找到自己所需要的構(gòu)件，而且通過參數(shù)的微調(diào)快速調(diào)整構(gòu)件狀態(tài)，使構(gòu)件快速運(yùn)用到建筑模型中。

對于特殊構(gòu)件，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求自行設(shè)計(jì)構(gòu)件來補(bǔ)充模型庫的缺失。在輕型木結(jié)構(gòu)框架體系的運(yùn)用中，郭穎愷等人利用Revit和Dynam o設(shè)計(jì)了一套完整的參數(shù)化建模編程，驗(yàn)證了參數(shù)化快速建模的可行性[3]。與三維建模軟件不同的是，BIM軟件中的構(gòu)件具有參數(shù)化的特性。通過對參數(shù)的調(diào)整，構(gòu)件可以快速適應(yīng)于不同的項(xiàng)目，提高建模效率。

圖1 最終的表達(dá)效果

2.2.2 提高建筑模型精準(zhǔn)度

模型庫的建立不僅能提高設(shè)計(jì)師繪圖效率，也使建筑模型的精度得到進(jìn)一步的提升。提升建筑模型的精度，是木結(jié)構(gòu)建筑的裝配化非常重要一個環(huán)節(jié)。以日本建筑師坂茂設(shè)計(jì)的新Sw atch大樓為例，設(shè)計(jì)師利用4600余塊網(wǎng)架構(gòu)件組成了一個巨大的木結(jié)構(gòu)辦公建筑。項(xiàng)目的難度在于構(gòu)件的設(shè)計(jì)不僅要考慮單個構(gòu)件的精度達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，同時也需要考慮到多個構(gòu)件拼合時所存在的誤差。為了保證后期的施工順利，設(shè)計(jì)師利用BIM技術(shù)的參數(shù)化特性，確定了單體構(gòu)件的精度和樣式，同時也保證了構(gòu)件組之間的有效銜接。并為后期的木材加工提供了構(gòu)件的數(shù)據(jù)定位和精準(zhǔn)圖紙。

2.3 木結(jié)構(gòu)建筑專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

2.3.1 提高建筑結(jié)構(gòu)體系的識別性

圖2 微型塔樓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化在木結(jié)構(gòu)建筑的空間營造中有至關(guān)重要的作用。木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)裸露更能表現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)之美。而優(yōu)秀結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的表達(dá)可以增加建筑內(nèi)部空間的識別性。新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)的M ichaelBudig的木結(jié)構(gòu)微型塔樓設(shè)計(jì)[6]中，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，將建筑結(jié)構(gòu)拆分成直線和曲線兩種元素，并在此基礎(chǔ)上，精簡結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，增加系統(tǒng)組織邏輯，增加局部的抗拉強(qiáng)度的同時提高建筑獨(dú)特性，獲得了較好的設(shè)計(jì)表現(xiàn)力。

2.3.2 管線系統(tǒng)排布更科學(xué)

通常，設(shè)計(jì)師很少會關(guān)注管線綜合對建筑空間營造的影響。但無論是線材、管道、設(shè)備都會對木結(jié)構(gòu)建筑的空間表達(dá)產(chǎn)生巨大影響。利用BIM的信息傳遞，設(shè)備人員可以在建筑設(shè)計(jì)時提供專業(yè)需求。復(fù)雜設(shè)備管線可以提前設(shè)計(jì)入建筑中，保證了建筑后期使用的各種需求，并且避免內(nèi)部使用時設(shè)備管線對使用空間產(chǎn)生視覺上的影響。

2.3.3 影響建筑環(huán)境因素的協(xié)同優(yōu)化

建筑環(huán)境因素會對建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)生巨大的影響。以寒冷地區(qū)為例，建筑師在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時需要花更多的精力去考慮建筑的氣候適應(yīng)性。利用BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師只需要掌握基礎(chǔ)的建筑能耗知識就可以獲取所需的報(bào)告，并通過即時修改設(shè)計(jì)以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。例如在吉林建筑大學(xué)風(fēng)屏障木結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目[7]中，作者利用Revit集成的Insight 360在短時間內(nèi)得到建筑能耗分析和日照分析的報(bào)告以及相應(yīng)的優(yōu)化建議。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師可以通過優(yōu)化建筑形態(tài)，使木結(jié)構(gòu)建筑更適應(yīng)于寒冷地區(qū)。

圖3 能耗分析結(jié)果

不僅是針對氣候影響因素，BIM模型還能夠針對建筑所處環(huán)境的多種因素進(jìn)行分析，例如噪聲強(qiáng)度、人流密度等，這些輔助信息的及時反饋能幫助設(shè)計(jì)師針對性的進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 結(jié)論

良好的木結(jié)構(gòu)建筑的空間需要建筑多個工種協(xié)同工作，而BIM技術(shù)的應(yīng)用可以有效地打破各個工種之間的藩籬?？梢灶A(yù)見的是，隨著木結(jié)構(gòu)建筑與裝配式技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)必然將為木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)提供更多的可能性。同時從木結(jié)構(gòu)建筑裝配化的特性來看，BIM技術(shù)不僅在設(shè)計(jì)角度可以提供有力支持，在建筑快速營建、建筑后期運(yùn)營維護(hù)以及木材資源的循環(huán)利用等方面有著巨大的使用前景。BIM技術(shù)的深度開發(fā)利用將更有利于木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，極大的降低資源浪費(fèi)，減少建筑全生命周期中對環(huán)境影響。