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(shè)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(jìn)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(zhì)、構(gòu)造、尺寸等等，它還包含大量非幾何信息，如材料強(qiáng)度、性能、傳熱系數(shù)、構(gòu)件的造價、采購信息等[1]。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。BIM技術(shù)不僅僅是三維建模，也不是某一個軟件，它是一種應(yīng)用于工程設(shè)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(guān)信息，在項目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團(tuán)隊以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，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(diǎn)，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(qiáng)，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(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、水電設(shè)計、節(jié)能設(shè)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(diào)和優(yōu)化作用（圖1）。

2 木結(jié)構(gòu)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(xué)技術(shù)，先進(jìn)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(yùn)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(shù)手段集成和系統(tǒng)地整合，達(dá)到建筑的標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)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(zhì)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(jī)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(zhì)量，降低成本，降低物耗、能耗[3]。

BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和住宅產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)在很多方面是一致的，BIM技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的住宅產(chǎn)業(yè)化中已有很多成功的應(yīng)用案例。目前北京北新建材、萬科、遠(yuǎn)大住工集團(tuán)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(shù)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(shù)主要是主體結(jié)構(gòu)技術(shù)，目前國際上形成標(biāo)準(zhǔn)化體系的結(jié)構(gòu)形式有混凝土結(jié)構(gòu)（包括鋼筋混凝土）、鋼結(jié)構(gòu)（包括輕鋼結(jié)構(gòu)）和木結(jié)構(gòu)。其中鋼結(jié)構(gòu)體系和木結(jié)構(gòu)體系裝配化程度最高[5]，木結(jié)構(gòu)體系中的輕型木結(jié)構(gòu)、梁柱式木結(jié)構(gòu)、井干式木結(jié)構(gòu)以及CLT、SIP結(jié)構(gòu)等都是預(yù)制裝配程度較高、易于實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的結(jié)構(gòu)形式。

現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由低級到高級，由集團(tuán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在以下兩點(diǎn)成功地運(yùn)用了BIM設(shè)計技術(shù)，為實現(xiàn)輕型木結(jié)構(gòu)的住宅產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。1)和生產(chǎn)、管理直接對接的三維設(shè)計軟件。Softplan是加拿大一個輕型木結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，它從三維建模而不是二維圖紙開始設(shè)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(jié)構(gòu)，直接連接到設(shè)備上加工出符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的輕型木結(jié)構(gòu)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(shè)計，能給出相關(guān)的結(jié)構(gòu)計算書或材料清單，計算報價，直至能連接數(shù)據(jù)機(jī)床生產(chǎn)加工[6]。2)模數(shù)化的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計規(guī)范進(jìn)行組合，基本可以滿足所有對輕型木結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計需要[7]。

3 BIM在梁柱式木結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化中的實踐

膠合木結(jié)構(gòu)也可以稱之為梁柱式木結(jié)構(gòu)，是我國以及日本等地傳統(tǒng)木建筑的結(jié)構(gòu)形式。我國保存下來的古木建筑都是梁柱式木結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)民居的習(xí)慣，尤其以貴州省黔東南地區(qū)為代表和特色[8]。當(dāng)?shù)刂菡Ｍㄟ^木結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化項目來提升當(dāng)?shù)啬窘Y(jié)構(gòu)民居的質(zhì)量，并通過木結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化項目來降低木結(jié)構(gòu)的成本，建造農(nóng)民能住得起的木結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 黔東南木結(jié)構(gòu)民居設(shè)計方案與其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的道路上，借鑒混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及輕型木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化實施的過程，嘗試將BIM技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)業(yè)化整個項目的各個階段?？偨Y(jié)有以下幾個設(shè)計要點(diǎn)：

1）SI結(jié)構(gòu)體系。將梁柱式木結(jié)構(gòu)分解成“S(skeleton-支撐體)”和“I(infill-填充體)”兩大體系。具體細(xì)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(zhì)墻體，而是將結(jié)構(gòu)、保溫、隔音、內(nèi)外裝飾材料可以一體化進(jìn)行預(yù)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(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸、整體復(fù)合墻體構(gòu)件的尺寸和重量都可以控制在一定范圍之內(nèi)，不會給運(yùn)輸和安裝帶來很多的不便。

3）墻體、門窗等構(gòu)件尺寸使用設(shè)計模數(shù)。在建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計。但木結(jié)構(gòu)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(diào)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的住宅建筑設(shè)計模數(shù)100或50[9]是不一致的。是浪費(fèi)些材料向現(xiàn)行的建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)靠攏，還是就材料尺寸重新建立木結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)？木結(jié)構(gòu)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(dāng)大的，而木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，比如10。

4）滿足一定個性化需求。將梁柱式木結(jié)構(gòu)拆解成SI兩大體系的多個構(gòu)件，這些構(gòu)件在制定了生產(chǎn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)后可以由各行業(yè)多家企業(yè)參與生產(chǎn)制造，最終木結(jié)構(gòu)是一個集成系統(tǒng)。并且這些構(gòu)件因為使用了設(shè)計模數(shù)，還可以進(jìn)行模塊化設(shè)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(shè)計軟件以后，銷售設(shè)計師可以快速地根據(jù)客戶的不同需要完成個性化的設(shè)計方案。最終木結(jié)構(gòu)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(gòu)件，做好安裝和售后服務(wù)，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(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠預(yù)制加工外，衛(wèi)生間、廚房、樓梯這些在裝修過程中非常費(fèi)時費(fèi)力的部分也要實現(xiàn)預(yù)制，直接采購安裝，以達(dá)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(yù)制裝配的產(chǎn)品，并且也有了自己的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。比如中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件在進(jìn)行裝配之前，構(gòu)件之間、構(gòu)件與設(shè)備之間的吻合度可能會存在風(fēng)險，這直接關(guān)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(xì)的三維模型，模擬施工過程，進(jìn)行多方案比較評估，不斷修正邏輯并反饋設(shè)計，可以發(fā)現(xiàn)問題，降低風(fēng)險以達(dá)到優(yōu)化施工的目的。采用BIM技術(shù)將設(shè)計和生產(chǎn)施工模擬以后，一棟220 m2的新型苗侗木結(jié)構(gòu)民居住宅產(chǎn)業(yè)化項目樣板房，所有主體構(gòu)件全部在工廠預(yù)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(jié)構(gòu)、外裝和內(nèi)裝（圖3）。我們運(yùn)用cadwork軟件建立該項目的BIM模型，不僅設(shè)定了各個構(gòu)件的材質(zhì)、重量、尺寸等信息，還嘗試設(shè)定了諸如材料強(qiáng)度、性能、傳熱系數(shù)、加工精度、構(gòu)件造價、供應(yīng)商信息等參數(shù)。這些信息在木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的儲存環(huán)節(jié)、運(yùn)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(jié)構(gòu)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(jié)

木結(jié)構(gòu)住宅是易于實現(xiàn)預(yù)制裝配式、實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化制作的結(jié)構(gòu)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(shè)計系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、虛擬施工系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)。BIM技術(shù)在這九個環(huán)節(jié)中可以協(xié)調(diào)所有項目參與者的關(guān)系。BIM就是通過數(shù)字化技術(shù)，在計算機(jī)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(yīng)用不僅局限于設(shè)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(yù)制裝配梁柱式木結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化項目中引進(jìn)BIM技術(shù)，改變了傳統(tǒng)二維圖紙設(shè)計方法，從三維模型直接入手木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)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(dǎo)出生產(chǎn)加工圖，利用BIM技術(shù)的可視化與協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，避免設(shè)計錯誤和生產(chǎn)錯誤。同時在項目管理過程中，運(yùn)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(shù)層，主要由ERP和MES系統(tǒng)共同完成）、基層管理層（運(yùn)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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