BIM 在膠合木與混凝土混合結構體系中的應用分析

王深山，郜江俊，楊小龍，趙國華，楊凱泉

（中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

木結構是中國傳統(tǒng)建筑文化重要的代表符號，我國在木結構的研究和運用上有著悠久的歷史，木材的低碳、可降解性和可再生性等特性也讓它成為一種公認的綠色建材。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對復興優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和環(huán)境保護問題開始日益重視，在工程建設領域，讓傳統(tǒng)木結構運用于現(xiàn)代建筑便成了實現(xiàn)這一目標的重要手段。

江蘇省康復醫(yī)院項目為了實現(xiàn)建筑整體的節(jié)能減排目標，將木質(zhì)構件運用于項目中，在部分樓層采用膠合木與混凝土混合的結構體系，并在設計與施工過程中使用建筑信息模型技術（BIM），利用BIM 技術的參數(shù)化、可視化、協(xié)同化的特點，讓傳統(tǒng)構建手法與現(xiàn)代技術相交融，探索和研究運用BIM 技術在膠合木-混凝土結構體系中的運用。

1 設計理念

江蘇省康復醫(yī)院位于江蘇省南京市溧水區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，總建筑面積約208 000 m2，其中地上建筑面積約146 000 m2，地下建筑面積約62 000 m2，項目建成后將成為目前國內(nèi)規(guī)模最大、定位標準最高的世界一流的康復?？漆t(yī)院。

康復醫(yī)院外觀的整體設計構思，是以“生長”為內(nèi)核，通過“生命之樹、心靈之蓮”的布局，形成“枝葉”圍繞“花瓣”生長的形態(tài)，生動飽滿，充滿朝氣，中央“花瓣”是一棟8 層門診醫(yī)技康復綜合樓，6 片“枝葉”分別是5 層樓的康復病房，并且分列中央醫(yī)技樓的兩側(cè)（見圖1）。

圖1 江蘇省康復醫(yī)院俯視圖

項目分析的重點，是中央醫(yī)技樓頂部的兩層木混結構部分，其外觀形似四朵花瓣組成的盛開的蓮花，使整個建筑展現(xiàn)出旺盛的生命力。在材料運用上，設計團隊希望通過對木材料這一中國傳統(tǒng)建筑材料的運用來實現(xiàn)建筑的節(jié)能減排以響應國家倡導的綠色建筑、建筑可持續(xù)發(fā)展的理念（見圖2）。

圖2 醫(yī)技樓頂層俯視圖

2 膠合木-混凝土結構體系

位于建筑中心位置的門診醫(yī)技樓總層數(shù)8 層，下部6 層為混凝土結構，頂部2 層為混凝土框架與重型膠合木結構的水平向混合。

主要功能區(qū)域為信息中心、科研教學室、行政辦公室和病案室等。頂部兩層結構體系中，木結構框架部分只承受所在區(qū)域的豎向荷載，混凝土框架同時承擔所有的水平剪力及所在區(qū)域的豎向荷載。木結構柱腳簡化為鉸接節(jié)點，木結構梁、樓板與混凝土框架連接位置考慮兩種材料差異可能造成的豎向變形不一致，也同樣簡化為鉸接。重型木結構部分，梁柱采用層板膠合木構件，樓板采用正交膠合木構件，上鋪50 mm 以上現(xiàn)澆混凝土提升其剛度。

考慮消防要求，所有消防電梯、樓梯等位置均采用混凝土結構；這樣木框架與混凝土上下組合形成的混合結構具有下重上輕、下剛上柔的非均勻結構特點，而且混凝土結構具有良好的結構強度及防火性能。木結構材質(zhì)較輕，在抗震性、環(huán)保性、節(jié)能性和施工效率方面有很大的優(yōu)勢，混合結構將混凝土結構和膠合木結構的特性很好地融合在一起（見圖3）。

圖3 頂樓結構部分

3 傳統(tǒng)木混結構工程項目的難點

傳統(tǒng)木構建筑的施工，主要通過木工現(xiàn)場測量、現(xiàn)場加工原料的方式來進行，由于其效率低、精度差，逐漸被現(xiàn)代加工和生產(chǎn)技術淘汰，在現(xiàn)代技術的協(xié)助下，不斷涌現(xiàn)出新的木質(zhì)材料和加工生產(chǎn)技術。

其在應用實踐中經(jīng)過了輕型木→膠合木→正交膠合木結構的發(fā)展過程，對新式木結構而言，符合綠色建筑的建筑條件，具有節(jié)能、節(jié)水和節(jié)材等優(yōu)點。但在木結構建筑的推廣和使用中，因環(huán)境、技術、資源和文化等因素影響，導致木結構推廣緩慢的現(xiàn)象[1]。

3.1 設計方案調(diào)整困難

傳統(tǒng)結構設計過程是通過CAD 等二維設計軟件進行設計，再根據(jù)設計完成的平面圖紙在MIDAS Gen 或PKPM 等軟件中建模進行受力分析（見圖4）。

圖4 有限元分析模型

我們對整個項目的直觀認識都停留在平面圖紙上，無法直觀感受設計方案的可行性、合理性、經(jīng)濟性，并考量后期在施工過程中的進度控制以及質(zhì)量控制這些重要環(huán)節(jié)，這些要素都需要設計及施工人員借助其他軟件工具重新計算考慮，當結構設計方案變化時，這些要素都要重新調(diào)整和計算，無形間增加了許多時間成本。以本項目為例，在擴初設計階段，由于初步設計的層高為3 700 mm，梁下凈高2 850 mm，由于后續(xù)設計對樓層的功能布局進行調(diào)整，設備管線也進行了相應的增加。

當借助BIM 技術進行管線模擬排布后，主要人行區(qū)域管綜凈高普遍下降至2 100 mm 左右，此高度嚴重影響使用感受。在得到BIM 團隊的反饋后，設計根據(jù)BIM優(yōu)化建議對結構進行調(diào)整，增加了結構高度，并根據(jù)調(diào)整后的圖紙重新進行受力驗算。

3.2 構件的協(xié)同加工及物料管理難

在木質(zhì)構件的運用上，國外的做法是采用裝配式的施工模式，構件在工廠進行預制，預制完成后送達現(xiàn)場進行組裝，我國在這方面的經(jīng)驗相對欠缺，通常做法是將原料送達現(xiàn)場進行加工和安裝，施工過程主要依賴傳統(tǒng)的經(jīng)驗，缺乏相關標準，難以保證質(zhì)量且增加了能耗和導致環(huán)境污染，標準化程度相比成熟國家差距明顯[2]。

本項目雖然采用工廠預制化方案，但面臨的問題是項目采用的膠合木結構構件數(shù)量龐大且尺寸型號各異，造成在圖紙中要標注的工作量也相當龐大且需精確，當圖紙送至加工廠后，廠方還需要將圖紙調(diào)整成數(shù)控設備匹配的文件。

數(shù)據(jù)的調(diào)整及傳遞往往會造成信息更新不及時和誤差。且大型木構件生產(chǎn)周期較長，構件較多，前期不進行科學編號管理，統(tǒng)籌生產(chǎn)，可能導致施工時將進度在后的構件先行運抵施工現(xiàn)場，增加工地管理難度影響其他專業(yè)的施工。

3.3 施工節(jié)點及施工順序的交底難

在鋼筋混凝土-木混合結構體系中，節(jié)點連接至關重要。由于混合結構具有多相構成、受力復雜等特性，故節(jié)點連接影響整體結構的應力分布和變形，從而決定整體設計[3]。

木混結構是由兩種不同性狀的材料通過節(jié)點連接組成共同受力的結構，節(jié)點施工的優(yōu)劣直接影響木混結構體系的優(yōu)劣。重要節(jié)點僅僅依靠平面圖紙無法向現(xiàn)場施工人員傳達節(jié)點的施工要點和注意事項，一方面會導致現(xiàn)場施工人員研究圖紙的時間過長，另一方面會導致構件精確度降低。

另外木結構和混凝土結構往往是兩個工種施工，依賴傳統(tǒng)圖紙交底的工作模式無法直觀反映兩個工種的施工順序，實際施工時更會導致兩個作業(yè)面交叉，若管理不善，混凝土結構施工時產(chǎn)生的廢水廢料甚至會損壞成品木結構。

3.4 工程量統(tǒng)計難

目前廣泛運用于建筑工程行業(yè)的算量軟件為廣聯(lián)達、魯班等，其工作模式是依據(jù)CAD 等二維圖紙建模后進行工程量的計算，隨著建筑體量越來越大以及造型越來越復雜，也暴露了以上算量軟件的弊端：重復建模工作量大、創(chuàng)建造型復雜的體量難度大等問題[4]。

計算膠合木結構和混凝土結構的工作量是兩種不同的計算方案，傳統(tǒng)的造價模式需用大量的人力資源去讀懂圖紙，理解設計、計算工作量，是工程造價中最繁瑣、最復雜的部分。

即使在最終竣工決算中，也要耗費大量人力核算實際工作量，且這種方式的準確性比較低。

4 BIM 技術在木混結構施工中的應用

本項目在擴初階段引入了BIM 技術，通過BIM 對項目全專業(yè)（建筑專業(yè)、結構專業(yè)、設備專業(yè)）進行建模，利用BIM 技術可視化、參數(shù)化的特點來解決康復醫(yī)院項目木混結構部分所面臨的問題，并且將BIM 介入設計、生產(chǎn)、施工和管理的各個階段，實現(xiàn)工程項目的全生命周期管理。

4.1 方案優(yōu)化設計

在擴初設計階段以傳統(tǒng)的二維圖紙+分析軟件的工作模式造成了用時過久，效率過低的問題，在BIM 介入后，結構設計人員直接根據(jù)設備管線的現(xiàn)狀在軟件內(nèi)調(diào)整優(yōu)化結構高度，當模型調(diào)整完成后，直接導入MIDAS Gen 進行受力分析，此過程無需另外建模。

基于BIM 技術的優(yōu)化設計方式，從方案調(diào)整到受力分析完成共耗時5 d，比上一版優(yōu)化過程節(jié)約50%的時間。

4.2 規(guī)劃作業(yè)場地

在項目施工前利用BIM 技術準確搭建木混結構的作業(yè)面，并合理規(guī)劃場地中的施工區(qū)域、材料運輸區(qū)域、材料堆放區(qū)域以及建筑廢料堆放區(qū)域。

利用廣聯(lián)達智慧工地管理系統(tǒng)模擬各功能區(qū)的搭建流程，檢測各區(qū)域布置的合理性，還可以根據(jù)膠合木構件的尺寸，施工順序及材料特性，提前規(guī)劃塔吊的作業(yè)位置，保證材料運輸效率。

借助BIM 技術，可提高施工區(qū)域的場地利用效率和人員通過的安全性（見圖5）。

圖5 基于BIM 的場地布置

4.3 節(jié)點交底

木混合結構構件之間的連接都是通過定制的鋼板連接件進行連接，通過BIM 技術對關鍵節(jié)點進行深化設計，對受力較大的位置進行重點優(yōu)化，并且精準定位構件中預留孔洞的位置，保證后期加工和受力點驗算的準確性。

最后導出節(jié)點圖紙，以圖紙為主，三維為輔的交底模式向現(xiàn)場人員進行交底，三維模型能任意進行平立剖的展示，方便工人理解施工工藝，提高施工的準確性（見圖6）。

圖6 木柱與木梁連接節(jié)點

4.4 預制化構件

在通過BIM 技術設計深化膠合木構件的同時，將所有膠合木構件模型進行分類保存并進行編號，最終匯總成構件族庫。

在完成深化設計模型后，可以提取任意構建進行查看，不但能讀取構建的模型信息，還能查看和其他構件的位置關系，避免了傳統(tǒng)CAD 工作模式所帶來的錯、漏、碰、缺等問題。

此外，基于BIM 模型的預制裝配式構件計算機輔助加工（CAM）技術以及構件生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以將BIM 數(shù)據(jù)直接導入廠家專用系統(tǒng)與加工設備對接，設計信息與加工信息共享，實現(xiàn)設計、加工一體化，提高構件生產(chǎn)的精度，減少構件本身造成的安裝誤差（見圖7）。

圖7 編號JG-F7-ML6-003 膠合木三視圖

4.5 模擬施工

在施工現(xiàn)場通過BIM 進行模擬木結構施工過程，當BIM 模型建立完成后，把結構構件信息、場地布置計劃、施工進度計劃、人員信息等數(shù)據(jù)導入，然后進行可視化的施工模擬，各方可在現(xiàn)場進行視頻交底，準確顯示構件的位置和搭接順序。

配合智慧工地管理系統(tǒng)，還能直觀顯示施工過程人、機、料的實時配置狀態(tài)，保證施工安裝順利完成，大大減少建筑質(zhì)量問題，安全問題，減少返工和整改，實現(xiàn)施工安裝裝配化，幫助管理人員和施工人員判斷方案的合理性，一方面能提升施工效率與施工水平，一方面能降低項目的人工成本和機械成本（見圖8）。

圖8 木混結構部分施工模擬

4.6 工作量統(tǒng)計

在利用BIM 進行建模的過程中，利用BIM 技術所見即所得的特性，將BIM 建模過程中實時生成的膠合木結構和混凝土結構的工作量與造價聯(lián)動，將大大加快工程量計算的速度。

BIM 技術的一大特點是參數(shù)化建模，當模型建立完成后，所有構件都有其對應的數(shù)據(jù)信息，能實現(xiàn)快速統(tǒng)計和查詢各種材料的工程量，同時通過廣聯(lián)達智慧工地管理系統(tǒng)，對材料工程量進行信息化處理。在施工過程中對材料計劃、管理、使用做到科學合理的規(guī)劃，避免材料浪費，有效控制工程的成本。

4.7 現(xiàn)場管理

在傳統(tǒng)的進度管理方式下，不同工種都需要人工操作來整合工程進度信息，這不僅僅需要大量時間，同時還會因為某一工種的進度落后影響整個項目進度。

而在項目現(xiàn)場借助廣聯(lián)達智慧工地管理系統(tǒng)對整個施工項目進行智慧管理。項目管理人員不但可以通過手機電腦等終端實時查看模型，還可以很清晰地了解到不同工種的進度信息，通過可視化模型改善工程的設計情況，有利于目標優(yōu)化和協(xié)同，促使施工中不同專業(yè)使用的施工時間更加精確。

這對各個階段中工程的銜接以及工程的整體進度推進，都具有很明顯的優(yōu)化效果。

4.8 效益分析

直接從經(jīng)濟效益上來看，項目的建設過程中通過利用BIM 技術合理規(guī)劃場地，解決膠合木構件的加工管理難點，科學規(guī)劃施工順序，優(yōu)化材料運送路徑，合理配置機械設備，為項目節(jié)省材料費、人工費、機械使用費共約85 萬元（見表1）。

表1 預算成本與利用BIM 技術后實際成本的對比 單位：萬元

從間接項目效益上來看，促進了BIM 技術在企業(yè)的應用，通過減少設計錯漏、精細化管理，帶動業(yè)主對BIM技術的認可，也推動了BIM 技術在行業(yè)的應用。

促進建筑行業(yè)的綠色施工進行，減少項目的整體能源消耗，實現(xiàn)了建筑廢物的循環(huán)利用，積極響應了國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

5 存在問題及解決措施

江蘇省康復醫(yī)院項目通過將BIM 技術運用在膠合木-混凝土結構設計和施工過程中，實現(xiàn)了提高設計施工效率、節(jié)約工程項目成本和促進環(huán)境保護的目標，也為其他項目運用BIM 提供了參考途徑。

在國家大力推動綠色建筑的宏觀背景下，服務于建筑工程全生命周期的BIM 技術必將迎來新的發(fā)展機遇。但是在實踐的過程中，我們還發(fā)現(xiàn)了整個行業(yè)過度依賴傳統(tǒng)技術手段、缺乏政策支持和工程建設參與單位環(huán)保意識不足等問題，為了能讓BIM 技術能更好地為社會服務，還需要做好以下工作：

5.1 推動高新技術的應用

我國現(xiàn)階段建筑信息模型技術主要運用于設計和施工階段，各種深度結合BIM 技術的建筑工程都為木結構的運用提供了指導意義。

而且通過BIM 技術將木構件三維化的過程，也對木構件標準制定、建筑文化傳承和預制化加工等方面帶來積極的影響。同時木結構建筑建造過程中可以應用BIM技術進行管理，優(yōu)化施工組織，提高建設效率，逐步完善木結構建筑建設管理制度。

目前，我國在大力推進新基建政策，木結構的建筑也應該注重加強高新技術的運用，推動木結構建筑在新背景下科學高效的發(fā)展。

5.2 加大對木混結構的政策支持

木結構建筑的運用在我國有著悠久的歷史，但目前在現(xiàn)代技術背景下的木結構設計、木材加工及木結構施工等方面均落后于發(fā)達國家，我國現(xiàn)代木結構運用的研究亟待加強。

首先，要提倡發(fā)展現(xiàn)代木結構建筑尤其是裝配式木結構建筑。其次，推廣BIM 技術在現(xiàn)代木結構建筑中的應用同時制定扶植現(xiàn)代木結構產(chǎn)業(yè)相關的政策，因此，我國應加強現(xiàn)代木結構體系方面的政策推廣力度[5]，并鼓勵將BIM 技術運用于木構件的設計，生產(chǎn)以及建設過程。

同時大力引進國際先進技術，在建設部門重大科研項目上，要納入對BIM 技術下木結構運用的研究，爭取早日建成現(xiàn)代技術背景下的木結構建設標準體系和人才培養(yǎng)體系，推動我國木結構建筑的快速發(fā)展。

5.3 大力倡導綠色建材

木材是廣泛運用于建筑工程的材料之一，在當前國家大力倡導環(huán)境保護和綠色建筑的政策背景下，通過增加木材料的使用可以降低整個建筑周期中帶來的環(huán)境危害，有效地保護整體的環(huán)境情況。

隨著國家大力推進木結構建筑與裝配式木結構技術的應用，未來BIM 技術會推動木結構建筑設計朝著更加多彩的方向前進，為未來的建筑工程增添新的色彩。BIM技術除了給設計帶來極大便利，在將來木構材料的生產(chǎn)、建筑的營建及建筑后期運維以及木材資源的循環(huán)利用等方面都會產(chǎn)生積極的影響。

繼續(xù)加強對BIM 技術的研發(fā)應用，對木結構建筑產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展、減少資源的浪費、降低建筑全生命周期中給環(huán)境帶來的壓力以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都有巨大推動作用。

6 結束語

可以預見的是，木混結構體系將越來越多地運用到未來的建筑中，現(xiàn)代木結構體系有別于傳統(tǒng)的建筑模式，在與現(xiàn)代建筑材料和施工技術的碰撞過程中，會受到各方面的限制，借助新技術將傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代結構體系相結合，必然將會是木結構在未來的發(fā)展方向。江蘇省康復醫(yī)院的膠合木-混凝土結構體系的構建過程或許能為我們帶來新的思路。