1 引言

发展新型建造模式, 推广装配式建筑, 是未来几年建筑业创新发展的重要方向, 其中装配式现代木结构建筑是鼓励采用的结构体系之一。装配式木结构属于建筑工业化的范畴, 是以设计标准化、构件部品化、施工机械化为特征的新型建筑生产方式。 由于木结构形式复杂, 构件繁多, 而装配式项目更是设计、生产、施工、装修、管理“五位一体”的系统化、集成化建造过程, 当前尚未建立建设单位、施工图设计单位、构件加工图设计单位、内装修设计单位、施工单位之间的协同机制, 因此建设过程中存在一些困难: (1) 木结构建筑节点多, 节点组装困难, 二维图纸对特殊节点设计方案表达不充分。 (2) 设计阶段各专业之间配合难度大, 由于建筑方案设计与木结构专项设计深度不一致, 以及二维图纸表现方式的局限性等原因, 建筑构件几何尺寸存在不一致之处。 (3) 传统木结构设计精细度不够, 尚不能达到木结构构件标准化生产和组装水平, 现场装配主要依靠工匠师傅的手工制作经验, 构件预制率低, 生产效率低。 (4) 管线、设备与木结构安装存在设计盲区。由于木结构墙体不是连续均匀介质, 构件安装位置有选择性特点, 应在设计阶段明确安装方案。 (5) 项目各参与方工程量统计口径不一致。方木、原木和板材的计价标准不同, 设计方、材料供应商、甲方的工程计价存在差异。 近年来, 在政策的引导下, 建筑信息模型 (BIM) 与装配式建筑理论的研究呈现出指数型增长的趋势, 鉴于BIM在装配式建筑中的巨大价值, 两者的交叉研究也被广泛关注。例如基于BIM的应用面向预制构件的设计方法、装配式混凝土建筑构件系统设计分析、装配式产业链研究、BIM算量与造价研究。然而BIM在装配式木结构设计中的研究还较少。 目前木结构建筑设计阶段包括建筑方案设计、木结构深化设计、管道综合设计等阶段。显然当前装配式现代木结构建设处于发展的初级阶段, 经验不足, 缺乏专业整合关键技术。总结装配式木结构项目建设经验, 整理木结构设计中建筑信息模型 (BIM) 关键技术应用过程, 优化BIM应用标准流程, 对实现木结构标准化设计, 发展装配式木结构理论, 解决装配式建筑标准化设计与生产难题, 提高设计与建造效率具有重要的理论和现实意义。

2 BIM在木结构别墅项目的应用概况

该混合木结构建筑, 位于天津市中新天津生态城, 为低密度别墅区地产项目。建设单位选择从设计阶段应用BIM手段完成建筑本体及室外综合管网并完成工程量清单, 将BIM技术作为设计阶段伴随式设计管理平台、施工阶段施工协同平台、运维阶段数字化管理平台进行应用。本次BIM技术应用涵盖了该区域单体建筑全专业及室外给水、排水、强弱电、消防、通讯、热力、燃气等所有配套管线。本项目设计阶段包括建筑方案设计、木结构深化设计、管道综合设计、建筑信息模型 (BIM) 三维模拟, 木材全部由加拿大进口, 现场加工、装配建造的生产方式。天津市建筑设计院负责本项目的设计工作, 为了优化乙方设计成果并且响应业主方的BIM要求, 天津市建筑设计院选择院内总承包事业部BIM工程技术中心负责完成本项目的BIM实施工作, 如图1所示。 图1 装配式木结构别墅设计工作组织架构 下载原图 本项目设计全过程直接利用BIM软件, 由设计团队和BIM团队联合运用3D思维进行3D设计, 即BIM和传统设计同时进行, 并定期沟通设计细节相互校对验证。在BIM模型的绘制及后期碰撞检查过程中, 及时发现设计图纸中存在的问题并反馈给设计团队, 在施工前解决传统二维设计中存在的缺陷, 大大降低了后期变更索赔的费用。本项目以三维设计模型和二维施工图共同完成设计、工程量统计、工程造价和交付工作。部分3D设计节点被加工成实体模型, 在工地现场展示, 直接用于指导施工。

3 木结构别墅项目BIM应用原则

3.1 BIM成果交付标准

(1) 模型能准确表达二维设计图纸的内容, 在三维模式下深化部分构件及节点, 以满足施工和算量的要求。 BI M模型采用通用坐标系。正确建立“正北”和“项目北”之间的关系, 与设计图纸一致。各专业BIM模型原点一致, 且统一采用一个轴网文件, 保证模型整合时能够对齐、对正。提交BIM各专业模型需根据不同分号进行划分, 一个单体为一个分号。 模型构件与二维施工蓝图一致。模型构件统一命名, 采用同一命名体系。设计阶段三维模型构件需包含相关信息, 如形状、尺寸、标高、位置、材质等。在二维施工蓝图的基础上, 结合已有的三维模型对部分构件及节点进行深化, 满足施工和算量的要求。 机电管线的综合调整需与实际一致, 且需考虑吊架空间、吊顶吊杆与机电管线的关系、吊顶标高的控制、检修空间的预留等多项影响因素, 保证管综调整结果有施工指导意义。 (2) 碰撞检测报告。各专业间进行碰撞检测, 保证各专业间无碰撞, 可按图施工。 (3) 工程量清单——满足预算部门的使用要求。基于已有的模型进行的工程量统计生产的“分部分项工程量清单计价表”需与建设方相关部门结合, 确保无漏项、重复情况, 对建设方有参考价值。 (4) 施工完成后, 提交的竣工模型需与现场一致, 且构件需包含生产厂家、安装时间、施工队伍等相关信息。 (5) 提交BIM成果需包含说明文件, 包括建模所用软件版本、模型整合软件版本、文件打开方式、机电颜色列表以及建模精度等。

3.2 BIM应用目标

(1) 利用BIM的三维可视化功能, 提高设计质量, 复核设计图纸, 解决设计中错、漏、碰、缺的问题, 减少后期的设计变更。 (2) 通过设计过程中的三维模型, 对工程量进行统计, 保证算量精度, 提供给业主方, 辅助进行施工单位招标。 (3) 各专业间协同工作, 从方案到施工图设计阶段采用同一模型, 且各专业在同一BIM模型上协同工作, 提高设计效率。 (4) 施工单位可利用BIM模型进行装配式木结构构件的预制, 提高现场施工效率。 (5) 利用BIM模型进行施工进度模拟, 确保进度计划的可行性。 (6) 利用BIM模型辅助施工管理人员进行三维施工技术交底, 提高交底质量。

3.3 总体要求

模型需以图纸为模板, 结合木结构厂家的具体要求及图纸, 按照各构件实际尺寸绘制。构件命名需体现各构件的基本信息, 并且便于模型完成后的工程量统计。构件材质的选取应与图纸所标注的材质相对应, 搭接关系根据装配要求进行确定, 保证与现场施工情况一致。 在模型绘制前期, 制定模型应用原则、构件命名原则, 保证各专业统一的命名形式, 体现各构件的基本信息及相应参数信息, 便于模型应用阶段各构件的工程量统计。 在模型绘制阶段, 规范各构件的材质选取, 保证模型与图纸与木结构厂家要求的构件的材质、颜色等参数一一对应, 确保图纸、模型、产品的一致性。各专业模型搭建以图纸为依据, 在保证图纸与模型一致的基础上, 结合木结构厂家的具体要求, 精准定位, 保证真实还原厂家木结构产品的实际尺寸规定, 按照尺寸同步绘制图纸, 并同步反应到对应的模型位置上。在细部节点的表达上, 完成二维设计无法体现的复杂位置及施工难点, 使模型不仅能够满足设计阶段的图纸绘制及同步验证设计问题, 更能够避免设计图纸的错、漏、碰、缺问题, 杜绝后期拆改。

4 木结构别墅项目建模标准

本项目为混合木结构, 首层地面以下基础部分采用钢筋混凝土结构, 上部采用轻型木结构。地上木结构主要分为墙、板、坡屋顶、门窗。墙体龙骨用结构柱命令建模, 两侧面板用墙命令建模。墙体各组成构件标高, 需根据其与楼板现对位置进行确定。模型按照先结构后建筑, 由下到上依次绘制。门窗及其余构件, 均按照图纸所给对应尺寸及标高绘制模型。

4.1 基础的建模标准

基础部分工程量清单中, 预制混凝土桩、承台和筏板单独算量, 建模时需确保各构件的独立性, 使用基础模板中对应的族绘制模型, 确保三个构件之间剪切顺序的正确性。

4.2 墙体的建模标准

地下钢筋混凝土墙体及砌块墙结构单一, 命名需包含墙体厚度及材质, 例如TADI-DWQ2-C40-250mm (图2) , 依据图纸确定墙体位置及标高。地上木结构墙体, 结构比较复杂, 包含墙体龙骨及两侧面板。建模难度大, 且工程量统计较为繁琐。木结构墙体龙骨使用结构柱族绘制, 墙两侧面板使用墙体族绘制。 图2 墙体建模标准 下载原图

4.3 楼板、屋顶的建模标准

木结构楼板结构较为复杂, 主要由梁、主楼板 (搁栅) 、面板组成。梁及主楼板均使用梁族绘制, 面板、建筑做法使用楼板族绘制即可。楼板分层较多, 需注意板厚、搁栅及梁截面尺寸, 以免确定各构件标高时出现错误。 屋顶椽条绘制时需提前设置工作平面, 其余标准与楼板一致。 楼板搁栅使用梁命令绘制, 卫生间位置需根据图纸调整搁栅截面尺寸及标高。楼板面板使用楼板命令绘制。楼板主梁、次梁主要分为钢梁、实木梁、组合梁, 绘制模型时需注意梁的材质及梁与楼板搁栅的相对位置 (图3楼板搁栅放置于墙体顶梁板之上) 。 坡屋顶形式比较复杂, 绘制时屋檐标高及屋面坡度要与图纸一致, 完成后需确认与图纸表达效果一致。屋面椽条坡度与屋面坡度一致, 绘制该构件是需先设定工作平面, 即拾取其所在屋面下表面为工作平面。 图3 楼板格栅局部模型 下载原图

5 BIM在装配式木结构项目中的应用价值

5.1 建筑空间复核

建筑空间复核是将BIM模型与二维建筑、结构施工图进行比对, 保证三维模型与二维图纸的精确一致, 通过复核还可以验证和判断二维设计图纸的合规性和合理性, 记录存在的问题, 根据问题类别及时与BIM建模、建筑、结构、机电等专业的工程师进行沟通, 实现对设计方案的优化。 建筑信息模型 (BIM) 是本次装配式木结构建筑建设中使用的关键技术, BIM是传统建筑、结构、木结构、管线综合等专业设计工作的有益补充, 为装配式木结构设计提供了专业间的协作平台, 加强专业间的沟通协作, 提升装配式木结构建筑设计的标准化水平, 促进其工业化生产。另外, BIM模型能够出具工程量清单、为构件预制提供详细的数据, 实现装配式模拟, 即预装配, 继而指导施工。

5.2 节点的深化设计

木结构专项设计图纸中, 包括节点详图47项, 金属件详图12项, 楼梯详图2张。以基础与墙体连接节点为例, 需前后对照结构平面图、建筑立面图、节点图等10处图纸方能对节点连接及空间位置达到较充分的理解, 尚达不到与构件生产、施工建造的无障碍对接。BIM的可视化功能, 可实现对节点的深化设计和质量控制。

(1) 钢筋混凝土基础与木墙体的连接

首层正负零以下钢筋混凝土基础与上部轻型木结构的连接是本项目质量控制的重要环节。二维图纸给出的信息如下:通过在混凝土上预留地脚螺栓与地上木结构连接。地上墙体为15厚OSB板+140厚木龙骨 (满填40厚STP真空绝热板100厚岩棉板) +15厚耐火石膏板, 地下墙体为蒸压加气混凝土砌块;外保温采用STP真空绝热板。 相对于施工要求, 二维图纸对于该部分的信息欠充分, 且由于建筑方案设计与木结构专项设计深度不一致, 和二维图纸可读性差的问题, 图纸之间在几何尺寸一致性表达存在不足。 (a) 该别墅项目采用了半地下室形式, 在建筑立面图中, 并未注明钢筋混凝土基础与木墙的连接界面, 即未说明钢筋混凝土基础承台与地面之间的标高关系, 因此只能再次进行设计交底和分析讨论。 根据《木结构工程施工规范》GB/T50772-20128.1.1条的规定, 基础圈梁顶面标高应高于室外地面标高0.2m以上, 在虫害区应高于0.45m以上, 并保证室内外高差不小于0.3m。因此基础与木墙体的交界面, 即设计方案中正负零处, 应高于室外地坪一定距离以上。 (b) 钢筋混凝土基础与木墙的连接方式表达不充分。根据二维设计方案, 通过在混凝土上预留地脚螺栓与地上木结构连接。钢筋混凝土之上, 40厚防腐地板梁, 底部垫3mm厚SBS防水卷材。然而预埋地脚螺栓的梁板结构尺寸、地脚螺栓构件总数、防腐地板梁预留洞口位置及尺寸均需要深化设计。BIM具有可视化优势, 可以通过模型清晰表达。

(2) 木结构节点的设计

我国木结构建筑历史悠久, 且很早就出现了木结构建筑标准:《营造法式》 (宋, 李戒) 、《工程做法则例》 (清) 等。与传统木结构节点的榫卯连接形式不同, 现代木结构的节点通常采用钉连接和金属件连接。

(3) 机电管线与木结构的连接

本次BIM技术应用涵盖了该区域单体建筑全专业及室外给水、排水、强弱电、消防、通讯、热力、燃气等所有配套管线, 如图4所示。管线安装设计不充分, 例如机电管线与木墙的连接, 空间位置及连接构件、受力路径等, 在装配式木结构建筑中, 应形成标准化设计方案。 图4 管道综合BIM模型 下载原图 另外, 空调、壁橱、抽油烟机等荷载较大的设备在墙体上的安装, 应在墙体内预埋安装面板, 面板与木骨柱用长钉牢固连接。面板预埋位置处的木骨柱应局部减小尺寸, 以保证其外包防火石膏板的平整。石膏板外, 预留设备连接件。

5.3 工程量统计

工程量统计的成果需满足预算部门的使用要求, 按其需求列出清单项, 为此完成模型后, 模型需根据算量要求进行添加注释等调整。木结构墙体龙骨以面积计量, 需对与其对应的墙面板进行注释标记。同一种墙面有内墙、外墙之分或房间之分的都需按算量要求进行标注。 通过在BIM软件中完整反映算量模型, 考虑构件的优先级并正确处理构件间的相互扣减关系, BIM软件中出具的工程量清单与传统广联达算量差值控制在2%以内, 业主方可直接用于招标使用。将上述结果汇总整理为清单, 如图5所示。 图5 工程量统计界面 下载原图 对于可以直接统计工程量的构件, 例楼板面板、墙体面板、实木梁、钢梁等可以按常规的方法使用明细表进行工程量统计。首先, 选取构件对应的类别;然后, 选取工程量统计所需的字段即族与类型、材质、面积、体积等;再按照一定的要求进行排序成组, 得出所需结果。 对于无法按照工程量清单直接统计工程量的构件, 需对模型进行调整, 再使用明细表得出所需结果。例:墙体龙骨工程量清单中以面积统计其工程量, 在模型调整过程中对与墙体龙骨相对应的墙面板进行标注, 统计此部分墙面板面积即可。

6 结语

从设计阶段建筑信息模型 (BIM) 技术应用角度, 探讨了装配式现代木结构标准化设计的关键技术。以某装配式木结构别墅项目为例, 探讨了传统设计中存在的问题, 并总结归纳了该项目中BIM应用的组织结构、原则、建模标准、深化设计节点、工程量统计等问题。对优化BIM应用标准流程, 实现木结构标准化设计, 发展装配式木结构理论, 提高设计与建造效率具有重要价值。 由于建筑、结构、机电等各专业设计的复杂性、规范性特点, BIM团队尚不能替代传统设计团队的工作, 但是BIM作为三维可视化、信息化、模块化的技术集成模拟平台, 在空间复核、深化设计、节点表达、工程算量、构件预安装等方面可以发挥重要价值, 为实现木结构装配式发展提供了技术支持, 带来生产效率的极大提高。