試論模塊化建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計及BIM的應(yīng)用

陳國林

【摘要】BIM（建筑信息建模）的概念包含了從建筑工程設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖紙設(shè)計、施工設(shè)計以及項目管理多個方面，這種技術(shù)繼承了建筑工程全生命周期各個階段相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型，使用這種技術(shù)能夠最大限度的整合建筑工程項目信息數(shù)據(jù)庫，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供多種信息，尤其對于模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，不僅可以解決施工過程中的諸多問題，還可以節(jié)省大量的人力、物力資源，文章以此為基礎(chǔ)，對模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)以及BIM的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

【關(guān)鍵詞】模塊化建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；BIM技術(shù)

現(xiàn)在的建筑，不管是板樓，或是塔樓，大多都是框架式的。未來的建筑應(yīng)該是拼插模塊式的單元體結(jié)構(gòu)，其間將更多地體現(xiàn)仿生學(xué)的元素。模塊化建筑就是將單元體的建筑結(jié)構(gòu)拼接在一起，將一個建筑項目分成若干個空間模塊，集合了建筑設(shè)計、工廠制造、工地搭接以驗收等化解，合理的應(yīng)用單元體的空間，屬于一種新型的建筑結(jié)構(gòu)。而BIM技術(shù)作為一種依靠三維數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)存在的建筑信息模型，以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，集成了建筑工程各種信息工程數(shù)據(jù)模型，既具備單一的工程數(shù)據(jù)源，可以解決分布式、異構(gòu)類的工程數(shù)據(jù)間的全面共享問題，同時又是一種新型的用于建筑設(shè)計以及管理的數(shù)字化方法，模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用BIM技術(shù)能夠更好的發(fā)揮這項技術(shù)的優(yōu)越性，同時提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1、模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

1.1模塊化建筑結(jié)構(gòu)單元

（1）基礎(chǔ)模塊化結(jié)構(gòu)單元

首先墻體承重模塊單元主要的荷載是建筑墻體，同時建筑物最大的使用高度也會受到建筑墻體最大承重的影響，通常承重縱向建筑墻體不能設(shè)置門窗，因為前提出現(xiàn)門窗或者孔洞會對豎向的結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響，這種模塊單元適合6-10的建筑工程；

其次角柱支撐模塊單元主要的荷載是鋼柱，通常要在角柱上設(shè)置鋼梁來承受水平的荷載，這種模塊單元的四周全部開放，建筑墻體可以根據(jù)不同的功能需求使用輕質(zhì)隔墻或者是玻璃幕墻，這種模塊單元適合3-7層的建筑工程；

再者非承重模塊單元通常使用輕型冷彎薄壁鋼材來承受樓板荷載，模塊整體比較輕，主要的受力構(gòu)件為建筑框架或者筒體結(jié)構(gòu)，建筑空間規(guī)劃設(shè)計相對靈活。這種模塊單元適合超高層建筑工程。

（2）集成式廚衛(wèi)單元

集成式廚衛(wèi)單元主要包含兩個模塊，即衛(wèi)生間和廚房集成單元，這兩個單元模塊實際上是建筑結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的空間部位，這兩個結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計需要全面的考慮內(nèi)部設(shè)備、結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計以及空間組合等多個方面。

（3）附屬模塊單元

這個單元指的是模塊化建筑結(jié)構(gòu)中的配屬構(gòu)件，這個模塊單元需要和基礎(chǔ)模塊單元組合應(yīng)用，例如屋頂單元、樓梯單元、電梯單元等，而這些附屬模塊既可以安裝在基礎(chǔ)模塊單元中，也可以單獨(dú)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如樓梯單元，而電梯、陽臺、屋頂?shù)葐卧仨氁?dú)立設(shè)計。

1.2模塊化結(jié)構(gòu)體系

模塊化建筑鋼結(jié)構(gòu)主要是由梁、柱以及樓板等模塊構(gòu)成的盒子單元，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足模塊標(biāo)準(zhǔn)化、互換性以及吊裝施工的具體的要求。自支撐結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的建筑鋼結(jié)構(gòu)框架有很多相似之處，不同模塊之間按照剛性連接，通常是和4-8層的建筑，如果建筑層數(shù)過高則需要添加抗側(cè)力構(gòu)件來保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；附加支撐構(gòu)件模塊主要包括模塊化盒子、附加構(gòu)件兩個方面，例如建筑模塊單元和傳統(tǒng)的建筑框架復(fù)合結(jié)構(gòu)、模塊單元和板材復(fù)合結(jié)構(gòu)、模塊單元和支撐構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)三種類型；附加結(jié)構(gòu)支撐模塊建筑荷載是由支撐結(jié)構(gòu)來承載的，可以最大限度的突破高層建筑結(jié)構(gòu)、防火以及使用性能等領(lǐng)域的問題，適用于40左右的高層建筑。

2、BIM技術(shù)在模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1基于BIM技術(shù)的模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

相較于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計來講，基于BIM技術(shù)的模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不會過多的關(guān)注前提的設(shè)計準(zhǔn)備，同時新增了結(jié)構(gòu)模型協(xié)調(diào)以及二維結(jié)構(gòu)視圖生成兩個環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖如圖1所示：

從上圖可看出在確定建筑方案的時候就已經(jīng)開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以通常在方案設(shè)計過程中會有專業(yè)的BIM模型，同時在二維視圖制作階段，BIM技術(shù)是通過建模來直接生成建筑結(jié)構(gòu)二維視圖，所以并不是傳統(tǒng)意義上的二維制圖，其次在信息交換環(huán)節(jié)，建筑結(jié)構(gòu)方案模型指的是建筑模型中完成結(jié)構(gòu)構(gòu)建的規(guī)劃，進(jìn)而形成BIM模型來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2基于BIM技術(shù)的模塊化建筑結(jié)構(gòu)模型內(nèi)容

基于BIM技術(shù)的模塊化建筑結(jié)構(gòu)模型主要包括模型表達(dá)細(xì)度、信息含量以及模型構(gòu)件范圍三個層次，首先建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計主要就是按照建筑整體設(shè)計方案以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)規(guī)劃來確定，具體內(nèi)容包括模塊劃分、建筑結(jié)構(gòu)受力體系、主要的受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件對應(yīng)的位置、荷載以及其他要素等；

其次建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計模型需要按照相關(guān)專業(yè)模型設(shè)計的要求，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案環(huán)節(jié)的模型做出相應(yīng)的調(diào)整，這個階段需要利用BIM結(jié)構(gòu)分析計算軟件來對建筑結(jié)構(gòu)整體力學(xué)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定具體的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸以及其他信息；

再者模塊結(jié)構(gòu)施工圖紙設(shè)計，內(nèi)容主要有不同模塊之間的連接、單個模塊不同構(gòu)件的尺寸、維護(hù)構(gòu)件的確定以及不同節(jié)點(diǎn)的三維模型等，結(jié)構(gòu)物理模型包含有模塊構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、截面、荷載、材料選擇以及設(shè)計結(jié)果等，實際上就是在結(jié)構(gòu)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的前提下，利用多種專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計來確定最完善的設(shè)計模型，不僅涉及到前后兩個設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計成果，同時還包括結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)以及模型管理，除了物理機(jī)構(gòu)模型以外，還包括關(guān)聯(lián)信息，例如不同模塊之間的組合聯(lián)系、不同模塊構(gòu)件之間的組合聯(lián)系、不同模型和相關(guān)視圖之間的組合聯(lián)系等，而管理方面的信息主要涉及到模型的所有者、不同模型版本等，施工圖紙設(shè)計模型主要是為后期的施工模擬以及經(jīng)營管理提供基礎(chǔ)。

2.3模塊化建筑結(jié)構(gòu)BIM軟件應(yīng)用

BIM技術(shù)在模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的使用需要借助Revit軟件，利用Revit軟件來制定建模方案，具體來講首先需要在Revit軟件中創(chuàng)建初期結(jié)構(gòu)模型，這個結(jié)構(gòu)模型只包含不同模塊單元構(gòu)件的尺寸等基礎(chǔ)信息，然后利用模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)⒊跗诮Y(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中，因為模塊化建筑結(jié)構(gòu)涉及到的單元構(gòu)件相對較多，所以分析計算軟件可以使用YJK，通過不同軟件之間的接口來進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，對不同模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算和信息分析，之后將YJK軟件計算之后的模型傳輸給Revit軟件，借助Revit對轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行附加信息添加，再使用Navisworks軟件對以上構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行合并和協(xié)調(diào)，最后利用模塊化鋼結(jié)構(gòu)深化分析軟件將不同節(jié)點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)規(guī)劃圖導(dǎo)出。

以具體的辦公樓建筑為例，Revit模型的建立首先需要輸入對應(yīng)構(gòu)件如墻體、柱、梁、板等的尺寸以及屬性，同時該軟件模型中還包括這些構(gòu)件的修改參數(shù)，對于其他沒有的參數(shù)可以創(chuàng)建對應(yīng)的用戶族庫；其次Revit模型中的平面建模需要通過軸網(wǎng)來定位，該工程豎向構(gòu)件定位需要通過辦公樓建筑標(biāo)高來確定，軸網(wǎng)間借助相鄰的圖元距離尺寸來定位；再者整個BIM建筑模型包括該辦公樓整體Revit模型和Revit結(jié)構(gòu)模型兩個，根據(jù)這兩個結(jié)構(gòu)模型以及工程設(shè)計要求得出該辦公室建筑的平面圖以及結(jié)構(gòu)平面圖；最后是深化模型構(gòu)建，主要是針對該辦公樓建筑模塊化設(shè)計的具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計以及碰撞檢查出圖設(shè)計。

結(jié)論：

總的來說，BIM技術(shù)作為一種較為先進(jìn)的技術(shù)，源于建筑行業(yè)，同時這種技術(shù)的應(yīng)用也代表了建筑行業(yè)未來的一種發(fā)展趨勢和方向，模塊化建筑結(jié)構(gòu)和BIM技術(shù)的結(jié)合將會在一定程度上提升建筑工程的集成化水平，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以最大限度的實現(xiàn)綠色建筑設(shè)計，實現(xiàn)不同專業(yè)之間的協(xié)調(diào)，提高建筑施工質(zhì)量。

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