BIM技術在木結構建筑設計中優化作用探析

張成龍 ，杜弘陽 （吉林建筑大學，吉林 長春 130000）

BIM技術在現代木結構建筑設計、施工、全生命周期運營管理的應用目前處于初期階段。木結構建筑的裝配化設計決定了其構件的三維數字化、模數化的需求。同時在工程上也提出了木結構建筑設計建造一體化的需求。本文結合BIM技術和木結構建筑特點，從設計角度分析BIM技術在木結構建筑設計中的運用與優化，為建筑設計創造出更多的可能性。

1 木結構建筑特點

伴隨著工業革命的興起，混凝土、鋼鐵以及其他不可再生的材料逐漸取代傳統的磚木材料。然而，現代城市在快速發展的同時，也面對著資源短缺、環境破壞等一系列的挑戰。近年來，隨著技術革新，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，木結構建筑有以下幾個優勢。

1.1 氣候適應性強

木材由于特殊的微孔結構，擁有較低的導熱系數，是天然的不良導熱體。通過建筑技術的優化，木結構建筑的圍護構件具有優異的保溫隔熱效果，實際測試中，在同樣厚度的條件下，木材的隔熱值是實心磚墻3倍，比標準的混凝土高16倍，比鋼材高400倍，比鋁材高1600倍[4]。這意味著，在相同的氣候環境中，木結構建筑擁有更好的室內環境。同時也說明，木結構建筑的氣候適應性更強。在良好的建筑維護基礎上，木結構建筑更適應于惡劣的氣候環境。

1.2 預制化程度高

通過工廠化的預制，木結構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件的使用性能。得益于裝配式技術的運用，木結構建筑的現場施工更為高效。同時，易安裝的特點也使拆卸完的建筑材料可以被二次利用。

1.3 抗震能力好

木結構建筑自重較輕但同時又具有極高的強度。同樣厚度的木結構是鋼結構或混凝土結構重量的五分之一[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 環境影響小

木材是一種可以循環利用、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，木結構房屋的建造濕作業更少，施工對環境的破壞更小。此外，木材具有天然的紋理和色彩，構件的裸露具有極好的表現能力，可以減少二次裝修產生的環境污染。

木材性能優越，其本身所展現的色彩、紋理等特點在建筑的內外部空間表現中具有非常出眾的效果。但在同時，木結構建筑構件體量不大、數量眾多、構造復雜的特性增加了木結構建筑設計的難度。BIM技術在設計上的運用可以有效優化建筑設計，使建筑表達效果和裝配式建筑技術運用的結合更緊密。

2 BIM技術與木結構建筑設計優化作用

2.1 可視化設計手段在木結構建筑設計中的優化

在木結構建筑中，利用裸露建筑結構的設計手段可以有效的表達建筑材料的自然美和結構美。但在同時也無形的增加了設計師對建筑內外部空間表現的把控難度。即時的可視化手段可以幫助設計師構筑空間意境，減少設計時間，增加設計繪圖效率。

相較于傳統的CAD軟件，BIM技術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圖紙補充的數據，計算機可以根據建筑信息自動表達出即時的三維可視化模型。這種技術在建筑設計中可以降低可視化表達的成本。

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

2.2 建筑模型庫在木結構建筑設計中的優化

木材易加工的特點提供了木結構建筑裝配化的可能性。通過對木結構構件的分析，工廠對木結構建筑的預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計規范化的要求。以Revit為例，在木結構建筑設計階段，軟件中自帶的關鍵族已經可以幫助設計師快速篩選出符合建筑使用尺度的構件。

2.2.1 提高設計效率

木結構建筑模型庫的建立可以有效的幫助設計師選用更合理、更有利于表達的建筑構件。

針對于標準化的構件，包括墻體、門窗等的常用構件已經形成了標準的模型庫。在構件庫的展示中，使用者不僅可以利用構件名稱、造型來找到自己所需要的構件，而且通過參數的微調快速調整構件狀態，使構件快速運用到建筑模型中。

對于特殊構件，設計師可以根據設計需求自行設計構件來補充模型庫的缺失。在輕型木結構框架體系的運用中，郭穎愷等人利用Revit和Dynam o設計了一套完整的參數化建模編程，驗證了參數化快速建模的可行性[3]。與三維建模軟件不同的是，BIM軟件中的構件具有參數化的特性。通過對參數的調整，構件可以快速適應于不同的項目，提高建模效率。

圖1 最終的表達效果

2.2.2 提高建筑模型精準度

模型庫的建立不僅能提高設計師繪圖效率，也使建筑模型的精度得到進一步的提升。提升建筑模型的精度，是木結構建筑的裝配化非常重要一個環節。以日本建筑師坂茂設計的新Sw atch大樓為例，設計師利用4600余塊網架構件組成了一個巨大的木結構辦公建筑。項目的難度在于構件的設計不僅要考慮單個構件的精度達到生產標準，同時也需要考慮到多個構件拼合時所存在的誤差。為了保證后期的施工順利，設計師利用BIM技術的參數化特性，確定了單體構件的精度和樣式，同時也保證了構件組之間的有效銜接。并為后期的木材加工提供了構件的數據定位和精準圖紙。

2.3 木結構建筑專業協同設計中的優化

2.3.1 提高建筑結構體系的識別性

圖2 微型塔樓的結構優化

結構優化在木結構建筑的空間營造中有至關重要的作用。木結構的結構裸露更能表現建筑結構之美。而優秀結構節點的表達可以增加建筑內部空間的識別性。新加坡科技與設計大學的M ichaelBudig的木結構微型塔樓設計[6]中，利用數字化設計方法，將建筑結構拆分成直線和曲線兩種元素，并在此基礎上，精簡結構節點，增加系統組織邏輯，增加局部的抗拉強度的同時提高建筑獨特性，獲得了較好的設計表現力。

2.3.2 管線系統排布更科學

通常，設計師很少會關注管線綜合對建筑空間營造的影響。但無論是線材、管道、設備都會對木結構建筑的空間表達產生巨大影響。利用BIM的信息傳遞，設備人員可以在建筑設計時提供專業需求。復雜設備管線可以提前設計入建筑中，保證了建筑后期使用的各種需求，并且避免內部使用時設備管線對使用空間產生視覺上的影響。

2.3.3 影響建筑環境因素的協同優化

建筑環境因素會對建筑設計產生巨大的影響。以寒冷地區為例，建筑師在進行建筑設計時需要花更多的精力去考慮建筑的氣候適應性。利用BIM技術，設計師只需要掌握基礎的建筑能耗知識就可以獲取所需的報告，并通過即時修改設計以達到優化設計目的。例如在吉林建筑大學風屏障木結構建筑項目[7]中，作者利用Revit集成的Insight 360在短時間內得到建筑能耗分析和日照分析的報告以及相應的優化建議。并在此基礎上，設計師可以通過優化建筑形態，使木結構建筑更適應于寒冷地區。

圖3 能耗分析結果

不僅是針對氣候影響因素，BIM模型還能夠針對建筑所處環境的多種因素進行分析，例如噪聲強度、人流密度等，這些輔助信息的及時反饋能幫助設計師針對性的進行優化調整。

3 結論

良好的木結構建筑的空間需要建筑多個工種協同工作，而BIM技術的應用可以有效地打破各個工種之間的藩籬。可以預見的是，隨著木結構建筑與裝配式技術的發展，BIM技術必然將為木結構建筑設計提供更多的可能性。同時從木結構建筑裝配化的特性來看，BIM技術不僅在設計角度可以提供有力支持，在建筑快速營建、建筑后期運營維護以及木材資源的循環利用等方面有著巨大的使用前景。BIM技術的深度開發利用將更有利于木結構建筑產業的良性循環，極大的降低資源浪費，減少建筑全生命周期中對環境影響。