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。

隨著我國經濟的快速發展，國家對復興優秀傳統文化和環境保護問題開始日益重視，在工程建設領域，讓傳統木結構運用于現代建筑便成了實現這一目標的重要手段。

江蘇省康復醫院項目為了實現建筑整體的節能減排目標，將木質構件運用于項目中，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 技術的參數化、可視化、協同化的特點，讓傳統構建手法與現代技術相交融，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

江蘇省康復醫院位于江蘇省南京市溧水區經濟開發區，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規模最大、定位標準最高的世界一流的康復?？漆t院。

康復醫院外觀的整體設計構思，是以“生長”為內核，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，生動飽滿，充滿朝氣，中央“花瓣”是一棟8 層門診醫技康復綜合樓，6 片“枝葉”分別是5 層樓的康復病房，并且分列中央醫技樓的兩側（見圖1）。

圖1 江蘇省康復醫院俯視圖

項目分析的重點，是中央醫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建筑材料的運用來實現建筑的節能減排以響應國家倡導的綠色建筑、建筑可持續發展的理念（見圖2）。

圖2 醫技樓頂層俯視圖

2 膠合木-混凝土結構體系

位于建筑中心位置的門診醫技樓總層數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域的豎向荷載。木結構柱腳簡化為鉸接節點，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。木結構材質較輕，在抗震性、環保性、節能性和施工效率方面有很大的優勢，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 傳統木混結構工程項目的難點

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

其在應用實踐中經過了輕型木→膠合木→正交膠合木結構的發展過程，對新式木結構而言，符合綠色建筑的建筑條件，具有節能、節水和節材等優點。但在木結構建筑的推廣和使用中，因環境、技術、資源和文化等因素影響，導致木結構推廣緩慢的現象[1]。

3.1 設計方案調整困難

傳統結構設計過程是通過CAD 等二維設計軟件進行設計，再根據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、經濟性，并考量后期在施工過程中的進度控制以及質量控制這些重要環節，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，由于后續設計對樓層的功能布局進行調整，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BIM優化建議對結構進行調整，增加了結構高度，并根據調整后的圖紙重新進行受力驗算。

3.2 構件的協同加工及物料管理難

在木質構件的運用上，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，預制完成后送達現場進行組裝，我國在這方面的經驗相對欠缺，通常做法是將原料送達現場進行加工和安裝，施工過程主要依賴傳統的經驗，缺乏相關標準，難以保證質量且增加了能耗和導致環境污染，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整成數控設備匹配的文件。

數據的調整及傳遞往往會造成信息更新不及時和誤差。且大型木構件生產周期較長，構件較多，前期不進行科學編號管理，統籌生產，可能導致施工時將進度在后的構件先行運抵施工現場，增加工地管理難度影響其他專業的施工。

3.3 施工節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點連接組成共同受力的結構，節點施工的優劣直接影響木混結構體系的優劣。重要節點僅僅依靠平面圖紙無法向現場施工人員傳達節點的施工要點和注意事項，一方面會導致現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面交叉，若管理不善，混凝土結構施工時產生的廢水廢料甚至會損壞成品木結構。

3.4 工程量統計難

目前廣泛運用于建筑工程行業的算量軟件為廣聯達、魯班等，其工作模式是依據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（建筑專業、結構專業、設備專業）進行建模，利用BIM 技術可視化、參數化的特點來解決康復醫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、施工和管理的各個階段，實現工程項目的全生命周期管理。

4.1 方案優化設計

在擴初設計階段以傳統的二維圖紙+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設備管線的現狀在軟件內調整優化結構高度，當模型調整完成后，直接導入MIDAS Gen 進行受力分析，此過程無需另外建模。

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

4.2 規劃作業場地

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

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

借助BIM 技術，可提高施工區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 技術對關鍵節點進行深化設計，對受力較大的位置進行重點優化，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。

最后導出節點圖紙，以圖紙為主，三維為輔的交底模式向現場人員進行交底，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）技術以及構件生產管理系統，可以將BIM 數據直接導入廠家專用系統與加工設備對接，設計信息與加工信息共享，實現設計、加工一體化，提高構件生產的精度，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、人員信息等數據導入，然后進行可視化的施工模擬，各方可在現場進行視頻交底，準確顯示構件的位置和搭接順序。

配合智慧工地管理系統，還能直觀顯示施工過程人、機、料的實時配置狀態，保證施工安裝順利完成，大大減少建筑質量問題，安全問題，減少返工和整改，實現施工安裝裝配化，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化建模，當模型建立完成后，所有構件都有其對應的數據信息，能實現快速統計和查詢各種材料的工程量，同時通過廣聯達智慧工地管理系統，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劃，避免材料浪費，有效控制工程的成本。

4.7 現場管理

在傳統的進度管理方式下，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。

而在項目現場借助廣聯達智慧工地管理系統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，有利于目標優化和協同，促使施工中不同專業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，都具有很明顯的優化效果。

4.8 效益分析

直接從經濟效益上來看，項目的建設過程中通過利用BIM 技術合理規劃場地，解決膠合木構件的加工管理難點，科學規劃施工順序，優化材料運送路徑，合理配置機械設備，為項目節省材料費、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 技術在企業的應用，通過減少設計錯漏、精細化管理，帶動業主對BIM技術的認可，也推動了BIM 技術在行業的應用。

促進建筑行業的綠色施工進行，減少項目的整體能源消耗，實現了建筑廢物的循環利用，積極響應了國家可持續發展的戰略。

5 存在問題及解決措施

江蘇省康復醫院項目通過將BIM 技術運用在膠合木-混凝土結構設計和施工過程中，實現了提高設計施工效率、節約工程項目成本和促進環境保護的目標，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展機遇。但是在實踐的過程中，我們還發現了整個行業過度依賴傳統技術手段、缺乏政策支持和工程建設參與單位環保意識不足等問題，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達國家，我國現代木結構運用的研究亟待加強。

首先，要提倡發展現代木結構建筑尤其是裝配式木結構建筑。其次，推廣BIM 技術在現代木結構建筑中的應用同時制定扶植現代木結構產業相關的政策，因此，我國應加強現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，爭取早日建成現代技術背景下的木結構建設標準體系和人才培養體系，推動我國木結構建筑的快速發展。

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境危害，有效地保護整體的環境情況。

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、建筑的營建及建筑后期運維以及木材資源的循環利用等方面都會產生積極的影響。

繼續加強對BIM 技術的研發應用，對木結構建筑產業的健康穩定發展、減少資源的浪費、降低建筑全生命周期中給環境帶來的壓力以及生態環境的可持續發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，現代木結構體系有別于傳統的建筑模式，在與現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，借助新技術將傳統文化和現代結構體系相結合，必然將會是木結構在未來的發展方向。江蘇省康復醫院的膠合木-混凝土結構體系的構建過程或許能為我們帶來新的思路。