基于BIM技術的木結構建筑結構形態設計教學研究與工程應用*

程小武 楊珩

南京工業大學 江蘇 南京 211816

引言

南京工業大學在傳統和現代木結構領域研究成果豐富，聚焦于傳統建筑保護與設計、現代裝配式木結構等方向，從科學研究、標準編制、工程應用等方面進行了全面的探索。通過努力，建成了國內高校最早、設施最全的木結構實驗室；形成了國內最大的木結構研究團隊；完成了眾多有突破性的木結構建筑與橋梁工程。在木結構科學研究與工程設計中，南京工業大學基于BIM技術的建筑、結構綜合設計與結構形態的可視化設計研究是一個亮點，通過從本科生到研究生的系統化、系列化教學培養，培養了一批熟練掌握木結構設計BIM核心技術的人才。

1 BIM技術基本概念

BIM—建筑信息模型，是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對對應工程項目相關信息的詳盡表達。裝配式建筑的核心是“集成”，BIM技術是“集成”的手段，串聯起來設計、生產、施工、裝修和管理的全過程，服務于裝配式建筑全生命周期[1]。BIM技術為裝配式設計提供技術保障，三維表達避免傳統二維設計圖形孤立，變更難的現象，有效解決了專業間、預制構件間可能出現的碰撞問題。

通過研究通用BIM設計平臺REVIT和木結構專業設計軟件CADWORK之間的數據轉換關系，進行結構計算、節點設計、構件拆分、構/部件加工等繼承性工序，形成正向設計流程。

圖1 木結構BIM正向設計流程

2 BIM在木結構設計教育中基本理念

木結構作為三大裝配式結構，在其設計中要建立一種建筑方案引領結構形態，并融合合理結構受力的理念，讓木結構建筑的結構體系合理展現其結構形態美。

2.1 建筑方案的創作

在木結構建筑方案設計教學中，通過對各種不同三維建模軟件的運用介紹，

使同學們認識到BIM軟件如Revit的應用特點，而且利用不同軟件的融合性，當遇到復雜曲面模型時，借助曲面建模表現更為出色的如Rhinoceros軟件進行輔助建模，并將模型導入合并至Revit主模型中，完成整個BIM核模型的建立。如美國俄勒岡州比弗頓圖書館結構形態優美的樹形柱，在設計中運用了Revit的建模技術（圖2）。

圖2 美國比弗頓圖書館樹形結構

2.2 結構方案優化與分析

而在本科生、研究生結構分析教學中，通過將revit與midas、Abaqus等有限元軟件結合，進行結構安全性分析（如圖3）。在Autodesk Revit中分離出結構線，導出至CAD文件，對不同的線型設置不同的截面屬性分圖層導入Midas Gen中形成結構分析模型[2]。根據分析結果，對構件尺寸、結構布置進行優化，最后將優化數據反饋給Revit模型。將節點實體模型輸出至Abaqus有限元軟件中，進行精細化分析，得到節點的剛度系數，并在Midas Gen中對節點作相應參數調整，從而得到更加接近實際連接特征的分析結果指導設計。

圖3 BIM平臺相關設計計算軟件的融合

在學習中，建筑和結構專業同學通過技術交流，將專業充分融合在一起，最終順利地將BIM技術運用到本科木結構建筑畢業設計中，讓建筑、結構專業的同學在本科階段就熟練地掌握了BIM技術[3]。

3 BIM技術在全國木結構設計大賽中的應用

南京工業大學自2015第一屆起就參加全國大學生木結構設計邀請賽，在比賽中土木學院的木結構方向研究生和建筑學院的本科生、研究生通力合作，取得了豐碩成果，并獲得了2018年第四屆木結構設計大賽的一等獎。

而2016年度我校的參賽作品《貫·虹—基于BIM的木結構游泳館設計》首次全面將BIM理念運用到建筑、結構、制造、施工一體化方案設計中，令人耳目一新。

圖4 BIM核心模型的建立

圖5 BIM模型的可視化計算研究

3.1 以BIM技術為核心的設計、制造、施工一體化應用

南京工業大學木結構設計團隊在2018年參與木結構設計的江蘇省第十屆江蘇省園藝博覽會博覽園主展館項目中將BIM技術充分運用其中，獲得了巨大成功，項目獲得了2020年度全國綠色建筑創新一等獎[4]。

圖6 項目完成實景

圖7 結構形態優美的木拱橋

該項目方案設計、建筑設計、結構設計均在BIM模型中進行，結構計算完成后直接生成構件加工圖。從設計到施工均貫穿了BIM技術[5]，極大提高了設計和施工的自動化程度和安裝的精度，完美還原了建筑的細節效果。南京工業大學木結構設計團隊將BIM技術應用到該項目的結構設計、結構分析與優化、構件加工、數字化建造等領域，將傳統BIM軟件及常規配合建模軟件（Rhinoceros）、木結構拆分專業軟件（Cad work）、結構分析優化軟件（Abaqus、Inspire、Midas）以及工廠加工機床接口軟件有效結合，實現木結構建筑從設計到施工建造的全過程信息化，無縫對接各個環節，在園博會木結構建筑中得到了成功應用。

圖8 項目3D打印模型

圖9 項目基于BIM的整體平臺

4 結束語

從本科生畢業設計到全國大學生木結構大賽再到木結構實際項目設計實踐，南京工業大學建立了從校園到社會，從理論到實踐的BIM技術應用，取得了豐碩成果，值得推廣。