试论模块化建筑的结构设计及BIM的应用

文/陈国林 安徽省城乡规划设计研究院 安徽合肥 230022

现在的建筑，不管是板楼，或是塔楼，大多都是框架式的。未来的建筑应该是拼插模块式的单元体结构，其间将更多地体现仿生学的元素。模块化建筑就是将单元体的建筑结构拼接在一起，将一个建筑项目分成若干个空间模块，集合了建筑设计、工厂制造、工地搭接以验收等化解，合理的应用单元体的空间，属于一种新型的建筑结构。而BIM技术作为一种依靠三维数字技术基础存在的建筑信息模型，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，集成了建筑工程各种信息工程数据模型，既具备单一的工程数据源，可以解决分布式、异构类的工程数据间的全面共享问题，同时又是一种新型的用于建筑设计以及管理的数字化方法，模块化建筑结构设计中使用BIM技术能够更好的发挥这项技术的优越性，同时提高结构设计的合理性。

1、模块化建筑结构体系设计

1.1　模块化建筑结构单元

（1）基础模块化结构单元

首先墙体承重模块单元主要的荷载是建筑墙体，同时建筑物最大的使用高度也会受到建筑墙体最大承重的影响，通常承重纵向建筑墙体不能设置门窗，因为前提出现门窗或者孔洞会对竖向的结构受力产生影响，这种模块单元适合6-10的建筑工程；

其次角柱支撑模块单元主要的荷载是钢柱，通常要在角柱上设置钢梁来承受水平的荷载，这种模块单元的四周全部开放，建筑墙体可以根据不同的功能需求使用轻质隔墙或者是玻璃幕墙，这种模块单元适合3-7层的建筑工程；

再者非承重模块单元通常使用轻型冷弯薄壁钢材来承受楼板荷载，模块整体比较轻，主要的受力构件为建筑框架或者筒体结构，建筑空间规划设计相对灵活。这种模块单元适合超高层建筑工程。

（2）集成式厨卫单元

集成式厨卫单元主要包含两个模块，即卫生间和厨房集成单元，这两个单元模块实际上是建筑结构中最复杂的空间部位，这两个结构单元的设计需要全面的考虑内部设备、结构装饰设计以及空间组合等多个方面。

（3）附属模块单元

这个单元指的是模块化建筑结构中的配属构件，这个模块单元需要和基础模块单元组合应用，例如屋顶单元、楼梯单元、电梯单元等，而这些附属模块既可以安装在基础模块单元中，也可以单独的进行结构设计，例如楼梯单元，而电梯、阳台、屋顶等单元必须要独立设计。

1.2　模块化结构体系

模块化建筑钢结构主要是由梁、柱以及楼板等模块构成的盒子单元，结构设计需要满足模块标准化、互换性以及吊装施工的具体的要求。自支撑结构和传统的建筑钢结构框架有很多相似之处，不同模块之间按照刚性连接，通常是和4-8层的建筑，如果建筑层数过高则需要添加抗侧力构件来保证结构稳定性；附加支撑构件模块主要包括模块化盒子、附加构件两个方面，例如建筑模块单元和传统的建筑框架复合结构、模块单元和板材复合结构、模块单元和支撑构件复合结构三种类型；附加结构支撑模块建筑荷载是由支撑结构来承载的，可以最大限度的突破高层建筑结构、防火以及使用性能等领域的问题，适用于40左右的高层建筑。

2、BIM技术在模块化建筑结构设计中的应用

2.1　基于BIM技术的模块化建筑结构设计流程

相较于传统的建筑结构设计来讲，基于BIM技术的模块化建筑结构设计不会过多的关注前提的设计准备，同时新增了结构模型协调以及二维结构视图生成两个环节，其结构设计流程图如图1所示：

图1　基于BIM技术的模块化建筑结构设计流程

从上图可看出在确定建筑方案的时候就已经开始进行结构设计，所以通常在方案设计过程中会有专业的BIM模型，同时在二维视图制作阶段，BIM技术是通过建模来直接生成建筑结构二维视图，所以并不是传统意义上的二维制图，其次在信息交换环节，建筑结构方案模型指的是建筑模型中完成结构构建的规划，进而形成BIM模型来进行结构设计。

2.2　基于BIM技术的模块化建筑结构模型内容

基于BIM技术的模块化建筑结构模型主要包括模型表达细度、信息含量以及模型构件范围三个层次，首先建筑结构方案设计主要就是按照建筑整体设计方案以及内部的结构规划来确定，具体内容包括模块划分、建筑结构受力体系、主要的受力结构构件对应的位置、荷载以及其他要素等；

其次建筑结构初步设计模型需要按照相关专业模型设计的要求，对建筑结构设计方案环节的模型做出相应的调整，这个阶段需要利用BIM结构分析计算软件来对建筑结构整体力学进行分析，进而确定具体的结构布置、构件尺寸以及其他信息；

再者模块结构施工图纸设计，内容主要有不同模块之间的连接、单个模块不同构件的尺寸、维护构件的确定以及不同节点的三维模型等，结构物理模型包含有模块构件、节点、截面、荷载、材料选择以及设计结果等，实际上就是在结构初步结构设计模型的前提下，利用多种专业协调设计来确定最完善的设计模型，不仅涉及到前后两个设计阶段的结构设计成果，同时还包括结构模型关联以及模型管理，除了物理机构模型以外，还包括关联信息，例如不同模块之间的组合联系、不同模块构件之间的组合联系、不同模型和相关视图之间的组合联系等，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，施工图纸设计模型主要是为后期的施工模拟以及经营管理提供基础。

2.3　模块化建筑结构BIM软件应用

BIM技术在模块化建筑结构设计中的使用需要借助Revit软件，利用Revit软件来制定建模方案，具体来讲首先需要在Revit软件中创建初期结构模型，这个结构模型只包含不同模块单元构件的尺寸等基础信息，然后利用模型数据转换程序将初期结构模型导入到结构分析软件中，因为模块化建筑结构涉及到的单元构件相对较多，所以分析计算软件可以使用YJK，通过不同软件之间的接口来进行模型转换，对不同模块结构进行整体计算和信息分析，之后将YJK软件计算之后的模型传输给Revit软件，借助Revit对转换后的模型进行附加信息添加，再使用Navisworks软件对以上构建的结构模型进行合并和协调，最后利用模块化钢结构深化分析软件将不同节点以及结构规划图导出。

以具体的办公楼建筑为例，Revit模型的建立首先需要输入对应构件如墙体、柱、梁、板等的尺寸以及属性，同时该软件模型中还包括这些构件的修改参数，对于其他没有的参数可以创建对应的用户族库；其次Revit模型中的平面建模需要通过轴网来定位，该工程竖向构件定位需要通过办公楼建筑标高来确定，轴网间借助相邻的图元距离尺寸来定位；再者整个BIM建筑模型包括该办公楼整体Revit模型和Revit结构模型两个，根据这两个结构模型以及工程设计要求得出该办公室建筑的平面图以及结构平面图；最后是深化模型构建，主要是针对该办公楼建筑模块化设计的具体节点设计以及碰撞检查出图设计。

结论：

总的来说，BIM技术作为一种较为先进的技术，源于建筑行业，同时这种技术的应用也代表了建筑行业未来的一种发展趋势和方向，模块化建筑结构和BIM技术的结合将会在一定程度上提升建筑工程的集成化水平，尤其是在建筑结构设计方面，可以最大限度的实现绿色建筑设计，实现不同专业之间的协调，提高建筑施工质量。

参考文献：

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