基于BIM技术的天津某装配式轻型木结构住宅的设计与建造

许良 郑艺炜 张嘉轩

摘    要：木材是一种建筑材料，是完全可以回收利用的可再生资源，具有布置灵活、经久耐用、施工周期短、经济环保且易于改造维修的特点。本项目主要是对轻型木结构的建筑设计、木构架构造及连接方式等方面进行研究，采用BIM技术建立三维立体模型。以期对我国今后建设绿色环保的建筑体系提供指导意义。

关键词：轻型木结构;BIM设计与装配式;轻型木结构防护

1  工程概况

1.1  项目简介

本项目主要是对天津市武清区针对于轻型木结构的结构、建筑设计、木构架构造及连接方式等方面进行研究，采用基于BIM技术建立三维立体模型与装配式结合，设计成具有良好的环保性能、节能保温性能、防火性能、设计灵活、改造方便并且可以实现工厂化生产和装配化施工。对轻型木结构在设计、建造等全过程中可能遇到的问题及应对策略进行探讨分析。

1.2  气象资料

天津市武清区位于中纬度，欧亚大陆东岸，北依燕山，东临渤海，是北温带半干旱半湿润季风气候区。冬季因为受到蒙古冷高压影响，盛行西北风，天气寒冷干燥;夏季受到西北太平洋副热带高压影响，高温多雨;春秋季为季风转换期，天气复杂多变，对于木材来说更适合于复杂的天气情况。天津主要为大陆性气候特征，但受渤海影响，沿海地区有时也显现出海洋性气候特征，海陆风现象比较明显，且沿海地区日照丰富，年日照时2752小时，适合于光伏电板的使用。近年来，在夏季的降雨出现了减少的趋势，导致水资源的短缺。

1.3  地质资料

天津市武清区位于华北沉降带的冀中凹陷，全区是平原地区地势平坦海拔低，在武清区存在断裂带，控制着武清的地层分布，地面沉降和地震活动。主要地震以中小型地震为主，而木结构的稳定性高，有比较好的抗震性能。岩层：岩土体的稳定性影响建筑的地基，在武清北部多以低山丘陵为主，基岩裸露，以层状岩石为主，稳定性较好。水文：境内河流较多，贯穿整区汇入海中，地表水资源丰富，地下水储存条件好，水位埋深淺。地形：有冲积平原，地面倾斜较为平缓，落差较小。土壤：主要包括砂土、沙壤、轻壤、中壤、重壤、粘土6类，以壤质土分部为主。在王庆坨一带有较好的地热资源。

2  建筑设计

2.1  平面设计

这栋建筑有设客厅、主卧、书房、厨房、卫生间、车库合理使用。设计集中突出合理性，舒适性。合理性表现为内外，动静分明，各种管线集中：舒适性着重研究朝向、穿堂风、直接采光争取一定宽度，保证建筑的良好采光。建筑的总长度为20.6m、宽度为13.15m，单个建筑体占地面积：270.59m2。建筑首层平面设计的尺寸如图1所示，比例为1：1000。

2.2  立面设计

在建筑立面设计中，集中体现了现代建筑的美，以现代、简约充满动感的风格形成了清新鲜明的个性。同时立面造型力图清新淡雅又稳重大方，烘托住宅区安逸的生活气氛。在形体处理上注重高低错落于体形的变化，材料一木材为主，墙面用高级涂料粉刷，局部配以涂料及玻璃，既表现了建筑体快的变化，又体现建筑节奏与韵律之美。

南立面：建筑高度为8.7m，建筑正中间有一个大门，两边都有一个大窗都用来保证采光的良好。侧立面：大厅、主卧房间、书房等单窗口都是采用塑钢窗。立面图如图2。

2.3  剖面设计

立面设计我们遵循下面三个原则：（1）完整均衡、比较适当;（2）层次分明，交接明确;（3）体型简洁，环境协调。

本建筑为主体两层，第一层高度为3.5m，第二层高度为3.0m。防止建筑因不均匀沉降使地面降低，为了满足使用功能要求，取室内外高差为750mm。出入口设有楼梯，以方便人流行走。两层之间女儿墙高度为600mm。楼梯采用螺旋式楼梯。

2.4  轻型木结构防火与防护

2.4.1  防火

木材是可燃材料， 所以木结构建筑的防火显得尤为重要。通过合理的防火设计和构造措施来控制火势的蔓延， 使木结构建筑满足防火要求。

本木结构建筑采取了两种防火设计，一种是采用防火构造措施的方法，比如轻型木结构建筑采用防火石膏板对木材进行防火保护，防火石膏板其中的CaSO4、2H2O，不要小看这两个结晶水，石膏板的结晶水是它防火的一个重要原因。石膏板受火时，先是板芯中的游离水分蒸发出来，吸收少量的热量，降低板周的温度。当温度继续升高，二水石膏的结晶水开始脱离，分解成石膏和水分，这个过程需要吸收大量的热量，可以在比较长的时间里影响板面四周的温升，也可以在密闭空间的部位采用连续的防火分隔措施。另外一种是通过在木材中加入阻燃剂，阻燃剂可以阻止木材的热分解和释放可燃气体，比如木材阻燃剂成分中含有;磷-氮系、硼系、有机胺系、卤素系等，当阻燃剂中的磷酸受热时放出氨等惰性气体冲淡氧气及可燃体浓度而抑制气相燃烧。含硼系化合物受热熔成玻璃状固体覆盖在木材表面可以抑制燃烧，还具有一定的防腐、防虫性能，这是利用协同作用和增效作用。

2.4.2  防腐、防虫

木材是有机材料遇水易腐烂，但是古有彦语说：“干两千年，湿两千年，不干不湿两三年”，这就表明木材的耐久性取决于正确的处理方法。压力处理法是我国最普遍和成熟的方法。将木材置于压力容器中，通过真空泵将木材细胞中的空气抽出;将容器中注满防腐剂，利用真空效果使木材细胞吸入防腐剂，保持在理想的条件下木材的含水率小于20%，这样在更大程度上进行了防腐也可以防潮。

利用硼类防腐剂进行防虫处理，常用的有蹦砂、硼酸，其有防虫作用，有效地预防白蚁、天牛、粉蛊等对木材的危害，且对木材的渗透性好，处理后能保持木材本色，并还有阻燃作用，没有气味，是一类非常安全、环保的木材防虫剂。

2.4.3  防潮

在木结构建筑中尤其关键，当木材长期处于潮湿环境时， 木材可能出现腐朽等问题。木结构建筑应进行合理的木结构防水防潮设计和采取相应的构造措施， 使木材处于干燥通风的环境， 根据木结构的不同部位， 采用不同的防潮措施。对基础， 采用架空或者铺设防潮层;对墙体， 设置挑檐， 在护墙板与墙面板之间铺加排水面等;对屋面， 设置成坡屋面， 铺设瓦片， 防水卷材， 泛水板等。

在此我们应用建筑细节设计使之利于排水，如面积较大面积的屋面挑檐，使雨水偏离建筑物;通过设计檐沟和落水管排水途径式水在重力作用下流出建筑物护栏结构;木屋底部与基础间设有隔离防潮层，湿气无法入侵，木地板与混凝土基础之间都设有架慨层，借助通风或蒸汽扩散排出积聚的湿气。

3  BIM技术与装配式

BIM绘制过程。BIM技术将设计方案、制造需求、安裝需求集成在BIM模型中，在实际建造前统筹考虑设计、制造、安装的各种要求，把。实际制造、安装过程中可能产生的问题提前消灭。模拟工厂加工的方式，以“预制构件模型”的方式来进行系统集成和表达，这就需要建立装配式建筑的BIM构件库。通过装配式建筑BIM构件库的建立，可以不断增加BIM虚拟构件的数量、种类和规格，逐步构建标准化预制构件库。在深化设计、构件生产、构件吊装等阶段，都将采用BIM（建筑信息模型）进行构件的模拟，碰撞检验与三维施工图纸的绘制。

4  总结

推进木结构建筑的部品化设计、标准化生产和装配式建造可极大提高生产效率和经济效益，是现代木结构住宅的发展趋势。

参考文献：

[1] 张树君.装配式现代木结构建筑[J].城市住宅，2016（5）：35～40.

[2] 赵克俭.木结构在建筑设计中的应用[J].天津建设科技，2010（5）：18～19.

[3] 曹瑜.轻型木结构建筑墙体的保温及热湿性能研究[D].南京林业大学，2018.

[4] 宋杰红，于晓龙，张志杰.轻型木结构建筑防潮工程技术措施[J].建筑技术，2011（7）：596～598.

[5] 林树枝，施有志.装配式木结构建筑的应用现状及展望[J].建设科技，2019（1）：46～51.

大学生创新创业训练项目：基于建筑信息模型的轻型木结构住宅设计研究，项目编号：201913898016

作者简介：

许良（1999—）籍贯：广西省，职业：北京科技大学天津学院大三在读。