BIM技术在传统建筑木结构施工中的应用

解万生，王 瑾，张有志，王江平

(山西一建集团有限公司，山西 太原 030012)

1 工程概况

某工程占地面积约21 432m2，项目总建筑面积5 607.4m2。建设内容包括鼎盛中都陈列区、自然文化陈列区、旅游资源陈列区及配套附属项目，共27个单体建筑。建筑屋面均采用筒板瓦屋面，包含5种等级，建筑高度 19.1m。

工程设计为明朝初期建筑，主要以木结构为主，单体建筑形制包含攒尖建筑、硬山建筑、悬山建筑、歇山建筑及庑殿建筑，采用传统建筑结构施工方法。

2 工程难点分析

工程主要承重构件选用产自巴布新几内亚的菠萝格，价格高昂，木材密度大，纹理交错，质地坚硬，入水即沉；加工进度慢、难度大，构件数量繁多，种类各异，仅大木作包含柱、梁、檩、枋、斗栱等构件40 595 个，涉及榫卯样式40余种；干缩小，锯、刨加工困难，木构件制作安装难度较大，对工人专业水平要求较高。

因工期紧、结构复杂、木构件规格数量多，既要按图纸及营造要求，同时又要减少损耗，降低成本要求，本工程将BIM技术应用于木构件制作、安装阶段，首先利用现有CAD图纸应用Revit软件进行1∶1 参数化建模同时优化节点榫卯，然后利用Inventor识别转换软件导出单个构件，导入UG软件对单个构件进行参数化坐标设置并进行自动化加工，最后对加工好的木构件进行预拼装。技术难点主要有以下4个方面。

1)掌握不同形制传统建筑各构件营造工艺，熟悉各构件名称、规格、做法，对柱、檩、梁、枋选材及下料，掌握木材当地平衡含水率，计算榫卯干缩变形量，确保达到平衡含水率时的榫卯拼接严丝合缝。

2)古建筑建模种类多、难度大，整体建模时，要有足够空间想象能力，保证所建构件完整性，在榫卯深化优化时，首先要学习掌握古建筑各类榫卯，根据材料性能、抗震要求及建筑形制选择特定榫卯连接方式，在建模过程中，不同构件因几何特性不同，生成的方式亦不同，往往1个榫卯节点的优化要运用多种建模技巧且要注重建模顺序，否则会适得其反。

3)根据加工木材特性，深化设计加工机械 在加工铁件机床的基础上进行重组，不断优化改进，将数控机床改装为专门对古建筑木构件加工服务的数控机床，如项目采用的五轴联动加工中心、卡具自动避让多功能曲线铣床等。

4)BIM模型转换为数控程序语言 根据木构件特点，选择相应的机器和刀具，将绘制的古建BIM模型通过Inventor软件转换到数控机床设备编程软件中，对刀具及刀路路径进行编程、预览，达到BIM模型、数控机床编程、木构件三者的融合统一。

3 操作工艺流程

结合目前推广的BIM装配式技术，在保证工程施工质量的前提下，确保施工进度为首要任务，应用BIM技术与传统按图加工木构架相结合，可降低加工成本，提高施工效率。

3.1 按设计图建立模型，深化、优化施工图纸

首先使用Revit软件建立1∶1木结构模型，解决木构件交圈及碰撞问题，优化木结构体系，确保木构件比例尺寸协调。

在Revit软件中设置项目基点，将电子版CAD图纸按平、立、剖、详图导成单独文件导入建筑项目文件中的对应面，并调整其至相应参考线位置。对照平、立、剖面图结合BIM建模相关规定，建立模型(见图1)，使各构件参数信息反映至模型中。通过建立模型，即可分析出图纸中可能存在的错漏，及时向监理工程师反馈，协助设计院完善施工图纸，亦可及时进行必要的变更签证。本工程所有建筑均采用Revit参数化建模，总计40 595个木构件。

图1 三维BIM大木架模型

3.2 深化设计榫卯，完成计算机会榫，制定木结构拼装方案

根据工程概况、建筑形制、抗震要求、所用木材性能等因素，结合当地传统木结构建筑施工技术，掌握地方及官式榫卯设计要点，制定节点榫卯方案。制定的榫卯方案须经专业技术人员分析确认，设计院应给出榫卯方案确定文件。

根据确定的榫卯方案文件，在木结构模型上对所有节点部位进行榫卯深化，并根据深化的榫卯模型，逐个节点进行计算机会榫工作，确保木构件拼装质量(见图2)。

图2 深化、优化的榫卯节点

制定木结构拼装方案，首先在软件中将木构件明细表中加入体积参数，构件体积即可在明细表中显示，结合所选材料对应密度计算出对应构件质量，协助项目选用合理的运输及起重吊装设备。

根据确定的相关参数和现场实际情况，应用BIM系列软件制作木结构现场吊装、拼装模拟视频，进一步明确起重机械型号、位置、木构件进厂顺序、摆放位置、临时固定、吊装演示等情况，最大程度地缩短工期，保证木构件拼装质量，最终形成木结构拼装方案。

3.3 根据模型提量，制定原材料采购最优方案

提量分为2个部分：传统建筑大木构件繁多，要提取每种类型构件数量；每个构件尺寸不同，要根据实际情况提取所需构件三维尺寸。这样能精确计算出每种类型构件全部加工完成所需原材料，从而有效控制项目成本。

1)提取各类构件数量、尺寸以方便加工，首先将模型完全精准化，使用常规模型中的拉伸、旋转、融合、放样等10个命令基本可制作出传统建筑所有结构类型。一些异形实体若不方便建立则可使用其他尺寸相符的类似形体代替，一些需雕刻花纹的面则只需建立外轮廓造型，木构件制作时，在对应位置进行深加工即可(此类构件亦可实现精细化建模，但在实际运用过程中实用性不高且浪费时间，因此一般均简单处理)。此外，传统建筑木构件、卯榫等要完全按专项方案执行，并且保证尺寸与工程实际相同，这样才能方便后续模型参数的提取及后续加工。

具体方法为 ：将每种类型构件使用1个单独族文件载入项目文件中，且按拟定的规律编排命名。然后在明细表中的“总计”一栏打钩，常规模型明细表中要选择字段“族与类型”，即可在明细表中统计出构件数目。

2)若要显示构件尺寸至明细表中以方便后续配料及下料工作，则需在每个构件族文件制作过程中使用共享参数，定义构件实际下料过程中的长、宽、高、直径等，并将显示该尺寸的标注尺寸赋予该参数。将上述参数载入明细表中的字段中，即可显示出构件详细尺寸,也可导出至EXCEL表格中(见图3)。需根据构件实际尺寸进行标注，不可漏标或标记错位及标记至不合适的参照平面上。

图3 常规模型明细表效果

部分构件在修改尺寸后，必须检查所标注尺寸是否随构件尺寸真实发生变化，若无则要修改尺寸标注，这样才具有指导施工的意义，一些异形构件，要结合构件实际造型做尺寸标注，有些构件要考虑2个合并为1个加工的情况来进行标注。

精确的模型量可用来指导材料购买方案和细加工下料，木工师傅可根据材料形变特征及明细表上的详细尺寸、数量计算出实际需要的木料工程量。采购人员可根据木工下料表灵活选取购买木料原材，提高出材率。

3.4 因材施作，确保木构件加工质量

根据确定的会榫方案及模型提量，确定对应木构件加工方法。2种方法如下。

1)提取单个木构件参数化模型，导出CAD二维详图，项目部技术人员核对详图尺寸准确性，结合木材性能选用合理的加工工具，对工人进行木构件加工的安全技术交底。由于BIM技术应用，实际操作时对工人专业技术水平要求不高，现场工人可直接按图加工单个构件。由于匠人老龄化、技艺水平参差不齐，单个建筑全过程均由1个师傅画线，使用1套杖杆，所有榫卯开设画线均由1人掌控，存在复杂部位构件榫卯开设无法有效控制及提前会榫、过程控制薄弱等问题。

2)将BIM模型转换至数控设备编程软件中，设置对应刀具并对刀路路径进行编程。将规格料在设备规定位置固定好，将程序指令输入机器匹配好坐标点即可开始加工。通过运用数控机床，木构件加工效率、精确率得到了极大提升，误差降低至1mm内。凡涉及木结构角梁的建筑，角梁在未经过二次加工的情况下，运抵现场后1h内完成了安装，这种精确度在人工加工时极难达到，充分证明了机床可靠性，且大大提高画线速度和准确率。

通过BIM技术应用，在该项目施工中的木料选用、开卯成功率得到很好预控，合格率为100%。充分证实了BIM技术应用实用性，同时加快了施工进度，减少了木材浪费，保护环境并节约了成本。

3.5 根据确定的木构件拼装方案，现场实施拼装

对加工好的木构件依据木构件拼装视频进行预拼装，所有节点均与模型逐一对应，拼装实现零误差，在适应木材性能的基础上，确保加工的木构件榫卯拼接质量。试拼装完成的木构件，拆除后按集团相关规定统一编码、分类码放、打包运至施工现场做好成品保护工作，木构件拼装前按拼装视频对相关人员进行技术交底，明确相关职责及注意事项，严格按拼装方案进行吊装，必须依据吊装安全技术交底固定木构件吊装过程中的单个构件，临时固定必须牢靠，确保木构件位置准确，榫卯连接牢靠。现场拼装完成效果如图4所示。

图4 现场拼装完成效果

4 安全、质量保证措施

1)各级安全生产责任制与安全内业管理执行企业有关标准，各项经济承包有明确的安全指标和经济奖罚措施，健全各级安全生产责任制。

2)完善项目质量保证体系，做到组织落实、人员落实，贯彻质量责任制，明确工作职责。进行质量意识教育，树立质优我荣、质劣我耻的思想意识。发挥项目质量管理体系的监督管理控制职能作用。

3)为保证质量目标的实现，施工前做好主要分部分项工程质量策划，针对常见质量问题，有的放失地提出解决和预防措施。将质量问题消除在初期，以保证实现预定目标。

4)密切关注定位放线、材质检验、成品保护、技术交底、施工控制等主要过程，严把技术复核制度的落实。

5)坚持三检制、样板制，每道工序施工前做好样板间作为工程标准，工序交接做到“三检”控制。坚持质量验收管理方法。

6)机电设备专人操作，防护装置要标准，一机一闸，闸箱上锁，闸箱有防潮防雨设施，杜绝机构伤害及电气伤害事故。

7)提高所有施工人员成品保护意识教育，养成保护成品、爱护成品的习惯。施工前编制详细成品保护方案，做到责任到人。做好各种工序及工种之间协调工作，避免破坏其他工种成品，要求将成品保护措施写入相应技术交底中。

8)防腐施工操作人员必须佩戴防尘口罩、防护眼镜等必要的防护用品。

9)合理布置灭火器材，并派人定期检查，确保有效；消防通道要保持畅通。木料加工区和存放区的防火应安排专人不定时巡检。

5 工程实施效果

传统建筑木构件智能化加工技术遵循营造法则，利用Revit软件精确绘制BIM模型，通过对族文件编排和共享参数设置，可显示并汇总出各构件实际下料尺寸，再配以材料变形特征即可算出损耗率最低的毛料尺寸，精确控制材料损耗。

利用BIM技术辅助古建筑施工现场设计，将传统技艺转变为精细的BIM模型，实现木构件榫卯的可视化，预先拼装，达到节点优化。进行碰撞试验，将榫卯节点连接结合更加吻合，实现柱、梁、枋等木制构件精确计算。

经检验，工程质量符合设计要求及规范规定，并大大减少了人力投入，降低了施工成本，减少了损耗。所有大木构件统一加工，材料可根据实际情况在满足要求的同时合理利用，避免浪费，数控机床代替工人放样画线，曲线铣床及刻槽一体机代替人工加工木构件，且准确率高。保证了结构安全性及仿古建筑屋面整体美观性，满足了古建筑大木构架使用功能，保证了工程质量。建成效果如图5所示。

图5 建成效果

6 结语

目前，BIM技术应用在本项目实施前期起到举足轻重的作用，能很好地对传统建筑技术参数进行储备，结合相应软件对结构做合理分析，更好地优化木结构方案，指导木构件加工、拼装。若要BIM技术更好地应用于传统建筑全生命周期，除了施工深化，还需在项目决策阶段掌握不同朝代对应地域建筑风格、榫卯特征、传统文化等要素，这样才能更好地做好传统建筑及传统文化传承。