BIM 在胶合木与混凝土混合结构体系中的应用分析

王深山，郜江俊，杨小龙，赵国华，杨凯泉

（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

木结构是中国传统建筑文化重要的代表符号，我国在木结构的研究和运用上有着悠久的历史，木材的低碳、可降解性和可再生性等特性也让它成为一种公认的绿色建材。

随着我国经济的快速发展，国家对复兴优秀传统文化和环境保护问题开始日益重视，在工程建设领域，让传统木结构运用于现代建筑便成了实现这一目标的重要手段。

江苏省康复医院项目为了实现建筑整体的节能减排目标，将木质构件运用于项目中，在部分楼层采用胶合木与混凝土混合的结构体系，并在设计与施工过程中使用建筑信息模型技术（BIM），利用BIM 技术的参数化、可视化、协同化的特点，让传统构建手法与现代技术相交融，探索和研究运用BIM 技术在胶合木-混凝土结构体系中的运用。

1 设计理念

江苏省康复医院位于江苏省南京市溧水区经济开发区，总建筑面积约208 000 m2，其中地上建筑面积约146 000 m2，地下建筑面积约62 000 m2，项目建成后将成为目前国内规模最大、定位标准最高的世界一流的康复专科医院。

康复医院外观的整体设计构思，是以“生长”为内核，通过“生命之树、心灵之莲”的布局，形成“枝叶”围绕“花瓣”生长的形态，生动饱满，充满朝气，中央“花瓣”是一栋8 层门诊医技康复综合楼，6 片“枝叶”分别是5 层楼的康复病房，并且分列中央医技楼的两侧（见图1）。

图1 江苏省康复医院俯视图

项目分析的重点，是中央医技楼顶部的两层木混结构部分，其外观形似四朵花瓣组成的盛开的莲花，使整个建筑展现出旺盛的生命力。在材料运用上，设计团队希望通过对木材料这一中国传统建筑材料的运用来实现建筑的节能减排以响应国家倡导的绿色建筑、建筑可持续发展的理念（见图2）。

图2 医技楼顶层俯视图

2 胶合木-混凝土结构体系

位于建筑中心位置的门诊医技楼总层数8 层，下部6 层为混凝土结构，顶部2 层为混凝土框架与重型胶合木结构的水平向混合。

主要功能区域为信息中心、科研教学室、行政办公室和病案室等。顶部两层结构体系中，木结构框架部分只承受所在区域的竖向荷载，混凝土框架同时承担所有的水平剪力及所在区域的竖向荷载。木结构柱脚简化为铰接节点，木结构梁、楼板与混凝土框架连接位置考虑两种材料差异可能造成的竖向变形不一致，也同样简化为铰接。重型木结构部分，梁柱采用层板胶合木构件，楼板采用正交胶合木构件，上铺50 mm 以上现浇混凝土提升其刚度。

考虑消防要求，所有消防电梯、楼梯等位置均采用混凝土结构；这样木框架与混凝土上下组合形成的混合结构具有下重上轻、下刚上柔的非均匀结构特点，而且混凝土结构具有良好的结构强度及防火性能。木结构材质较轻，在抗震性、环保性、节能性和施工效率方面有很大的优势，混合结构将混凝土结构和胶合木结构的特性很好地融合在一起（见图3）。

图3 顶楼结构部分

3 传统木混结构工程项目的难点

传统木构建筑的施工，主要通过木工现场测量、现场加工原料的方式来进行，由于其效率低、精度差，逐渐被现代加工和生产技术淘汰，在现代技术的协助下，不断涌现出新的木质材料和加工生产技术。

其在应用实践中经过了轻型木→胶合木→正交胶合木结构的发展过程，对新式木结构而言，符合绿色建筑的建筑条件，具有节能、节水和节材等优点。但在木结构建筑的推广和使用中，因环境、技术、资源和文化等因素影响，导致木结构推广缓慢的现象[1]。

3.1 设计方案调整困难

传统结构设计过程是通过CAD 等二维设计软件进行设计，再根据设计完成的平面图纸在MIDAS Gen 或PKPM 等软件中建模进行受力分析（见图4）。

图4 有限元分析模型

我们对整个项目的直观认识都停留在平面图纸上，无法直观感受设计方案的可行性、合理性、经济性，并考量后期在施工过程中的进度控制以及质量控制这些重要环节，这些要素都需要设计及施工人员借助其他软件工具重新计算考虑，当结构设计方案变化时，这些要素都要重新调整和计算，无形间增加了许多时间成本。以本项目为例，在扩初设计阶段，由于初步设计的层高为3 700 mm，梁下净高2 850 mm，由于后续设计对楼层的功能布局进行调整，设备管线也进行了相应的增加。

当借助BIM 技术进行管线模拟排布后，主要人行区域管综净高普遍下降至2 100 mm 左右，此高度严重影响使用感受。在得到BIM 团队的反馈后，设计根据BIM优化建议对结构进行调整，增加了结构高度，并根据调整后的图纸重新进行受力验算。

3.2 构件的协同加工及物料管理难

在木质构件的运用上，国外的做法是采用装配式的施工模式，构件在工厂进行预制，预制完成后送达现场进行组装，我国在这方面的经验相对欠缺，通常做法是将原料送达现场进行加工和安装，施工过程主要依赖传统的经验，缺乏相关标准，难以保证质量且增加了能耗和导致环境污染，标准化程度相比成熟国家差距明显[2]。

本项目虽然采用工厂预制化方案，但面临的问题是项目采用的胶合木结构构件数量庞大且尺寸型号各异，造成在图纸中要标注的工作量也相当庞大且需精确，当图纸送至加工厂后，厂方还需要将图纸调整成数控设备匹配的文件。

数据的调整及传递往往会造成信息更新不及时和误差。且大型木构件生产周期较长，构件较多，前期不进行科学编号管理，统筹生产，可能导致施工时将进度在后的构件先行运抵施工现场，增加工地管理难度影响其他专业的施工。

3.3 施工节点及施工顺序的交底难

在钢筋混凝土-木混合结构体系中，节点连接至关重要。由于混合结构具有多相构成、受力复杂等特性，故节点连接影响整体结构的应力分布和变形，从而决定整体设计[3]。

木混结构是由两种不同性状的材料通过节点连接组成共同受力的结构，节点施工的优劣直接影响木混结构体系的优劣。重要节点仅仅依靠平面图纸无法向现场施工人员传达节点的施工要点和注意事项，一方面会导致现场施工人员研究图纸的时间过长，另一方面会导致构件精确度降低。

另外木结构和混凝土结构往往是两个工种施工，依赖传统图纸交底的工作模式无法直观反映两个工种的施工顺序，实际施工时更会导致两个作业面交叉，若管理不善，混凝土结构施工时产生的废水废料甚至会损坏成品木结构。

3.4 工程量统计难

目前广泛运用于建筑工程行业的算量软件为广联达、鲁班等，其工作模式是依据CAD 等二维图纸建模后进行工程量的计算，随着建筑体量越来越大以及造型越来越复杂，也暴露了以上算量软件的弊端：重复建模工作量大、创建造型复杂的体量难度大等问题[4]。

计算胶合木结构和混凝土结构的工作量是两种不同的计算方案，传统的造价模式需用大量的人力资源去读懂图纸，理解设计、计算工作量，是工程造价中最繁琐、最复杂的部分。

即使在最终竣工决算中，也要耗费大量人力核算实际工作量，且这种方式的准确性比较低。

4 BIM 技术在木混结构施工中的应用

本项目在扩初阶段引入了BIM 技术，通过BIM 对项目全专业（建筑专业、结构专业、设备专业）进行建模，利用BIM 技术可视化、参数化的特点来解决康复医院项目木混结构部分所面临的问题，并且将BIM 介入设计、生产、施工和管理的各个阶段，实现工程项目的全生命周期管理。

4.1 方案优化设计

在扩初设计阶段以传统的二维图纸+分析软件的工作模式造成了用时过久，效率过低的问题，在BIM 介入后，结构设计人员直接根据设备管线的现状在软件内调整优化结构高度，当模型调整完成后，直接导入MIDAS Gen 进行受力分析，此过程无需另外建模。

基于BIM 技术的优化设计方式，从方案调整到受力分析完成共耗时5 d，比上一版优化过程节约50%的时间。

4.2 规划作业场地

在项目施工前利用BIM 技术准确搭建木混结构的作业面，并合理规划场地中的施工区域、材料运输区域、材料堆放区域以及建筑废料堆放区域。

利用广联达智慧工地管理系统模拟各功能区的搭建流程，检测各区域布置的合理性，还可以根据胶合木构件的尺寸，施工顺序及材料特性，提前规划塔吊的作业位置，保证材料运输效率。

借助BIM 技术，可提高施工区域的场地利用效率和人员通过的安全性（见图5）。

图5 基于BIM 的场地布置

4.3 节点交底

木混合结构构件之间的连接都是通过定制的钢板连接件进行连接，通过BIM 技术对关键节点进行深化设计，对受力较大的位置进行重点优化，并且精准定位构件中预留孔洞的位置，保证后期加工和受力点验算的准确性。

最后导出节点图纸，以图纸为主，三维为辅的交底模式向现场人员进行交底，三维模型能任意进行平立剖的展示，方便工人理解施工工艺，提高施工的准确性（见图6）。

图6 木柱与木梁连接节点

4.4 预制化构件

在通过BIM 技术设计深化胶合木构件的同时，将所有胶合木构件模型进行分类保存并进行编号，最终汇总成构件族库。

在完成深化设计模型后，可以提取任意构建进行查看，不但能读取构建的模型信息，还能查看和其他构件的位置关系，避免了传统CAD 工作模式所带来的错、漏、碰、缺等问题。

此外，基于BIM 模型的预制装配式构件计算机辅助加工（CAM）技术以及构件生产管理系统，可以将BIM 数据直接导入厂家专用系统与加工设备对接，设计信息与加工信息共享，实现设计、加工一体化，提高构件生产的精度，减少构件本身造成的安装误差（见图7）。

图7 编号JG-F7-ML6-003 胶合木三视图

4.5 模拟施工

在施工现场通过BIM 进行模拟木结构施工过程，当BIM 模型建立完成后，把结构构件信息、场地布置计划、施工进度计划、人员信息等数据导入，然后进行可视化的施工模拟，各方可在现场进行视频交底，准确显示构件的位置和搭接顺序。

配合智慧工地管理系统，还能直观显示施工过程人、机、料的实时配置状态，保证施工安装顺利完成，大大减少建筑质量问题，安全问题，减少返工和整改，实现施工安装装配化，帮助管理人员和施工人员判断方案的合理性，一方面能提升施工效率与施工水平，一方面能降低项目的人工成本和机械成本（见图8）。

图8 木混结构部分施工模拟

4.6 工作量统计

在利用BIM 进行建模的过程中，利用BIM 技术所见即所得的特性，将BIM 建模过程中实时生成的胶合木结构和混凝土结构的工作量与造价联动，将大大加快工程量计算的速度。

BIM 技术的一大特点是参数化建模，当模型建立完成后，所有构件都有其对应的数据信息，能实现快速统计和查询各种材料的工程量，同时通过广联达智慧工地管理系统，对材料工程量进行信息化处理。在施工过程中对材料计划、管理、使用做到科学合理的规划，避免材料浪费，有效控制工程的成本。

4.7 现场管理

在传统的进度管理方式下，不同工种都需要人工操作来整合工程进度信息，这不仅仅需要大量时间，同时还会因为某一工种的进度落后影响整个项目进度。

而在项目现场借助广联达智慧工地管理系统对整个施工项目进行智慧管理。项目管理人员不但可以通过手机电脑等终端实时查看模型，还可以很清晰地了解到不同工种的进度信息，通过可视化模型改善工程的设计情况，有利于目标优化和协同，促使施工中不同专业使用的施工时间更加精确。

这对各个阶段中工程的衔接以及工程的整体进度推进，都具有很明显的优化效果。

4.8 效益分析

直接从经济效益上来看，项目的建设过程中通过利用BIM 技术合理规划场地，解决胶合木构件的加工管理难点，科学规划施工顺序，优化材料运送路径，合理配置机械设备，为项目节省材料费、人工费、机械使用费共约85 万元（见表1）。

表1 预算成本与利用BIM 技术后实际成本的对比 单位：万元

从间接项目效益上来看，促进了BIM 技术在企业的应用，通过减少设计错漏、精细化管理，带动业主对BIM技术的认可，也推动了BIM 技术在行业的应用。

促进建筑行业的绿色施工进行，减少项目的整体能源消耗，实现了建筑废物的循环利用，积极响应了国家可持续发展的战略。

5 存在问题及解决措施

江苏省康复医院项目通过将BIM 技术运用在胶合木-混凝土结构设计和施工过程中，实现了提高设计施工效率、节约工程项目成本和促进环境保护的目标，也为其他项目运用BIM 提供了参考途径。

在国家大力推动绿色建筑的宏观背景下，服务于建筑工程全生命周期的BIM 技术必将迎来新的发展机遇。但是在实践的过程中，我们还发现了整个行业过度依赖传统技术手段、缺乏政策支持和工程建设参与单位环保意识不足等问题，为了能让BIM 技术能更好地为社会服务，还需要做好以下工作：

5.1 推动高新技术的应用

我国现阶段建筑信息模型技术主要运用于设计和施工阶段，各种深度结合BIM 技术的建筑工程都为木结构的运用提供了指导意义。

而且通过BIM 技术将木构件三维化的过程，也对木构件标准制定、建筑文化传承和预制化加工等方面带来积极的影响。同时木结构建筑建造过程中可以应用BIM技术进行管理，优化施工组织，提高建设效率，逐步完善木结构建筑建设管理制度。

目前，我国在大力推进新基建政策，木结构的建筑也应该注重加强高新技术的运用，推动木结构建筑在新背景下科学高效的发展。

5.2 加大对木混结构的政策支持

木结构建筑的运用在我国有着悠久的历史，但目前在现代技术背景下的木结构设计、木材加工及木结构施工等方面均落后于发达国家，我国现代木结构运用的研究亟待加强。

首先，要提倡发展现代木结构建筑尤其是装配式木结构建筑。其次，推广BIM 技术在现代木结构建筑中的应用同时制定扶植现代木结构产业相关的政策，因此，我国应加强现代木结构体系方面的政策推广力度[5]，并鼓励将BIM 技术运用于木构件的设计，生产以及建设过程。

同时大力引进国际先进技术，在建设部门重大科研项目上，要纳入对BIM 技术下木结构运用的研究，争取早日建成现代技术背景下的木结构建设标准体系和人才培养体系，推动我国木结构建筑的快速发展。

5.3 大力倡导绿色建材

木材是广泛运用于建筑工程的材料之一，在当前国家大力倡导环境保护和绿色建筑的政策背景下，通过增加木材料的使用可以降低整个建筑周期中带来的环境危害，有效地保护整体的环境情况。

随着国家大力推进木结构建筑与装配式木结构技术的应用，未来BIM 技术会推动木结构建筑设计朝着更加多彩的方向前进，为未来的建筑工程增添新的色彩。BIM技术除了给设计带来极大便利，在将来木构材料的生产、建筑的营建及建筑后期运维以及木材资源的循环利用等方面都会产生积极的影响。

继续加强对BIM 技术的研发应用，对木结构建筑产业的健康稳定发展、减少资源的浪费、降低建筑全生命周期中给环境带来的压力以及生态环境的可持续发展都有巨大推动作用。

6 结束语

可以预见的是，木混结构体系将越来越多地运用到未来的建筑中，现代木结构体系有别于传统的建筑模式，在与现代建筑材料和施工技术的碰撞过程中，会受到各方面的限制，借助新技术将传统文化和现代结构体系相结合，必然将会是木结构在未来的发展方向。江苏省康复医院的胶合木-混凝土结构体系的构建过程或许能为我们带来新的思路。