基于BIM技术的木结构建筑结构形态设计教学研究与工程应用*

2022-07-31程小武杨珩

科学与信息化 2022年14期

程小武杨珩

南京工业大学江苏南京 211816

引言

南京工业大学在传统和现代木结构领域研究成果丰富，聚焦于传统建筑保护与设计、现代装配式木结构等方向，从科学研究、标准编制、工程应用等方面进行了全面的探索。通过努力，建成了国内高校最早、设施最全的木结构实验室；形成了国内最大的木结构研究团队；完成了众多有突破性的木结构建筑与桥梁工程。在木结构科学研究与工程设计中，南京工业大学基于BIM技术的建筑、结构综合设计与结构形态的可视化设计研究是一个亮点，通过从本科生到研究生的系统化、系列化教学培养，培养了一批熟练掌握木结构设计BIM核心技术的人才。

1 BIM技术基本概念

BIM—建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对对应工程项目相关信息的详尽表达。装配式建筑的核心是“集成”，BIM技术是“集成”的手段，串联起来设计、生产、施工、装修和管理的全过程，服务于装配式建筑全生命周期[1]。BIM技术为装配式设计提供技术保障，三维表达避免传统二维设计图形孤立，变更难的现象，有效解决了专业间、预制构件间可能出现的碰撞问题。

通过研究通用BIM设计平台REVIT和木结构专业设计软件CADWORK之间的数据转换关系，进行结构计算、节点设计、构件拆分、构/部件加工等继承性工序，形成正向设计流程。

图1 木结构BIM正向设计流程

2 BIM在木结构设计教育中基本理念

木结构作为三大装配式结构，在其设计中要建立一种建筑方案引领结构形态，并融合合理结构受力的理念，让木结构建筑的结构体系合理展现其结构形态美。

2.1 建筑方案的创作

在木结构建筑方案设计教学中，通过对各种不同三维建模软件的运用介绍，

使同学们认识到BIM软件如Revit的应用特点，而且利用不同软件的融合性，当遇到复杂曲面模型时，借助曲面建模表现更为出色的如Rhinoceros软件进行辅助建模，并将模型导入合并至Revit主模型中，完成整个BIM核模型的建立。如美国俄勒冈州比弗顿图书馆结构形态优美的树形柱，在设计中运用了Revit的建模技术（图2）。

图2 美国比弗顿图书馆树形结构

2.2 结构方案优化与分析

而在本科生、研究生结构分析教学中，通过将revit与midas、Abaqus等有限元软件结合，进行结构安全性分析（如图3）。在Autodesk Revit中分离出结构线，导出至CAD文件，对不同的线型设置不同的截面属性分图层导入Midas Gen中形成结构分析模型[2]。根据分析结果，对构件尺寸、结构布置进行优化，最后将优化数据反馈给Revit模型。将节点实体模型输出至Abaqus有限元软件中，进行精细化分析，得到节点的刚度系数，并在Midas Gen中对节点作相应参数调整，从而得到更加接近实际连接特征的分析结果指导设计。

图3 BIM平台相关设计计算软件的融合

在学习中，建筑和结构专业同学通过技术交流，将专业充分融合在一起，最终顺利地将BIM技术运用到本科木结构建筑毕业设计中，让建筑、结构专业的同学在本科阶段就熟练地掌握了BIM技术[3]。

3 BIM技术在全国木结构设计大赛中的应用

南京工业大学自2015第一届起就参加全国大学生木结构设计邀请赛，在比赛中土木学院的木结构方向研究生和建筑学院的本科生、研究生通力合作，取得了丰硕成果，并获得了2018年第四届木结构设计大赛的一等奖。

而2016年度我校的参赛作品《贯·虹—基于BIM的木结构游泳馆设计》首次全面将BIM理念运用到建筑、结构、制造、施工一体化方案设计中，令人耳目一新。

图4 BIM核心模型的建立

图5 BIM模型的可视化计算研究

3.1 以BIM技术为核心的设计、制造、施工一体化应用

南京工业大学木结构设计团队在2018年参与木结构设计的江苏省第十届江苏省园艺博览会博览园主展馆项目中将BIM技术充分运用其中，获得了巨大成功，项目获得了2020年度全国绿色建筑创新一等奖[4]。

图6 项目完成实景

图7 结构形态优美的木拱桥

该项目方案设计、建筑设计、结构设计均在BIM模型中进行，结构计算完成后直接生成构件加工图。从设计到施工均贯穿了BIM技术[5]，极大提高了设计和施工的自动化程度和安装的精度，完美还原了建筑的细节效果。南京工业大学木结构设计团队将BIM技术应用到该项目的结构设计、结构分析与优化、构件加工、数字化建造等领域，将传统BIM软件及常规配合建模软件（Rhinoceros）、木结构拆分专业软件（Cad work）、结构分析优化软件（Abaqus、Inspire、Midas）以及工厂加工机床接口软件有效结合，实现木结构建筑从设计到施工建造的全过程信息化，无缝对接各个环节，在园博会木结构建筑中得到了成功应用。