苏立田
13232419710211****
摘要：以持有高集成度信息、高配合度为特色的BIM技术,在木结构建筑设计中呈现出显著优势,特别符合木结构建筑设计的需要。本文将现代木结构建筑的特征作为论述核心,以可视化设计、模型库运用和多学科优化这三个方面作为突破口,对BIM技术在木结构建筑设计中的优化作用进行剖析。除此之外,根据BIM技术在现代木结构建筑的设计、施工、全生命周期运营管理上的综合运用,对其未来发展前景进行分析。
关键词： 木结构建筑的结构类型;?优势;问题与策略;BIM
由于BIM技术的综合运用尚未成熟,其在现代木结构建筑设计、建造、全生命周期运营管理方面的投入使用还处在探索时期,各方面都还需要完善。木结构建筑构建的三维数字化、模数化需求是由木结构建筑的装配化设计主导的,木结构建筑设计施工综合化需求也是由此而产生。综合考虑到BIM技术和木结构建筑特点,本文将设计角度作为切入点,对BIM技术在木结构建筑设计中的应用和优化进行剖析,给未来的建筑设计提供多方面的思路。
1木结构建筑的结构类型
1.1轻型木结构
轻型木结构是由木骨架墙体、木格栅楼板和木屋盖组成的结构体系。轻型木结构抗风、抗震性能良好。外墙包覆的呼吸纸可帮助形成全屋气密系统，以防止空气泄露导致的室内外热传递增加而增大耗能以及减少雨水侵蚀提高建筑的耐久性能。并且轻型木结构建筑使用舒适度高，可广泛用于住宅、别墅、移动木屋、公园、农房改造项目等。根据《多高层木结构建筑技术标准》GB/T 51226-2017中的规定，轻型木结构最高允许建造6层，檐口高度不超过20米。
1.2重型胶合木结构
胶合木结构是指采用工程木产品作为承重或抗侧主构件的梁柱框架或木剪力墙结构。常见的工程木产品如:层板胶合木(Glued Laminated Timber，简称GLT、以及正交胶合木(Cross Laminated Timber，简称CLT)、层板钉接木(Nail Laminated Timber，简称NLT)，这些都是胶合木结构的主要承重构件。
层板胶合木主要应用于单层、多层的木结构建筑，以及大跨度空间的木结构建筑的梁和柱。正交胶合木因其平面外双向相同的力学特性，广泛应用于板式结构如剪力墙、楼面板和屋面板等。层板钉接木多用于楼面板、屋面板和墙板，定向刨花板覆盖于NLT板上，并用钢钉可靠连接之后可提供平面内刚度和横向隔膜的抗剪能力。NLT板也可作为剪力墙或隔墙使用。随着木结构技术和材料的发展，新型的木质结构复合材也不断涌现，如单板层积胶合木(Laminated Veneer Lumber,简称LVL)，平行木片胶合木(Parallel Strand Lumber，简称PSL)，层叠木片胶合木(Laminated Strand Lumber，简称LSL)
工程木材料不受天然木材的尺寸限制，能够制作出满足建筑和结构尺寸要求的构件，在构件外观上又能保持木材优美的特性。胶合木构件可在工厂内生产。工业化生产可提高构件加工精度，更好地保证产品质量。其结构构件可以在工厂预制，再运输到现场进行组装。采用工程木材料的重型木结构是符合工业化生产理念的装配式木结构。胶合木结构可制作大跨度的直梁或弧梁，减少中柱数量，满足室内大空间的设计要求，适用于教堂、体育场馆、娱乐设施等公共建筑。
目前我国胶合木预制构件主要以预制胶合木梁、柱和正交胶合木楼面板、屋面板为主。此外，工程木构件如正交胶合木板的木材用量是轻木格栅墙板的3～5倍，能更好地发挥木材的固碳作用，使用来自可持续管理森林的木材制造的重木构件既符合国家大力推进装配式建筑的政策，又符合“绿水青山就是金山银山”的环保理念。
1.3木混合结构
木混合结构主要是指木结构与混凝土或钢结构共同承重或抗侧的结构体系。此类结构在加拿大和北欧非常普遍，在国内也有诸多类似的应用。
2木结构建筑的主要优势
2.1低碳环保
树木在生长的过程中吸收二氧化碳，释放氧气。吸收的碳转化为树木的枝干和树叶，被储存起来。1 m3的木材可储存约1 t的二氧化碳。
当使用木材建造时，相当于延长了树木的固碳周期，赋予了树木第二次生命，将碳继续储存在建筑物当中。从长远来看，木结构的大规模应用，为缓解全球气候变暖贡献了力量。
2.2可预制
木结构建筑中的木桁架、楼梯、屋面板、墙体都可在工厂完成生产，装配，然后运到工地搭建、安装。同时设计灵活，可满足不同结构的用途。
2.3安全耐久
木结构相较于其他建筑结构自重轻，在地震工况下连接节点能吸收大量地震能量，故抗震性能较好。设计合理，施工质量优异的木结构建筑项目耐久性能良好。建筑物的耐火性能并不是取决于单项建筑材料的性能，而是取决于整个建筑系统的耐火等级。例如轻型木结构的主体框架内侧采用耐火石膏板包覆，能有效增加耐火时间并且防止火焰蔓延;胶合木梁柱在燃烧时，木材表面形成一层炭化层，将木材与外界空气隔绝并能提高整根木构件可承受的温度。在燃烧过程中，内部未被碳化的木材没有较大的强度折减，因此大截面木构件遇火时其强度保持时间比钢构件更长。
3 BIM技术与木结构建筑设计优化作用
3.1可视化设计手段在木结构建筑设计中的优化
裸露木结构建筑结构的设计手段对表达建筑材料的自然美和结构美有非常突出的作用。然而,却也在不知不觉间给设计师对建筑内外部空间表现的把控带来困难。即时的可视化手段对设计师构建空间意境,提升设计速度,提高设计绘图效率有很大的作用。BIM技术比起传统的CAD软件,提供的建筑信息更加丰富、详细,还兼具建筑模型的可视化能力。计算机根据对2D图纸补充的数据形成的建筑信息,自动生成即时的三维可视化模型,大大减少了建筑设计中用于可视化表达的成本。利用BIM形成的三维场地模型比2D的地形更有利于设计师更加多方位地对场地与建筑的关系进行分析,对设计师提出更好的建筑与场地之间的解决方案起了一个重要的辅助作用。
3.2建筑模型库在木结构建筑设计中的优化
木材的易加工让木结构建筑装配化成为可能。对木结构构件的剖析为工厂对木结构建筑的预制化带来多样的解决策略。此外,还要求装配式建筑设计做到规范化。通过Revit这个例子,可以看出软件中自带的关键族在木结构建筑设计期间有利于设计师提升筛选符合建筑使用要求的构件的速度。
3.3木结构建筑专业协同设计中的优化
(1)提高建筑结构体系的识别性。
对木结构建筑的空间营造中,结构优化发挥着十分关键的作用。木结构的结构裸露使得建筑结构之美得以更好地呈现出来。而提高建筑内部空间的识别性则得益于优化结构节点的表达。新加坡科技与设计大学的MichaelBudig的木结构微型塔楼设计中,采取数字化设计方法,对建筑结构进行拆分,转化为直线和曲线两种元素,以此为基础,将结构节点进行简化,增强系统组织逻辑,除了增强局部的抗拉强度,还使建筑的独特性得以提升,设计表现力得以更好地呈现。
(2)影响建筑环境因素的协同优化。
建筑环境因素对建筑设计有着至关重要的作用。以寒冷地区为例,建筑适应气候的能力是设计师设计建筑时更为看重的因素。掌握基础的建筑能耗知识的建筑师凭借BIM技术,便能得到满足自己需求的设计方案。为了优化设计,设计师还可进行即时修改,更加方便快捷地完善自己的建筑设计。
4结论
随着木结构建筑与装配式技术的进步,在不久的将来,BIM技术的应用会给木结构建筑设计带来更多可能,创造更多思路。除此之外,根据木结构建筑装配化的特性,BIM技术除了给设计带来极大便利,在将来的建筑快捷营建、建筑后期运营维护以及木材资源的循环利用等方面都有广阔发展空间。继续加深对BIM技术的研发应用,对木结构建筑产业的健康稳定发展、减少各种资源的浪费、降低建筑全生命周期中给环境带来的压力都有巨大作用。
参考文献
[1]贺琛,刘佳慧,刘青杨,等.木结构建筑构件三维数字化设计研究[J].世界林业研究,2019,32(2):51-55.
[2]曾莎洁,范伟达.基于BIM的木结构设计建造一体化技术框架研究[J].建设科技,2016(18):90-92.