試論模塊化建筑的結構設計及BIM的應用

陳國林

【摘要】BIM（建筑信息建模）的概念包含了從建筑工程設計到結構設計、圖紙設計、施工設計以及項目管理多個方面，這種技術繼承了建筑工程全生命周期各個階段相關信息的數據模型，使用這種技術能夠最大限度的整合建筑工程項目信息數據庫，為建筑結構設計提供多種信息，尤其對于模塊化建筑結構設計來說，不僅可以解決施工過程中的諸多問題，還可以節省大量的人力、物力資源，文章以此為基礎，對模塊化建筑結構設計要點以及BIM的應用進行了重點介紹。

【關鍵詞】模塊化建筑；結構設計；BIM技術

現在的建筑，不管是板樓，或是塔樓，大多都是框架式的。未來的建筑應該是拼插模塊式的單元體結構，其間將更多地體現仿生學的元素。模塊化建筑就是將單元體的建筑結構拼接在一起，將一個建筑項目分成若干個空間模塊，集合了建筑設計、工廠制造、工地搭接以驗收等化解，合理的應用單元體的空間，屬于一種新型的建筑結構。而BIM技術作為一種依靠三維數字技術基礎存在的建筑信息模型，以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，集成了建筑工程各種信息工程數據模型，既具備單一的工程數據源，可以解決分布式、異構類的工程數據間的全面共享問題，同時又是一種新型的用于建筑設計以及管理的數字化方法，模塊化建筑結構設計中使用BIM技術能夠更好的發揮這項技術的優越性，同時提高結構設計的合理性。

1、模塊化建筑結構體系設計

1.1模塊化建筑結構單元

（1）基礎模塊化結構單元

首先墻體承重模塊單元主要的荷載是建筑墻體，同時建筑物最大的使用高度也會受到建筑墻體最大承重的影響，通常承重縱向建筑墻體不能設置門窗，因為前提出現門窗或者孔洞會對豎向的結構受力產生影響，這種模塊單元適合6-10的建筑工程；

其次角柱支撐模塊單元主要的荷載是鋼柱，通常要在角柱上設置鋼梁來承受水平的荷載，這種模塊單元的四周全部開放，建筑墻體可以根據不同的功能需求使用輕質隔墻或者是玻璃幕墻，這種模塊單元適合3-7層的建筑工程；

再者非承重模塊單元通常使用輕型冷彎薄壁鋼材來承受樓板荷載，模塊整體比較輕，主要的受力構件為建筑框架或者筒體結構，建筑空間規劃設計相對靈活。這種模塊單元適合超高層建筑工程。

（2）集成式廚衛單元

集成式廚衛單元主要包含兩個模塊，即衛生間和廚房集成單元，這兩個單元模塊實際上是建筑結構中最復雜的空間部位，這兩個結構單元的設計需要全面的考慮內部設備、結構裝飾設計以及空間組合等多個方面。

（3）附屬模塊單元

這個單元指的是模塊化建筑結構中的配屬構件，這個模塊單元需要和基礎模塊單元組合應用，例如屋頂單元、樓梯單元、電梯單元等，而這些附屬模塊既可以安裝在基礎模塊單元中，也可以單獨的進行結構設計，例如樓梯單元，而電梯、陽臺、屋頂等單元必須要獨立設計。

1.2模塊化結構體系

模塊化建筑鋼結構主要是由梁、柱以及樓板等模塊構成的盒子單元，結構設計需要滿足模塊標準化、互換性以及吊裝施工的具體的要求。自支撐結構和傳統的建筑鋼結構框架有很多相似之處，不同模塊之間按照剛性連接，通常是和4-8層的建筑，如果建筑層數過高則需要添加抗側力構件來保證結構穩定性；附加支撐構件模塊主要包括模塊化盒子、附加構件兩個方面，例如建筑模塊單元和傳統的建筑框架復合結構、模塊單元和板材復合結構、模塊單元和支撐構件復合結構三種類型；附加結構支撐模塊建筑荷載是由支撐結構來承載的，可以最大限度的突破高層建筑結構、防火以及使用性能等領域的問題，適用于40左右的高層建筑。

2、BIM技術在模塊化建筑結構設計中的應用

2.1基于BIM技術的模塊化建筑結構設計流程

相較于傳統的建筑結構設計來講，基于BIM技術的模塊化建筑結構設計不會過多的關注前提的設計準備，同時新增了結構模型協調以及二維結構視圖生成兩個環節，其結構設計流程圖如圖1所示：

從上圖可看出在確定建筑方案的時候就已經開始進行結構設計，所以通常在方案設計過程中會有專業的BIM模型，同時在二維視圖制作階段，BIM技術是通過建模來直接生成建筑結構二維視圖，所以并不是傳統意義上的二維制圖，其次在信息交換環節，建筑結構方案模型指的是建筑模型中完成結構構建的規劃，進而形成BIM模型來進行結構設計。

2.2基于BIM技術的模塊化建筑結構模型內容

基于BIM技術的模塊化建筑結構模型主要包括模型表達細度、信息含量以及模型構件范圍三個層次，首先建筑結構方案設計主要就是按照建筑整體設計方案以及內部的結構規劃來確定，具體內容包括模塊劃分、建筑結構受力體系、主要的受力結構構件對應的位置、荷載以及其他要素等；

其次建筑結構初步設計模型需要按照相關專業模型設計的要求，對建筑結構設計方案環節的模型做出相應的調整，這個階段需要利用BIM結構分析計算軟件來對建筑結構整體力學進行分析，進而確定具體的結構布置、構件尺寸以及其他信息；

再者模塊結構施工圖紙設計，內容主要有不同模塊之間的連接、單個模塊不同構件的尺寸、維護構件的確定以及不同節點的三維模型等，結構物理模型包含有模塊構件、節點、截面、荷載、材料選擇以及設計結果等，實際上就是在結構初步結構設計模型的前提下，利用多種專業協調設計來確定最完善的設計模型，不僅涉及到前后兩個設計階段的結構設計成果，同時還包括結構模型關聯以及模型管理，除了物理機構模型以外，還包括關聯信息，例如不同模塊之間的組合聯系、不同模塊構件之間的組合聯系、不同模型和相關視圖之間的組合聯系等，而管理方面的信息主要涉及到模型的所有者、不同模型版本等，施工圖紙設計模型主要是為后期的施工模擬以及經營管理提供基礎。

2.3模塊化建筑結構BIM軟件應用

BIM技術在模塊化建筑結構設計中的使用需要借助Revit軟件，利用Revit軟件來制定建模方案，具體來講首先需要在Revit軟件中創建初期結構模型，這個結構模型只包含不同模塊單元構件的尺寸等基礎信息，然后利用模型數據轉換程序將初期結構模型導入到結構分析軟件中，因為模塊化建筑結構涉及到的單元構件相對較多，所以分析計算軟件可以使用YJK，通過不同軟件之間的接口來進行模型轉換，對不同模塊結構進行整體計算和信息分析，之后將YJK軟件計算之后的模型傳輸給Revit軟件，借助Revit對轉換后的模型進行附加信息添加，再使用Navisworks軟件對以上構建的結構模型進行合并和協調，最后利用模塊化鋼結構深化分析軟件將不同節點以及結構規劃圖導出。

以具體的辦公樓建筑為例，Revit模型的建立首先需要輸入對應構件如墻體、柱、梁、板等的尺寸以及屬性，同時該軟件模型中還包括這些構件的修改參數，對于其他沒有的參數可以創建對應的用戶族庫；其次Revit模型中的平面建模需要通過軸網來定位，該工程豎向構件定位需要通過辦公樓建筑標高來確定，軸網間借助相鄰的圖元距離尺寸來定位；再者整個BIM建筑模型包括該辦公樓整體Revit模型和Revit結構模型兩個，根據這兩個結構模型以及工程設計要求得出該辦公室建筑的平面圖以及結構平面圖；最后是深化模型構建，主要是針對該辦公樓建筑模塊化設計的具體節點設計以及碰撞檢查出圖設計。

結論：

總的來說，BIM技術作為一種較為先進的技術，源于建筑行業，同時這種技術的應用也代表了建筑行業未來的一種發展趨勢和方向，模塊化建筑結構和BIM技術的結合將會在一定程度上提升建筑工程的集成化水平，尤其是在建筑結構設計方面，可以最大限度的實現綠色建筑設計，實現不同專業之間的協調，提高建筑施工質量。

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