基于BIM技術的天津某裝配式輕型木結構住宅的設計與建造

許良 鄭藝煒 張嘉軒

摘? ? 要：木材是一種建筑材料，是完全可以回收利用的可再生資源，具有布置靈活、經久耐用、施工周期短、經濟環(huán)保且易于改造維修的特點。本項目主要是對輕型木結構的建筑設計、木構架構造及連接方式等方面進行研究，采用BIM技術建立三維立體模型。以期對我國今后建設綠色環(huán)保的建筑體系提供指導意義。

關鍵詞：輕型木結構;BIM設計與裝配式;輕型木結構防護

1? 工程概況

1.1? 項目簡介

本項目主要是對天津市武清區(qū)針對于輕型木結構的結構、建筑設計、木構架構造及連接方式等方面進行研究，采用基于BIM技術建立三維立體模型與裝配式結合，設計成具有良好的環(huán)保性能、節(jié)能保溫性能、防火性能、設計靈活、改造方便并且可以實現(xiàn)工廠化生產和裝配化施工。對輕型木結構在設計、建造等全過程中可能遇到的問題及應對策略進行探討分析。

1.2? 氣象資料

天津市武清區(qū)位于中緯度，歐亞大陸東岸，北依燕山，東臨渤海，是北溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū)。冬季因為受到蒙古冷高壓影響，盛行西北風，天氣寒冷干燥;夏季受到西北太平洋副熱帶高壓影響，高溫多雨;春秋季為季風轉換期，天氣復雜多變，對于木材來說更適合于復雜的天氣情況。天津主要為大陸性氣候特征，但受渤海影響，沿海地區(qū)有時也顯現(xiàn)出海洋性氣候特征，海陸風現(xiàn)象比較明顯，且沿海地區(qū)日照豐富，年日照時2752小時，適合于光伏電板的使用。近年來，在夏季的降雨出現(xiàn)了減少的趨勢，導致水資源的短缺。

1.3? 地質資料

天津市武清區(qū)位于華北沉降帶的冀中凹陷，全區(qū)是平原地區(qū)地勢平坦海拔低，在武清區(qū)存在斷裂帶，控制著武清的地層分布，地面沉降和地震活動。主要地震以中小型地震為主，而木結構的穩(wěn)定性高，有比較好的抗震性能。巖層：巖土體的穩(wěn)定性影響建筑的地基，在武清北部多以低山丘陵為主，基巖裸露，以層狀巖石為主，穩(wěn)定性較好。水文：境內河流較多，貫穿整區(qū)匯入海中，地表水資源豐富，地下水儲存條件好，水位埋深淺。地形：有沖積平原，地面傾斜較為平緩，落差較小。土壤：主要包括砂土、沙壤、輕壤、中壤、重壤、粘土6類，以壤質土分部為主。在王慶坨一帶有較好的地熱資源。

2? 建筑設計

2.1? 平面設計

這棟建筑有設客廳、主臥、書房、廚房、衛(wèi)生間、車庫合理使用。設計集中突出合理性，舒適性。合理性表現(xiàn)為內外，動靜分明，各種管線集中：舒適性著重研究朝向、穿堂風、直接采光爭取一定寬度，保證建筑的良好采光。建筑的總長度為20.6m、寬度為13.15m，單個建筑體占地面積：270.59m2。建筑首層平面設計的尺寸如圖1所示，比例為1：1000。

2.2? 立面設計

在建筑立面設計中，集中體現(xiàn)了現(xiàn)代建筑的美，以現(xiàn)代、簡約充滿動感的風格形成了清新鮮明的個性。同時立面造型力圖清新淡雅又穩(wěn)重大方，烘托住宅區(qū)安逸的生活氣氛。在形體處理上注重高低錯落于體形的變化，材料一木材為主，墻面用高級涂料粉刷，局部配以涂料及玻璃，既表現(xiàn)了建筑體快的變化，又體現(xiàn)建筑節(jié)奏與韻律之美。

南立面：建筑高度為8.7m，建筑正中間有一個大門，兩邊都有一個大窗都用來保證采光的良好。側立面：大廳、主臥房間、書房等單窗口都是采用塑鋼窗。立面圖如圖2。

2.3? 剖面設計

立面設計我們遵循下面三個原則：（1）完整均衡、比較適當;（2）層次分明，交接明確;（3）體型簡潔，環(huán)境協(xié)調。

本建筑為主體兩層，第一層高度為3.5m，第二層高度為3.0m。防止建筑因不均勻沉降使地面降低，為了滿足使用功能要求，取室內外高差為750mm。出入口設有樓梯，以方便人流行走。兩層之間女兒墻高度為600mm。樓梯采用螺旋式樓梯。

2.4? 輕型木結構防火與防護

2.4.1? 防火

木材是可燃材料， 所以木結構建筑的防火顯得尤為重要。通過合理的防火設計和構造措施來控制火勢的蔓延， 使木結構建筑滿足防火要求。

本木結構建筑采取了兩種防火設計，一種是采用防火構造措施的方法，比如輕型木結構建筑采用防火石膏板對木材進行防火保護，防火石膏板其中的CaSO4、2H2O，不要小看這兩個結晶水，石膏板的結晶水是它防火的一個重要原因。石膏板受火時，先是板芯中的游離水分蒸發(fā)出來，吸收少量的熱量，降低板周的溫度。當溫度繼續(xù)升高，二水石膏的結晶水開始脫離，分解成石膏和水分，這個過程需要吸收大量的熱量，可以在比較長的時間里影響板面四周的溫升，也可以在密閉空間的部位采用連續(xù)的防火分隔措施。另外一種是通過在木材中加入阻燃劑，阻燃劑可以阻止木材的熱分解和釋放可燃氣體，比如木材阻燃劑成分中含有;磷-氮系、硼系、有機胺系、鹵素系等，當阻燃劑中的磷酸受熱時放出氨等惰性氣體沖淡氧氣及可燃體濃度而抑制氣相燃燒。含硼系化合物受熱熔成玻璃狀固體覆蓋在木材表面可以抑制燃燒，還具有一定的防腐、防蟲性能，這是利用協(xié)同作用和增效作用。

2.4.2? 防腐、防蟲

木材是有機材料遇水易腐爛，但是古有彥語說：“干兩千年，濕兩千年，不干不濕兩三年”，這就表明木材的耐久性取決于正確的處理方法。壓力處理法是我國最普遍和成熟的方法。將木材置于壓力容器中，通過真空泵將木材細胞中的空氣抽出;將容器中注滿防腐劑，利用真空效果使木材細胞吸入防腐劑，保持在理想的條件下木材的含水率小于20%，這樣在更大程度上進行了防腐也可以防潮。

利用硼類防腐劑進行防蟲處理，常用的有蹦砂、硼酸，其有防蟲作用，有效地預防白蟻、天牛、粉蠱等對木材的危害，且對木材的滲透性好，處理后能保持木材本色，并還有阻燃作用，沒有氣味，是一類非常安全、環(huán)保的木材防蟲劑。

2.4.3? 防潮

在木結構建筑中尤其關鍵，當木材長期處于潮濕環(huán)境時， 木材可能出現(xiàn)腐朽等問題。木結構建筑應進行合理的木結構防水防潮設計和采取相應的構造措施， 使木材處于干燥通風的環(huán)境， 根據(jù)木結構的不同部位， 采用不同的防潮措施。對基礎， 采用架空或者鋪設防潮層;對墻體， 設置挑檐， 在護墻板與墻面板之間鋪加排水面等;對屋面， 設置成坡屋面， 鋪設瓦片， 防水卷材， 泛水板等。

在此我們應用建筑細節(jié)設計使之利于排水，如面積較大面積的屋面挑檐，使雨水偏離建筑物;通過設計檐溝和落水管排水途徑式水在重力作用下流出建筑物護欄結構;木屋底部與基礎間設有隔離防潮層，濕氣無法入侵，木地板與混凝土基礎之間都設有架慨層，借助通風或蒸汽擴散排出積聚的濕氣。

3? BIM技術與裝配式

BIM繪制過程。BIM技術將設計方案、制造需求、安裝需求集成在BIM模型中，在實際建造前統(tǒng)籌考慮設計、制造、安裝的各種要求，把。實際制造、安裝過程中可能產生的問題提前消滅。模擬工廠加工的方式，以“預制構件模型”的方式來進行系統(tǒng)集成和表達，這就需要建立裝配式建筑的BIM構件庫。通過裝配式建筑BIM構件庫的建立，可以不斷增加BIM虛擬構件的數(shù)量、種類和規(guī)格，逐步構建標準化預制構件庫。在深化設計、構件生產、構件吊裝等階段，都將采用BIM（建筑信息模型）進行構件的模擬，碰撞檢驗與三維施工圖紙的繪制。

4? 總結

推進木結構建筑的部品化設計、標準化生產和裝配式建造可極大提高生產效率和經濟效益，是現(xiàn)代木結構住宅的發(fā)展趨勢。

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大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目：基于建筑信息模型的輕型木結構住宅設計研究，項目編號：201913898016

作者簡介：

許良（1999—）籍貫：廣西省，職業(yè)：北京科技大學天津學院大三在讀。