BIM技術在傳統建筑木結構施工中的應用

解萬生，王 瑾，張有志，王江平

(山西一建集團有限公司，山西 太原 030012)

1 工程概況

某工程占地面積約21 432m2，項目總建筑面積5 607.4m2。建設內容包括鼎盛中都陳列區、自然文化陳列區、旅游資源陳列區及配套附屬項目，共27個單體建筑。建筑屋面均采用筒板瓦屋面，包含5種等級，建筑高度 19.1m。

工程設計為明朝初期建筑，主要以木結構為主，單體建筑形制包含攢尖建筑、硬山建筑、懸山建筑、歇山建筑及廡殿建筑，采用傳統建筑結構施工方法。

2 工程難點分析

工程主要承重構件選用產自巴布新幾內亞的菠蘿格，價格高昂，木材密度大，紋理交錯，質地堅硬，入水即沉；加工進度慢、難度大，構件數量繁多，種類各異，僅大木作包含柱、梁、檁、枋、斗栱等構件40 595 個，涉及榫卯樣式40余種；干縮小，鋸、刨加工困難，木構件制作安裝難度較大，對工人專業水平要求較高。

因工期緊、結構復雜、木構件規格數量多，既要按圖紙及營造要求，同時又要減少損耗，降低成本要求，本工程將BIM技術應用于木構件制作、安裝階段，首先利用現有CAD圖紙應用Revit軟件進行1∶1 參數化建模同時優化節點榫卯，然后利用Inventor識別轉換軟件導出單個構件，導入UG軟件對單個構件進行參數化坐標設置并進行自動化加工，最后對加工好的木構件進行預拼裝。技術難點主要有以下4個方面。

1)掌握不同形制傳統建筑各構件營造工藝，熟悉各構件名稱、規格、做法，對柱、檁、梁、枋選材及下料，掌握木材當地平衡含水率，計算榫卯干縮變形量，確保達到平衡含水率時的榫卯拼接嚴絲合縫。

2)古建筑建模種類多、難度大，整體建模時，要有足夠空間想象能力，保證所建構件完整性，在榫卯深化優化時，首先要學習掌握古建筑各類榫卯，根據材料性能、抗震要求及建筑形制選擇特定榫卯連接方式，在建模過程中，不同構件因幾何特性不同，生成的方式亦不同，往往1個榫卯節點的優化要運用多種建模技巧且要注重建模順序，否則會適得其反。

3)根據加工木材特性，深化設計加工機械 在加工鐵件機床的基礎上進行重組，不斷優化改進，將數控機床改裝為專門對古建筑木構件加工服務的數控機床，如項目采用的五軸聯動加工中心、卡具自動避讓多功能曲線銑床等。

4)BIM模型轉換為數控程序語言 根據木構件特點，選擇相應的機器和刀具，將繪制的古建BIM模型通過Inventor軟件轉換到數控機床設備編程軟件中，對刀具及刀路路徑進行編程、預覽，達到BIM模型、數控機床編程、木構件三者的融合統一。

3 操作工藝流程

結合目前推廣的BIM裝配式技術，在保證工程施工質量的前提下，確保施工進度為首要任務，應用BIM技術與傳統按圖加工木構架相結合，可降低加工成本，提高施工效率。

3.1 按設計圖建立模型，深化、優化施工圖紙

首先使用Revit軟件建立1∶1木結構模型，解決木構件交圈及碰撞問題，優化木結構體系，確保木構件比例尺寸協調。

在Revit軟件中設置項目基點，將電子版CAD圖紙按平、立、剖、詳圖導成單獨文件導入建筑項目文件中的對應面，并調整其至相應參考線位置。對照平、立、剖面圖結合BIM建模相關規定，建立模型(見圖1)，使各構件參數信息反映至模型中。通過建立模型，即可分析出圖紙中可能存在的錯漏，及時向監理工程師反饋，協助設計院完善施工圖紙，亦可及時進行必要的變更簽證。本工程所有建筑均采用Revit參數化建模，總計40 595個木構件。

圖1 三維BIM大木架模型

3.2 深化設計榫卯，完成計算機會榫，制定木結構拼裝方案

根據工程概況、建筑形制、抗震要求、所用木材性能等因素，結合當地傳統木結構建筑施工技術，掌握地方及官式榫卯設計要點，制定節點榫卯方案。制定的榫卯方案須經專業技術人員分析確認，設計院應給出榫卯方案確定文件。

根據確定的榫卯方案文件，在木結構模型上對所有節點部位進行榫卯深化，并根據深化的榫卯模型，逐個節點進行計算機會榫工作，確保木構件拼裝質量(見圖2)。

圖2 深化、優化的榫卯節點

制定木結構拼裝方案，首先在軟件中將木構件明細表中加入體積參數，構件體積即可在明細表中顯示，結合所選材料對應密度計算出對應構件質量，協助項目選用合理的運輸及起重吊裝設備。

根據確定的相關參數和現場實際情況，應用BIM系列軟件制作木結構現場吊裝、拼裝模擬視頻，進一步明確起重機械型號、位置、木構件進廠順序、擺放位置、臨時固定、吊裝演示等情況，最大程度地縮短工期，保證木構件拼裝質量，最終形成木結構拼裝方案。

3.3 根據模型提量，制定原材料采購最優方案

提量分為2個部分：傳統建筑大木構件繁多，要提取每種類型構件數量；每個構件尺寸不同，要根據實際情況提取所需構件三維尺寸。這樣能精確計算出每種類型構件全部加工完成所需原材料，從而有效控制項目成本。

1)提取各類構件數量、尺寸以方便加工，首先將模型完全精準化，使用常規模型中的拉伸、旋轉、融合、放樣等10個命令基本可制作出傳統建筑所有結構類型。一些異形實體若不方便建立則可使用其他尺寸相符的類似形體代替，一些需雕刻花紋的面則只需建立外輪廓造型，木構件制作時，在對應位置進行深加工即可(此類構件亦可實現精細化建模，但在實際運用過程中實用性不高且浪費時間，因此一般均簡單處理)。此外，傳統建筑木構件、卯榫等要完全按專項方案執行，并且保證尺寸與工程實際相同，這樣才能方便后續模型參數的提取及后續加工。

具體方法為 ：將每種類型構件使用1個單獨族文件載入項目文件中，且按擬定的規律編排命名。然后在明細表中的“總計”一欄打鉤，常規模型明細表中要選擇字段“族與類型”，即可在明細表中統計出構件數目。

2)若要顯示構件尺寸至明細表中以方便后續配料及下料工作，則需在每個構件族文件制作過程中使用共享參數，定義構件實際下料過程中的長、寬、高、直徑等，并將顯示該尺寸的標注尺寸賦予該參數。將上述參數載入明細表中的字段中，即可顯示出構件詳細尺寸,也可導出至EXCEL表格中(見圖3)。需根據構件實際尺寸進行標注，不可漏標或標記錯位及標記至不合適的參照平面上。

圖3 常規模型明細表效果

部分構件在修改尺寸后，必須檢查所標注尺寸是否隨構件尺寸真實發生變化，若無則要修改尺寸標注，這樣才具有指導施工的意義，一些異形構件，要結合構件實際造型做尺寸標注，有些構件要考慮2個合并為1個加工的情況來進行標注。

精確的模型量可用來指導材料購買方案和細加工下料，木工師傅可根據材料形變特征及明細表上的詳細尺寸、數量計算出實際需要的木料工程量。采購人員可根據木工下料表靈活選取購買木料原材，提高出材率。

3.4 因材施作，確保木構件加工質量

根據確定的會榫方案及模型提量，確定對應木構件加工方法。2種方法如下。

1)提取單個木構件參數化模型，導出CAD二維詳圖，項目部技術人員核對詳圖尺寸準確性，結合木材性能選用合理的加工工具，對工人進行木構件加工的安全技術交底。由于BIM技術應用，實際操作時對工人專業技術水平要求不高，現場工人可直接按圖加工單個構件。由于匠人老齡化、技藝水平參差不齊，單個建筑全過程均由1個師傅畫線，使用1套杖桿，所有榫卯開設畫線均由1人掌控，存在復雜部位構件榫卯開設無法有效控制及提前會榫、過程控制薄弱等問題。

2)將BIM模型轉換至數控設備編程軟件中，設置對應刀具并對刀路路徑進行編程。將規格料在設備規定位置固定好，將程序指令輸入機器匹配好坐標點即可開始加工。通過運用數控機床，木構件加工效率、精確率得到了極大提升，誤差降低至1mm內。凡涉及木結構角梁的建筑，角梁在未經過二次加工的情況下，運抵現場后1h內完成了安裝，這種精確度在人工加工時極難達到，充分證明了機床可靠性，且大大提高畫線速度和準確率。

通過BIM技術應用，在該項目施工中的木料選用、開卯成功率得到很好預控，合格率為100%。充分證實了BIM技術應用實用性，同時加快了施工進度，減少了木材浪費，保護環境并節約了成本。

3.5 根據確定的木構件拼裝方案，現場實施拼裝

對加工好的木構件依據木構件拼裝視頻進行預拼裝，所有節點均與模型逐一對應，拼裝實現零誤差，在適應木材性能的基礎上，確保加工的木構件榫卯拼接質量。試拼裝完成的木構件，拆除后按集團相關規定統一編碼、分類碼放、打包運至施工現場做好成品保護工作，木構件拼裝前按拼裝視頻對相關人員進行技術交底，明確相關職責及注意事項，嚴格按拼裝方案進行吊裝，必須依據吊裝安全技術交底固定木構件吊裝過程中的單個構件，臨時固定必須牢靠，確保木構件位置準確，榫卯連接牢靠。現場拼裝完成效果如圖4所示。

圖4 現場拼裝完成效果

4 安全、質量保證措施

1)各級安全生產責任制與安全內業管理執行企業有關標準，各項經濟承包有明確的安全指標和經濟獎罰措施，健全各級安全生產責任制。

2)完善項目質量保證體系，做到組織落實、人員落實，貫徹質量責任制，明確工作職責。進行質量意識教育，樹立質優我榮、質劣我恥的思想意識。發揮項目質量管理體系的監督管理控制職能作用。

3)為保證質量目標的實現，施工前做好主要分部分項工程質量策劃，針對常見質量問題，有的放失地提出解決和預防措施。將質量問題消除在初期，以保證實現預定目標。

4)密切關注定位放線、材質檢驗、成品保護、技術交底、施工控制等主要過程，嚴把技術復核制度的落實。

5)堅持三檢制、樣板制，每道工序施工前做好樣板間作為工程標準，工序交接做到“三檢”控制。堅持質量驗收管理方法。

6)機電設備專人操作，防護裝置要標準，一機一閘，閘箱上鎖，閘箱有防潮防雨設施，杜絕機構傷害及電氣傷害事故。

7)提高所有施工人員成品保護意識教育，養成保護成品、愛護成品的習慣。施工前編制詳細成品保護方案，做到責任到人。做好各種工序及工種之間協調工作，避免破壞其他工種成品，要求將成品保護措施寫入相應技術交底中。

8)防腐施工操作人員必須佩戴防塵口罩、防護眼鏡等必要的防護用品。

9)合理布置滅火器材，并派人定期檢查，確保有效；消防通道要保持暢通。木料加工區和存放區的防火應安排專人不定時巡檢。

5 工程實施效果

傳統建筑木構件智能化加工技術遵循營造法則，利用Revit軟件精確繪制BIM模型，通過對族文件編排和共享參數設置，可顯示并匯總出各構件實際下料尺寸，再配以材料變形特征即可算出損耗率最低的毛料尺寸，精確控制材料損耗。

利用BIM技術輔助古建筑施工現場設計，將傳統技藝轉變為精細的BIM模型，實現木構件榫卯的可視化，預先拼裝，達到節點優化。進行碰撞試驗，將榫卯節點連接結合更加吻合，實現柱、梁、枋等木制構件精確計算。

經檢驗，工程質量符合設計要求及規范規定，并大大減少了人力投入，降低了施工成本，減少了損耗。所有大木構件統一加工，材料可根據實際情況在滿足要求的同時合理利用，避免浪費，數控機床代替工人放樣畫線，曲線銑床及刻槽一體機代替人工加工木構件，且準確率高。保證了結構安全性及仿古建筑屋面整體美觀性，滿足了古建筑大木構架使用功能，保證了工程質量。建成效果如圖5所示。

圖5 建成效果

6 結語

目前，BIM技術應用在本項目實施前期起到舉足輕重的作用，能很好地對傳統建筑技術參數進行儲備，結合相應軟件對結構做合理分析，更好地優化木結構方案，指導木構件加工、拼裝。若要BIM技術更好地應用于傳統建筑全生命周期，除了施工深化，還需在項目決策階段掌握不同朝代對應地域建筑風格、榫卯特征、傳統文化等要素，這樣才能更好地做好傳統建筑及傳統文化傳承。