轻型木结构是指由木构架墙、木楼盖和木屋盖系统构成的单层或多层建筑结构，其结构构件由间距较密的规格材和覆面材料用钉子连接而成，具有建筑综合能耗低、建筑材料环境友好、抗震性能突出等优点，在北美、欧洲等地区广泛使用，是一种重要的木结构房屋体系^[1]. 我国在轻型木结构房屋研究方面起步较晚，因缺失相配套的加工技术，多数木构件的制作仍需进口建造用材^[2]，木结构相关产品的技术落后及工业化水平低制约了轻型木结构的发展^[3-4]. 创新技术逐渐应用于建筑行业，而木结构建筑还延续传统工艺^[5]. 国内轻型木结构住宅标准化程度低于相对成熟的国家^[6]，在设计与建造过程中存在信息化和可视化程度低、加工尺寸不规范的问题. 推进木结构建筑的部品化设计、标准化生产和装配式建造可极大提高生产效率和经济效益，是现代木结构住宅的发展趋势^[7-8].

建筑信息建模（building information modeling, BIM）技术在建设工程中具有三维可视化、信息化管理和各阶段协同工作等优势，近年来在钢筋混凝土和钢结构中得到了一定程度的应用，BIM技术在木结构领域还未得到足够重视^[5]. 作为设计、施工、管理的统一工作平台^[9]，BIM技术可以针对建造的具体工序、流程进行优化设计，并通过其可视化的特点，直观地展示优化结果、指导施工^[10-11]. 将BIM技术与木结构进行深度结合，有利于提高设计建造效率、装配式建筑水平，有利于全生命周期维护和管理. 目前，将BIM技术应用于木结构古建筑保护的研究较多^[12-13]，而在现代轻型木结构建筑中，BIM技术应用还较少^[14].

装配式木结构建筑宜采用BIM技术，应满足全专业、全过程信息化管理的要求^[15]. 本文从装配产品的视角出发，借鉴变型设计的思想^[16]，探索BIM技术在现代轻型木结构设计、建造和信息管理中的一体化应用. 通过Revit软件建立模块化部品的三维模型，将材性、耐火、尺寸、安装等关键信息赋予模块化部品，分类编码后形成信息化的BIM族库，通过与有限元软件ABAQUS对接进行力学分析. 以模数化网格的构造方式，绘制出与部品匹配的单、双线模数网格，提出与BIM族库相匹配的部品组合方法，实现轻型木结构的变型设计，快速满足不同的设计要求. 通过案例分析BIM族库和模块化部品组合方法的可行性，提出相应的设计建造方法流程，为现代轻型木结构的建造与管理的信息化和标准化提供应用指导.

1 部品建筑信息建模(BIM)模型 1.1 部品BIM

部品是由工厂生产，构成外围护系统、设备与管线系统、内装系统的建筑单一产品或复合产品组装而成的功能单元的统称^[15]. 标准化设计和生产的木结构部品是轻型木结构住宅工业化的基础之一，以模块化部品为基本的建造单位，将轻型木结构住宅的承重结构分为墙体、楼盖和屋盖. 针对墙体和楼盖部品进行模块化设计，墙体主要分为内墙和外墙，楼盖分为底层和上层楼盖.

部品主要由规格材、木基结构板材和石膏板组成，在加工过程中对规格材料进行裁切，以最小的裁切废料为目标，以产生最优化的材料使用，定义目标函数：

${\rm O}.{\rm F}. = \min \left\{ {{W_1},{W_2}, \cdots ,{W_d}} \right\}; \,\, d = 1,2, \cdots ,N,$

(1)

其中，W_d代表设计方案d对应的废料量，设计方案总数为N. 对于含门窗洞口的墙体，把墙体的板材记为k_i，门、窗洞口记为H_j，对板材与洞口进行差值运算，可以得到墙体总的板材用量:

$K = \sum\limits_{i = 1}^{N'}\, {{k_i}} - \bigcup\limits_{j = 1}^m \,{{H_j}} .$

(2)

式中：i为板材的块数，j为洞口的个数. 据此操作可得一个较合理的裁切加工方案.

以低层和小跨度的轻型木结构为例，依据上述裁切原则和《木结构设计规范》(GB50005-2003)对轻型木结构的构件材质等级与尺寸的规定，选取目测等级为Vc的38 mm×140 mm SPF规格材作为墙体的墙骨柱和梁板、楼盖的搁栅，选取目测等级不低于Ⅲc的38 mm×89 mm SPF规格材作为轻型木桁架. 选取1 220 mm×2 440 mm×12 mm OSB板作为墙体外墙面板、楼盖面板和屋面板，选取1 220 mm×2 440 mm×12 mm纸面石膏板作为墙体内墙面板. OSB板2个方向的受力性能不一，12 mm厚度的OSB板垂直方向的静曲强度与弹性模量约为平行方向的1/2. 因此，用于墙体和屋面板的OSB板除了满足尺寸优化选择原则外，尽量采用平行裁剪，即沿2 440 mm方向裁剪，使得OSB板平行方向作为受力方向. 用于屋面板的OSB板在裁剪方向上不作限制. 图1给出了一种外墙部品的构造平面图，墙骨柱轴线间距为610 mm，整体厚×宽为164 mm×1 239 mm. 墙体竖向由3块厚38 mm的梁板和1根高度2 500 mm的骨柱组成. 因此墙体部品高度统一为2 614 mm，厚度为164 mm，墙骨柱轴线间距为610 mm，而宽度根据不同墙体类型进行调整，这样的构造形式既符合设计规范的规定，也可以减少各项材料的裁切，故本文设610 mm为部品的基本模数(1 M).

对于墙体部品，在建筑信息模型设计软件Revit中使用创建族功能，在平面视图绘制出墙骨柱和顶梁板的轮廓，通过拉伸来确定墙体的高度，在三维视图中检查墙体连接细节是否完整，如图2(a)所示. 对于木桁架部品，使用参数化设计，通过设置参考平面并与桁架边缘锁定对齐，将木桁架的坡度角、跨度和弦杆截面长宽等关键构造信息集成于部品属性中，通过修改参数即可改变桁架形式，极大地提高了设计效率. 对于构造复杂的部品，以不同颜色区分细部构造，能解决二维设计图纸复杂、设计交底困难的问题，便于实际制造和施工^[17]. 在Revit中，按照门窗族的概念，门窗可以直接置于墙体上，并自动生成洞口，但是轻型木结构墙体内部还有骨柱和梁板，无法直接做到插入门窗即自动生成内部构造. 因此本文直接设计类似墙体的门、窗墙体，将门和窗视为开洞口的墙体，进行三维建模和管理，如图2(b)所示，参数属性中增加洞口尺寸的描述，其余与墙体部品相似.

1.2 部品BIM模型管理

为了实现信息传递的高效性，更好地对住宅部品进行全生命周期信息化管理，对部品进行标准化分类与管理，将部品的大量信息简化成编码. Revit提供的构件、图元管理功能较为简单，没有一定的规范标准，图元的ID只是便于查找. 本文编码对部品的描述、标识、分类及排序更加精细，进而对部品的建筑信息进行系统化、智能化管理. 在实体部品加工与安装的过程中，部品编码作为建筑部品实体产品的标识，是连接“信息”与“物质”的重要方式.

1）部品的分类体系。

“住建部住宅产业化促进中心”（以下简称“中心”），提出了住宅部品分类与编码方法的初步建议^[18]。本文在“中心”建议的基础上建立住宅部品分类体系. 轻型木结构建筑体系主要由墙、楼板与屋面桁架等部品组成，第1层级按照“中心”的分类方法，墙体和楼盖部品隶属于J10支撑结构分类^[18]. 第2层级根据功能或部位将部品分为墙、板、梯等. 轻型木结构建筑虽然其主体结构都是木质材料，考虑到其他部分，比如门、窗等，可使用金属材料，故第3层级按材料划分. 第4层级进一步细化其功能作用和具体部位，比如墙部品又可分为长部品与短部品.

2）部品编码。

按照上述规则对模块化部品编码，通过编码可以了解部品的功能. 专用码区别同一项目与之完全相同的部品，通用码描述部品本身的类型、材料等信息. 以一个连续外墙部品（长）为例，通用码J10_LW_W_01由4个部分组成，如图3所示，J10是部品类型，表示该部品为支撑结构；LW是部品代号，为连续外墙部品的字母缩写；W是部品材料，表示该部品为木质结构；01是序列号，表示为该类别部品中的具体型号. 专用码由2部分组成，0110304用来表示部品的单体、区域和楼层信息，代表该部品位于第011号住宅单元体的03区04层；02是该部品的个体层，表示该部品在该楼层的定位序号.

1.3 部品BIM模型信息

部品模型信息化是BIM技术应用的重要特点，构件信息过于简单将不能满足应用需求，过于精细会带来无效劳动及影响应用效率. 本文根据实际工程不同阶段的应用特点赋予构件必要的信息，深度遵循“适度的原则”^[19]，在不同阶段体现不同深度，在能够满足BIM应用需求的基础上最大限度地简化BIM构件.

轻型木结构住宅建筑设计制造的关键流程包括合理的模块划分、制造生产、现场组装和节点连接设计^[20]，表1给出了各个关键流程的具体内容、特点和模型信息. 轻型木结构住宅建筑设计制造的关键流程对应3个深度等级：1）深度1级，模块划分阶段，部品信息需包含主要尺寸信息. 2）深度2级，制造生产阶段，部品信息需具备指导加工的水平. 3）深度3级，现场组装阶段，部品信息需具备指导施工的水平.

图 4 为连续外墙部品族在 Revit 中类型属性图，该模型所集成的所有信息，不仅包括木材产地、耐火极限、生产厂家等材料信息，还包括墙体尺寸、施工位置、安装手册、节点做法等几何和技术信息.

1.4 部品BIM族库

由于木结构部品多种多样，尺寸不尽相同，现有的木结构设计大多是依靠设计人员经验，在软件提供的几个方案里进行选择，造成了大量的裁切浪费，无形中增加了建造成本. 因此，建立模块化、标准化的部品BIM构件库，有利于减少浪费、降低成本. 同时三维可视化的BIM族库实现了“所见即所得”，提高了工作效率.

本文构建的BIM构件库，主要包括预制墙体部品、楼盖部品和桁架部品，详见表2 族库中预制墙体有5种外墙部品和8种内墙部品，主要包括带门窗洞口墙体、基本连续墙体、脚部外墙体. 预制楼盖有4种尺寸的底层楼盖部品和上层楼盖部品，楼盖上方均含2层厚度为12 mm的OSB板. 底层楼盖下方直接与地梁板相连接，上层楼盖的下方覆盖厚度为12 mm的防火石膏板，故上层楼盖厚度比底层楼盖多出12 mm. 楼盖部品的搁栅尺寸为38 mm×140 mm，所有楼盖部品中的格栅间距均为610 mm. 预制桁架采用芬克式，桁架跨度与建筑宽度一致.

1.5 部品力学性能分析

BIM模型的结构分析多应用于混凝土结构与钢结构. 通过Revit软件，轻型木结构的所有结构部品在建模之后，可以通过不同软件的导出功能较好地与结构分析软件对接^[21]. 剪力墙是轻型木结构中抵抗风荷载、地震作用等水平力的主要构件，其抗侧力性能是木结构整体抗震性能的关键因素. 目前，对于轻型木结构抗震的研究主要是研究剪力墙的抗侧性能^[22-23]. 因此，本文以墙体部品对接ABAQUS进行抗侧力性能分析为例，说明BIM技术在木结构力学性能分析中的通用性. 具体步骤如下：1）从Revit中将部品导出为.sat数据格式，但这种格式直接导入ABAQUS中有可能产生缺陷. 2）将.sat文件导入到CAD软件中，再次导出为.iges格式文件. 3）打开ABAQUS，导入由CAD软件导出的.iges文件，即可得到与原模型一致的力学分析模型.

导入ABAQUS后的模型100%还原了Revit模型的细部构造，如图5所示，墙体的梁板、骨柱及面板均可在软件中定义其材料属性及边界条件.

轻型木结构的构件之间的连接主要为钉连接，通过定义一系列的弹簧单元特性来模拟钉节点非线性性能^[22-23]. 在ABAQUS中设定边界和荷载条件，可得到部品的应力和位移，模拟部品在不同工况下的受力特性. 图6为墙体部品在施加侧向力时整体变形云图，以此确定结构受力合理性和安全性.

2 模数化网格及模块组合

在前一节构建的BIM族库基础上，考虑使用功能布局，通过模数化网格的构造方式，本节提出一套与前述部品族库相匹配的装配式建筑构造方法，实现轻型木结构的变型设计，快速、便捷地满足设计要求.

2.1 模数化网格

建筑模数以模数化网格的形式，将不同材料、不同形式的构件组合在一起，使得构件拥有一定的通用性和互换性，有利于木结构的工业化生产和装配式施工. 为使住宅灵活多变，模数网格采用单、双线混合网格，如图7所示，双线网格为实线，网格宽度为164 mm，对应墙体厚度，通过界面定位法来放置墙体，双线网格的中心虚线为单线网格，单线间距为610 mm，对应1.1节中的基本模数1 M，通过中心线定位法来确定墙体部品水平轴线，确保每个墙体的墙骨柱中心线与单线网格对齐.

对于轻型木结构住宅，其单层面积一般在20 ~ 150 m²，且为长宽相近的矩形形式，建筑宽度通常为4 ~ 12 m. 在该水平网格模数中，网格边界长度皆为基本模数(1 M)的倍数，表示为

$L = n \times {{M }}; \,\, n \in \left[ {7,8, \cdots ,20} \right].$

(3)

因此，外墙体长度尺寸可表示为n×610 mm，内墙长度可表示为

$L = 446{\rm{ }} \times 2 + n \times {{M }};\,\, n \in \left[ {5,6, \cdots ,18} \right]{\rm{}}.$

(4)

从而适配了之前所建立的部品构造尺寸，也避免了墙体规格的复杂化.

2.2 模块组合

在模块化部品组合方面，以往的研究提出，以若干格子的形式继续构造模块化房间，通过房间的组合实现构造木结构住宅. 然而实际操作发现，通过房间组合的方式，由于房间尺寸不一，难以便捷地组合出边界尺寸规整的木结构建筑. 本文借鉴钢结构住宅户型组合规律，通过排列若干标准尺寸的结构模块，实现对住宅的平面布置，可以快速地组合出需要的户型.

将交通空间置于居住平面的中间，连接两翼的结构模块，使得交通功能为主线，带动其他功能空间，如图8所示. 平面布局方式将中间的交通空间定为边缘带，两边的其他功能空间定为区带，而区带宽度则由结构模块的尺寸而定，其他功能空间在固定的区带内可以有多种组合方式. 根据该区带方法构建4种结构模块，考虑到房间最小宽度，将模块宽度统一设为2 440 mm (4 M)，按本文结构模块以2~5块叠加，组合出的建筑宽度为4 880、7 320、9 760和12 200 mm，满足建筑参数要求. 每个结构模块长度为基本模数(1 M)的倍数，并根据不同的尺寸进行编号，M6：6 M×4 M；M7：7 M×4 M；M8：8 M×4 M；M9：9 M×4 M.

组合模块的方法设置为2种，即横向排列和竖向排列. 横向排列由横向固定模块M1（2 440 mm×相应户型进深）组成交通过渡空间，将固定模块放置于M6、M8结构模块中，形成M6+M1+M8横向户型，如图9所示. 在此基础上对房间功能进行分配. 结构模块可以根据实际需求进行替换，从而满足住宅的居住需求和工业化生产.

竖向排列由竖向固定模块M2（相应户型宽度×2 440 mm）组成交通过渡空间，再和M6以及M8 两个结构模块进行组合，形成M6+M2+M8竖向户型，如图10所示. 此外，进行一些针对性修改，例如在此户型中，除去右下方的转角，该空余空间可作为露台使用，增加了户型的多样性.

3 案例分析

为验证所述理论可行性，按照M6+M1+M8横向户型（尺寸为7 320 mm×10 980 mm），构建面积约为80 m²的轻型木结构住宅.

3.1 住宅墙体部品布置

BIM建筑模型由部品组合而成，详细的部品连接信息是获得精准建造信息的关键. 木结构BIM模型不同于混凝土和钢结构，软件无法自动识别部品连接（接触）逻辑. 本文以墙体部品连接为例说明BIM模型的连接关系. 常见的墙体部品连接类型有“T-”，“L-”和“+”型^[14]，相邻墙体接触关系需满足：墙体实体部分没有重叠，即满足式(5)，相邻2个面的外法线向量乘积为–1，即满足式(6)，相邻墙体共用一个接触面，即满足式(7). 当相邻墙体连接角度为180°，即平行连接，同样满足式(5)~(7)的要求，如图11所示.

${B_1} \cap {B_2} = \varnothing ,$

(5)

${{{V}}_1} \cdot {{{V}}_2} = - 1,$

(6)

${F_{{\rm{end}},1}} \cap {F_{\rm {start},2}} \ne \varnothing.$

(7)

其中，B₁和B₂代表2个相邻部品的体积，V₁和V₂代表各自接触面外法线向量，F_end,1和F_start,2分别表示相邻2个部品的终止和起始端面.

墙体的连接类型决定了BIM建模的逻辑. 首先布置外墙部品，住宅对角选取2种脚部外墙部品，分别为平面内的左上右下处和右上左下处，再选取若干外墙体和内墙体部品进行拼接组合，具体布置如图11所示. 图12模拟了墙体布置过程，并给出了脚部墙体部品构造的详图.

3.2 楼盖与桁架部品布置

如图13所示，依据7 320 mm×10 980 mm的建筑尺寸，对该建筑楼盖部品进行布置，为保证楼盖整体性，应注意使上、下楼盖接缝错开，并在结构模块装配节点处设置金属连接件，提高连接点的能耗性，增强整体的抗震性能.

桁架形式选取芬克式，SPF规格材为构件材料，桁架跨度与建筑宽度一致，为7320 mm，高度为1941 mm，坡角为26°. 屋面板使用1 220 mm×2 440 mm×12 mm OSB板，布置时使接缝错开，如图14所示，并应减少裁剪废料，遵循1.1节中的尺寸优化原则.

3.3 BIM虚拟建造

如图15所示，根据本文建立的BIM族库，依次按墙体、楼盖、桁架和屋面板进行虚拟建造，对复杂构造和关键节点的模拟可作为实际建造的指导，及时优化制造和建造方案.

具体部品型号和数量可以通过BIM软件中的构件明细表查看，如图16所示，进而与进度、成本关联，实现多维度项目管理，打破了建造与房屋信息脱节的常规模式，最终对轻型木结构的木材来源、构件预制加工、建筑设计、用料数量、建造过程模拟以及后期运维进行全面信息支撑和记录，图17说明了案例方法的实现流程.

4 结　论

（1）优化了部品模块化理论，将门窗以墙体形式进行模块化，提出了不同部品的模块化参数，对于减少裁切浪费、减低成本十分必要.

（2）基于BIM技术，构建了相应的模块化轻型木结构住宅部品信息模型，并对其进行分类与编码，最终形成了轻型木结构住宅部品BIM族库，为轻型木结构设计、计算、建造和管理奠定了基础.

（3）提出了模块化轻型木结构住宅部品匹配的单、双线混合模数网格，在此基础上提出了M6、M7、M8和M9共4种不同尺寸的结构模块，为建筑空间布局提供了模块基础.

（4）提出了横向和竖向2套模块组合建筑方案和相应的空间功能布局方案，以M6+M1+M8户型为例，在Revit中进行了模型验证.

本文方法可以为木结构工程的设计、计算、加工与建造提供参考，在实现简洁快速生产的同时，最大限度地满足业主体验需求，为现代轻型木结构住宅的工业化建造与信息化管理提供了应用指导.