數(shù)字時(shí)代的建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)方法思考

程 姜 王 凱

(1.重慶三峽學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，重慶 404100; 2. 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

數(shù)字時(shí)代的建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)方法思考

程 姜1王 凱2

(1.重慶三峽學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，重慶 404100; 2. 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

建筑模數(shù)化在我國古代廣泛使用， 隨著設(shè)計(jì)手段的不斷進(jìn)步，新技術(shù)為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路帶來更多的可能性。文章從模數(shù)起源展開思考，引申到基于建筑信息模型的模數(shù)設(shè)計(jì)方法，并提出了一些思路。

模數(shù);建筑設(shè)計(jì);建筑信息模型

1 前 言

建筑模數(shù)，古來有之?！墩f文》一書中這樣寫到：“模，法也，數(shù)，計(jì)也”。在中國傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中,已經(jīng)對(duì)建筑模數(shù)進(jìn)行了大量探索，宋代營造法式大木作中“材”、清代“斗口”其實(shí)都是模數(shù)的體現(xiàn)。近代的比米斯模數(shù)、勒·柯布西耶模數(shù)、雷納級(jí)數(shù)，對(duì)現(xiàn)代建筑模數(shù)數(shù)列中的疊加原則、倍數(shù)原理、優(yōu)選尺寸等都起過重大影響。上個(gè)世紀(jì)70年代，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織房屋建筑技術(shù)委員會(huì) (ISO/TC59) 亦陸續(xù)公布了有關(guān)建筑模數(shù)的一系列規(guī)定。

模數(shù)作為一種設(shè)計(jì)思路，在現(xiàn)代建筑學(xué)領(lǐng)域里越來越受到重視，通過模數(shù)秩序手段，使建筑設(shè)計(jì)更好地適應(yīng)當(dāng)代需求，促進(jìn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和建筑工業(yè)化，從而減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。

隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，建筑領(lǐng)域出現(xiàn)了以建筑信息模型(Building Information Model，BIM)為代表的新設(shè)計(jì)工具。建筑信息模型基于參數(shù)化、構(gòu)件化的設(shè)計(jì)方式，對(duì)于模數(shù)設(shè)計(jì)而言，是一條有效的途徑。

2 基于建筑信息模型的建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 基本模數(shù)策略

模數(shù)在設(shè)計(jì)的運(yùn)用中，最簡單的方式就是選擇一個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵模數(shù)，并通過這個(gè)模數(shù)與不同的體塊相聯(lián)系。理想的模數(shù)應(yīng)當(dāng)從始至終貫穿于建筑的設(shè)計(jì)及建造過程中，例如，將軸網(wǎng)尺寸設(shè)置為重點(diǎn)模數(shù)，再將層高的尺寸、外立面飾面設(shè)置成與軸網(wǎng)、層高尺寸相關(guān)倍數(shù)的尺寸等，以此類推，完成從整體到細(xì)節(jié)模數(shù)策劃。

圖1 基本模數(shù)策略

2.2 三維模數(shù)網(wǎng)格策略

通過設(shè)置BIM三維模數(shù)網(wǎng)格來進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)更加規(guī)整設(shè)計(jì)。三維模數(shù)網(wǎng)格中的模數(shù)，除了作為設(shè)計(jì)的度量依據(jù)外，還起到?jīng)Q定每個(gè)建筑構(gòu)件配件的精確尺寸和確定每個(gè)組成部分在建筑中的定位作用。

三維模數(shù)網(wǎng)格包含水平模數(shù)和豎向模數(shù)網(wǎng)格。可以依其作用分成建筑模數(shù)網(wǎng)、結(jié)構(gòu)模數(shù)網(wǎng)格和裝飾模數(shù)網(wǎng)格。建筑模數(shù)網(wǎng)是用來作為空間劃分的依據(jù)，而結(jié)構(gòu)模數(shù)網(wǎng)格則是作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合的依據(jù)，裝飾模數(shù)網(wǎng)格作為家具和內(nèi)裝的依據(jù)。

2.3 三維構(gòu)件設(shè)計(jì)策略

BIM具有“構(gòu)件”的概念，即設(shè)計(jì)平臺(tái)中所有的圖元都基于構(gòu)件模塊。BIM的構(gòu)件模塊包含了初始對(duì)象的識(shí)別信息，例如：墻、梁、樓板、柱、門窗、樓梯等等，基本涵蓋建筑構(gòu)件的各個(gè)種類。不同的構(gòu)件具有不同的初始參數(shù)和信息。如：標(biāo)準(zhǔn)矩形梁有截面尺寸和長度等信息。后期，可以利用這些信息用來統(tǒng)計(jì)和性能化分析。除了，標(biāo)準(zhǔn)的“構(gòu)件”之外，也可以自定義較特殊的“構(gòu)件”，通過多個(gè)項(xiàng)目的積累，可以使得設(shè)計(jì)構(gòu)件庫變得更加豐富。

2.4 參數(shù)化策略

參數(shù)化就是將建筑設(shè)計(jì)的要素都變成某個(gè)函數(shù)的變量，通過改變函數(shù)算法，獲得不同的建筑設(shè)計(jì)方案，簡單理解為一種可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案的方法。BIM的參數(shù)化策略通常包含三個(gè)層次：

(1)基于尺寸參數(shù)化策略，BIM的構(gòu)件可以包含長度、角度、面積、體積、半徑、弧長等尺寸參數(shù)，可在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)模數(shù)需要而改變。同一個(gè)構(gòu)件變化時(shí)，項(xiàng)目中所有同樣的構(gòu)件都會(huì)自動(dòng)更新，減少修改工作。

圖2 基本模數(shù)策略

圖3 BIM構(gòu)件庫

圖4 參數(shù)化策略

(2)基于變量參數(shù)化策略，實(shí)質(zhì)上是尺寸策略的進(jìn)一步拓展，方法是將特定的設(shè)計(jì)要素，如尺寸、約束條件、工程計(jì)算條件等設(shè)為設(shè)計(jì)變量。通過人為定義這些變量之間的邏輯關(guān)系式，而使設(shè)計(jì)參數(shù)互相影響，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化模數(shù)設(shè)計(jì)。

(3)關(guān)系式驅(qū)動(dòng)參數(shù)化策略，通過建立數(shù)學(xué)表達(dá)式來反映參數(shù)(尺度)之間的關(guān)系，這種數(shù)學(xué)關(guān)系本質(zhì)上就是一種模數(shù)，關(guān)系式發(fā)生變化以后，模型也將跟著發(fā)生變化。BIM可以調(diào)用各種數(shù)學(xué)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。關(guān)系式驅(qū)動(dòng)參數(shù)化策略可以實(shí)現(xiàn)多種方案的快速比選。

2.5 模塊化設(shè)計(jì)

模數(shù)是模塊化設(shè)計(jì)的前提，模塊化設(shè)計(jì)實(shí)模數(shù)設(shè)計(jì)的拓展。模塊化設(shè)計(jì)通常應(yīng)用于裝配式建筑，簡單地說就是將設(shè)計(jì)模數(shù)的構(gòu)件組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的單元，將這個(gè)子單元作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的單元，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列組合。模塊化設(shè)計(jì)有著相對(duì)獨(dú)立性、互換性、通用性這三大特征。模塊是構(gòu)件的集成的產(chǎn)物，屬于成套實(shí)用技術(shù)。通過BIM將常要遇到各種專門化建造技術(shù)，如：防水技術(shù)、排煙通風(fēng)道技術(shù)、輕質(zhì)隔墻技術(shù)、保溫隔熱技術(shù)等實(shí)用技術(shù)模塊成套化。

可以通過項(xiàng)目積累一批標(biāo)準(zhǔn)化功能空間模塊，如衛(wèi)生間、辦公室、走道、樓梯間、電梯井等。BIM的模塊可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求發(fā)生自適應(yīng)性變化，能夠?qū)崿F(xiàn)多重邏輯聯(lián)系。甚至可以將一些建筑設(shè)計(jì)規(guī)則賦予到BIM參數(shù)驅(qū)動(dòng)中，系統(tǒng)自動(dòng)給出解決方案。

圖5 功能模塊

圖6 功能模塊組合

2.6 后期模數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，往往前期不需要充分考慮表皮或較細(xì)的模數(shù)設(shè)計(jì)，需要在后期進(jìn)行模數(shù)優(yōu)化。目的是使其在滿足建筑規(guī)劃效果的基礎(chǔ)上，盡可能模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)整化，減少成本和易于施工。常見的有幕墻分格優(yōu)化、裝配式構(gòu)件拆分優(yōu)化等，優(yōu)化要考慮很多方面，設(shè)計(jì)規(guī)范、材料規(guī)格、材料強(qiáng)度剛度、室內(nèi)房間布置、防火分區(qū)、經(jīng)濟(jì)性等，通過BIM的參數(shù)化、集成性能模擬特性可以綜合地考慮設(shè)計(jì)條件，系統(tǒng)地完成優(yōu)化工作，做出更明智的優(yōu)化方案。

3 結(jié)論

建筑信息模型為代表的數(shù)字化時(shí)代新設(shè)計(jì)工具，拓展了建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)的可能性。建筑造型得以向更自由、 更多變、 更合理的方向發(fā)展。建筑師的設(shè)計(jì)過程已經(jīng)不再是單方向?qū)δ芤蟮臐M足，也不僅僅停留在模數(shù)的刻板套用，而是致力于追求對(duì)新的使用要求的融合。相信通過建筑信息模型的應(yīng)用 ，使得模數(shù)化設(shè)計(jì)更理性化，圖紙表達(dá)更高效化、精確化，建筑師可以將精力更多地放在設(shè)計(jì)本身。

[1]陳志華.外國建筑史[M].中國建筑工業(yè)出版社，2004:34-36.

[2]中華人民共和國建設(shè)部. 建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5002-2013)[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，2013:11-12.

[3]王凱.國外BIM標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2013,5(1):6-16.

[4]袁烽,尼爾.里奇.建筑數(shù)字化建造[M]. 同濟(jì)大學(xué)出版社,2012:40-45.

An Exploration of Architectural Modulus Design in Digital Era

Cheng Jiang1，Wang Kai2

(1.CollegeofFineArts,ChongqingThreeGorgesUniversity,Chongqing404100,China;2.EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.,Shanghai200041,China)

Architectural modularization was widely applied in ancient Chinese architecture. With the development of design methods, new technologies bring more possibilities to traditional modulus method. In this article, the author shows some ideas about how to apply building information model in modulus design.

Modularity; Architectural Design; Building Information Model

程姜(1985-)，女，碩士，室內(nèi)建筑師、資深室內(nèi)設(shè)計(jì)師, 李瑋珉建筑師事務(wù)所室內(nèi)設(shè)計(jì)師，重慶三峽學(xué)院美術(shù)學(xué)院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系教師。主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)及理論、室內(nèi)建筑空間設(shè)計(jì)、園林景觀設(shè)計(jì); 王凱(1982-)，男，碩士，主創(chuàng)建筑師,華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司(原上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán))集團(tuán)信息中心數(shù)字化技術(shù)研究咨詢部技術(shù)負(fù)責(zé)人、高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理、資深顧問。主要研究方向：數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)及理論、綠色建筑設(shè)計(jì)、城市設(shè)計(jì)與再生。

TU318·1：TB92

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1674-7461(2015)01-0037-04