景觀預裝配技術與體系探析
——以北京奧南文化商務園中心綠地為例

徐暢 王仲宇 段旺 沙鋼 劉東云＊

景觀預裝配技術與體系探析
——以北京奧南文化商務園中心綠地為例

徐暢 王仲宇 段旺 沙鋼 劉東云＊

近幾十年來預裝配技術在建筑以及風景園林行業(yè)的應用飛速發(fā)展，顯示出其強大的活力和生命力。本文對預裝配技術的特點、發(fā)展歷史及其在風景園林領域中的應用實例進行了研究，并以北京奧南文化商務園中心綠地為例介紹和總結了景觀預裝配技術的實踐，旨在討論在數字時代的背景下，如何在單個技術的基礎上，衍生發(fā)展出一套從裝配式設計、裝配式工程管理到裝配式生產施工的完整合理的技術體系，以更好地應用于實際項目，實現從虛擬設計、工廠預制到現場精確安裝的完整過程。

風景園林；預裝配技術；參數化設計

1 預裝配技術

預裝配技術（Prefabricated Technology），是指部分或全部構件在工廠預制生產完成，然后通過相應的運輸方式運到施工現場，采用可靠的安裝方式和安裝機械將構件組裝起來的施工方式[1]。預裝配技術的概念起源于18世紀，最早有關模塊化的論述起源于亞當·史密斯（Adam Smith）[2]，20世紀50年代以后得到了飛速發(fā)展。相對于傳統的建造方式，預裝配技術預先在工廠通過產業(yè)化的方式生產預制構件，然后運到現場拼裝，因此大大提高了施工效率，并節(jié)省了大量勞動力，因此具有效率高、成本低、環(huán)境友好等特點；同時，由于預裝配技術主要采用非濕作業(yè)，構件間為非永久性連接，因此節(jié)約了現場濕作業(yè)所帶來的材料損耗和對施工現場造成的環(huán)境污染，并有利于后期翻修與更新，甚至可以完全拆卸與重組。

在建筑領域，預裝配技術在西方發(fā)達國家早已得到廣泛應用，我國也大力推行預裝配式建筑，根據《建筑產業(yè)現代化發(fā)展綱要》，到2020年我國裝配式建筑占新建建筑的比例達到20%，到2025年比例達到50%以上[3]。同時，隨著工藝與材料的飛速發(fā)展，建造操作在實現工具上面，從“手工”、“傳統機械”發(fā)展到“數控機械”；在材料上面，從“傳統材料”發(fā)展到“多維材料”和“復合材料”[4]。新的建造方式和新的材料為預裝配式技術帶來新的發(fā)展機會。

預裝配技術在景觀中的運用才剛剛開始，其中使用最廣泛的材料是預制混凝土（Precast Concrete）。和傳統的硬質景觀材料相比，預制混凝土價格低廉并能夠精確制作成任意形狀，可以滿足高精度的景觀需求，如奧地利阿姆特德羅爾廣場（Amt der Tiroler Plaza）[5]。根據設計尺寸異形加工石材、異形鋼材等也開始被應用，如古斯塔夫森·波特景觀事務所（Gustafson Porter Ltd）設計的戴安娜王妃紀念噴泉（Diana, Princess of Wales Memorial Fountain），設計師在交互模型軟件的幫助下，精確預制了545塊異形花崗巖，實現了花崗巖材質的復雜表面的設計、建模、預加工與裝配[6]。英國雕塑家阿尼什·卡普爾（Anish Kapoor）設計的芝加哥千禧公園云門（Cloud Gate），由168塊不銹鋼板焊接而成，建造過程包括設計師的手繪構思、計算機建模、計算機優(yōu)化構件、工廠生產金屬構件、現場組裝、打磨拋光等[7]。然而，相對預裝配技術在建筑領域的普遍運用，風景園林設計師目前大多僅僅是利用預裝配技術的優(yōu)點來簡單地建造異形構筑物，真正的預裝配式的設計理念在風景園林行業(yè)尚無太多的發(fā)展，尚未形成一套成系統的預裝配式方法。

2 景觀預裝配技術體系

2.1 設計建造一體化

1 傳統的設計建造模式Traditional pattern of design and construction

2 設計建造一體化模式Integrated pattern of design and construction

3 預裝配設計流程Steps of landscape architectural prefabricated design

傳統的設計建造模式是一種由業(yè)主主導的三方合作模式（圖1）。在這種模式中，設計師和建造方之間由于缺乏契約關系，各自按照自己的工作計劃工作。設計師遵循方案設計、初步設計、施工圖設計和工地配合等步驟，設計師生產圖紙，并不直接參與建造過程。

預裝配技術體系與傳統設計建造模式最大的區(qū)別在于改變了傳統業(yè)主—設計師—建造方三者之間合作模式。預裝配技術對項目全局性、整體性的要求很高，設計師與建造方的關系需要更加緊密，因而促進新的合作與協同方式—設計建造一體化模式（圖2）。在這種模式中，設計師處于核心的位置，一方面要完成業(yè)主指令，包括設計咨詢、造價等；另一方面要協調建造方，從設計開始就規(guī)劃布置建造過程中所采用的各項技術。

2.2 預裝配設計流程

在預裝配技術體系中，設計流程（圖3）與傳統模式的根本不同就是設計師需要從開始就考慮到施工時可能會出現的種種狀況。設計師從設計的開始就需要對預裝配內容、預裝配率、構件的拆分與設計、構件的生產工序和安裝節(jié)點等關鍵問題做出合理安排，確保設計、生產、施工間的緊密連接，減小現場施工難度。

2.3 預裝配與構件的參數化

參數化設計，是指通過定義參數（Parameter）的類型、內容并通過制定邏輯算法來進行運算、找形以及建造的設計控制過程[2]，常用的參數化軟件如GH、DP、GC等。這些技術可以更高效、準確地控制設計流程和設計結果，因而成為解決具有動態(tài)多維特征的非線性景觀設計與建造的有力工具之一。在預裝配體系中，構件模型的參數化可以消除設計和建造之間因溝通不暢而產生的錯誤[8]。

景觀的參數化包括方案設計過程中的曲面成形（Formation）和建造過程中的曲面切割等兩個方面，在高級計算幾何的幫助下，完成景觀曲面的數字表達與分析優(yōu)化，最終將復雜的景觀曲面切割成可批量化加工生產、運輸的構件?？赡艿慕鉀Q途徑包括：使用方便加工生產、運輸和安裝的單一構件完成復雜曲面的建造；使用多種尺度的構件來擬合復雜曲面。從理論上講，工廠可以加工非常多種類的構件，但實際上從造價、構件的安裝復雜程度等角度考慮，我們仍然需要將構件數量控制到可以接受的范圍內。構件參數化的優(yōu)勢在于能夠非常方便地模擬不同尺寸的構件擬合復雜曲面形成的效果，從而為設計師提供多種選擇。

2.4 預裝配與BIM技術

景觀預裝配的典型特征是采用預制構件實現復雜形體建造。BIM（Building Information Modeling）平臺所提供的高質量信息使得建造這些復雜形體的可能性大大提升。BIM中包含了參數化思想和技術，利用BIM軟件，可以進行數字化分析、參數化建模、設計圖解、進行多團隊多工種協同設計，輸出效果圖與動畫，輸出施工指導圖紙，碰撞檢測，錯誤校檢，也可以對施工過程進行模擬和管理。

其優(yōu)勢主要表現在如下幾個方面：

一是通過BIM構件庫的建立，不斷增加BIM虛擬構件的數量、種類和規(guī)格，逐步建立標準化預制構件庫。在生產加工過程中，BIM信息化技術能自動生成構架下料單、派工單、模具規(guī)格參數等生產表單；

其次，BIM信息技術有助于完成構件拆分和優(yōu)化設計，從而避免方案性的不合理導致后期技術和經濟性的不合理性。BIM可以減少預制構件的類型和數量，在BIM模型里完成的構件加工圖紙，不僅能清楚傳達圖紙的二維關系，對于復雜的剖面關系也可以清楚表達，從而更加緊密地實現與工廠的協同和對接；

第三，BIM模型能夠真實反映復雜形體，利用BIM虛擬建造的功能，可以完成施工模擬碰撞檢測和復雜節(jié)點的施工模擬安裝，施工人員可以清晰地理解設計意圖和獲知構件的組裝信息，避免二維圖紙的偏差，形成生產模擬、流程圖等輔助性材料，從而提高準確性和效率性。

2.5 構件安裝與誤差控制

雖然BIM技術能夠幫助完成虛擬建造等前期準備工作，但是構件安裝最終的實際效果高度依賴現場施工的精度。尤其是在中國，目前大多數的景觀建造還是一種低成本、低技術、勞動力密集型的生產方式，因此在規(guī)劃施工進程和構件安裝過程中，建立高效的幾何控制系統和為了控制誤差累計而采取的技術顯得尤為重要。

幾何控制系統可以有效建立工作邊界劃分和整合的依據，不僅可以高效地組織設計工程中的專業(yè)協調，而且可以保障所有需要嚴格控制的部分均達到足夠的設計深度。安裝過程中，當工作面比較大時，幾何控制系統還可以幫助將施工場面拆分成若干個工作面，多個施工隊伍可以同時進場施工，從而提高工作效率。施工過程中的熱脹冷縮縫、沉降縫等，也需要按照幾何控制系統制定的規(guī)則進行設置。

同時，為了避免施工過程中的誤差累計，需要采用適當的誤差消除技術。當使用單一尺寸的構件拼合復雜曲面時，適當加密幾何控制系統中的控制線，增加曲面復核測量的次數，并設定誤差控制的范圍，誤差超出控制范圍時通過調整構件尺寸來修正；當采用多種尺度的構件來擬合復雜曲面時，在控制線或工作界面處需要反復測量安裝的曲面和設計曲面之間的差異，建立新的曲面構件模型。

3 景觀預裝配技術試驗性實踐

3.1 項目背景

北京奧南文化商務園屬于北京奧林匹克公園六大功能區(qū)域之一，之前為奧運公共交通轉換站場。隨著后奧運時代的大規(guī)模、高密度的城市再開發(fā)建設，奧南文化商務園將形成具有體育、文化、休閑、金融、信息、商務等功能的城市綜合性中心。本項目為奧南文化商務園正中的中心綠地，北側預留地為2022年冬奧會運動員村，場地西側是文化設施用地，場地東側與南側是商業(yè)用地。中心綠地地下開發(fā)為服務區(qū)域的各類基礎服務設施、停車場和商業(yè)，地下一層聯系地鐵公交樞紐和園區(qū)各地塊地下空間。設計師以景觀都市主義理論為指導，提出了“復合表面（Hybrid Surface）”這一概念作為設計意向，通過連續(xù)的公共空間構建一個健康的城市休閑系統，使中心綠地融入區(qū)域開放空間系統（圖4、5）。

3.2 景觀預裝配技術的應用

在項目之初，設計師便和業(yè)主溝通并確立了中心綠地的基本設計理念與技術，其中就包括預裝配技術；在方案的概念階段，設計師設計并提出了項目預裝配系統的雛形，確定了使用預裝配技術的區(qū)域，包括異形收邊系統、架空廣場系統和可持續(xù)模塊系統，3個系統相互關聯（圖6、7）；在深化階段，配合Rhinoceros和Grasshopper等參數化軟件對景觀細部進行優(yōu)化，確定主要構件的材料、模數、裝配節(jié)點等，使之適合批量生產與施工；在施工之初，應用BIM技術對施工流程進行了合理規(guī)劃，調配好不同工序之間的銜接，并在此階段量化生產景觀構件；在施工過程中，隨時根據之前的計劃把控質量與進度，并隨時針對產生的問題進行解決；在施工收尾階段，對不同系統及細部進行驗收。

4 奧南文化商務園中心綠地鳥瞰圖Bird's view of the Beijing South Olympic Park

5 奧南文化商務園中心綠地平面圖及設計過程Master plan and design process of Beijing South Olympic Park

6 奧南文化商務園中心綠地預裝配技術體系Landscape architectural prefabricated technology and system of Beijing South Olympic Park

7 三大系統相互耦合關系Relationship of the three systems

3.2.1 架空層廣場系統

東西廣場坐落在地下室頂板上，整個廣場結構從下到上分為3層，即建筑頂板層、架空結構層和鋪裝面層（圖8）。設計師創(chuàng)造性地將鋪裝面層和地下室頂板之間的架空層作為雨水儲存與凈化的空間，根據建筑柱網系統設計地壟墻和預制蓋板作為持力結構；與柱網軸線成45°的支撐條帶內布置方鋼龍骨，1 581mm×785.5mm×120mm淺灰色燒面花崗巖面層與方鋼龍骨之間放置塑膠墊塊，保證面層和結構層之間的柔性連接；花崗巖之間的縫隙用預制的金屬限位器固定（圖9），保證鋪裝面層不會相互錯位。為了塑造簡潔大方的景觀形象，設計師統一了所有硬質鋪裝的材質與顏色，全園主要采用淺灰色燒面花崗巖，局部搭配少量深灰色花崗巖。由于采用了模塊化的設計原則，面層材料中90%以上為標準化材料，以方便工廠流水線式生產預制組件。組件按安裝先后順序分批運抵現場后，由工人進行有序安裝。鋪裝層的大部分材料都可以隨時拆卸，便于維修或更換。

8 東西架空層廣場剖面Section of the lifted plaza

架空廣場面層鋪裝之間均勻設置10mm分縫，這使得廣場的雨水能夠通過石材縫隙下滲，一方面去掉了傳統廣場的雨水篦子，另一方面廣場可以設計成純平，即不設任何坡度。架空層內設計800mm厚碎石層兼作建筑保溫層和雨水過濾設施，碎石層中布置穿孔波紋管將過濾后的雨水導入地下的雨水蓄積池，供公園綠化用水回收利用，達成了架空廣場系統與可持續(xù)模塊化系統的順利接駁（圖10）。

3.2.2 異形收邊系統

異形收邊系統為本項目最重要的景觀特征。與傳統公園道牙石不同，本項目綠地和道路廣場之間用異形收邊石（圖11）分開，標準截面寬度450mm，外高內低，局部放大成座椅狀，并結合了燈光布置。由于每塊綠地大小不一，異形收邊石材的規(guī)格略有不同；設計師將所有收邊石按照曲率進行優(yōu)化，當曲率較大時采用非標準加工，當曲率較小、能夠用標準石材進行擬合時按照標準石材進行加工。最終設計師將收邊系統優(yōu)化成90%以上為標準構件，剩下的在Rhino軟件中切割編號，交由廠家加工生產。

安裝過程中，BIM軟件生成參數指導安裝。所有收邊石材運抵現場后，按編號有序吊裝，調整至合適位置后進行勾縫固定。但由于石材加工、安裝過程中的定位放線會產生一定誤差，即便是標準構件，當誤差累計到一定程度時，收邊系統的安裝效果就大打折扣。經反復測試，最終采取的方法是加密控制線，當誤差累計到5cm時，現場切割構件消除誤差，然后繼續(xù)安裝成品構件。異形構件為工地實測復核結構位置，然后再精細化建模。

3.2.3 可持續(xù)模塊系統

本項目作為北京市近期具有代表性的新型城市綠地，不但在理念、形式和技術上具有強烈的特色，在生態(tài)可持續(xù)性方面也有著深入的考慮，主要體現在雨水系統和太陽能系統。設計師將二者以模塊化的形式組織起來，配合預裝配技術，形成了一整套完整的可持續(xù)模塊系統（圖12）。

9 架空層廣場安裝詳圖Detail layering of the lifted plaza

雨水系統功能保證中心綠地內100%雨水就地滲入地下或收集回用。雨水系統包括收集、凈化處理和儲存，最終用于綠地澆灌和水景循環(huán)。在綠地中沿異形收邊系統布置模塊化的雨水收集模塊，部分雨水滲入地下，其余被導入到架空廣場下，和廣場收集的雨水一起被凈化，然后儲存到位于地下三層雨水收集池中。雨水收集池兼做水景的循環(huán)池，收集的雨水作為水景用水持續(xù)循環(huán)，水質不會惡化。部分收集的雨水被接入澆灌系統，用于綠地澆灌。

太陽能系統利用中心綠地中部景觀平臺的挑空區(qū)域，平臺兩側安裝預制金屬支撐架，支撐架上鋪設太陽能板以獲取清潔能源，貯存的能源用于景觀照明。

10 架空層廣場雨水收集詳圖Water collection details of the lifted plaza

11 異形收邊Irregular edging

12 可持續(xù)模塊系統平面Plan of the sustainable module system

13 架空層廣場施工實景Photo of the lifted plaza on site

14 架空層廣場完成實景Photo of the lifted plaza after completion

15 異形收邊系統施工實景Photo of the irregular edging system on site

16 異形收邊系統完成實景Photo of the irregular edging system after completion

4 總結與展望

在奧南文化商務園中心綠地的設計建造中，設計師不拘泥于傳統思維，大膽采用新的技術—預裝配技術，即設計師主導方法論、技術研發(fā)與總體效果，業(yè)主負責把控項目進度與協調各團隊關系，工廠按圖紙進行構件生產，施工方配合進行高效的裝配施工作業(yè)。最終不僅實現了新的景觀理念和藝術效果，而且摸索出一套完整的技術體系和綠色可持續(xù)體系，極大豐富了景觀設計與施工實踐，對以后的項目有很大的借鑒價值（圖13～19）。

項目執(zhí)行過程中遇到不少挑戰(zhàn)，如新的技術剛開始并不能完全獲得大家的認同，再加上項目復雜程度高，業(yè)主、設計師和建造方三者步調并不完全一致，設計師需要反復到現場查驗并提供技術支持，參與各種協調會議；建造方對預裝配技術體系理解不夠深入，在測量、工序安排等方面準備不足，建造過程甚至局部出現錯誤而返工。

本文通過對預裝配技術的基本研究、預裝配技術體系概念的提出與試驗性實踐可以得出結論：預裝配技術體系是一個科學、可行的發(fā)展方向。生產力的水平是衡量社會發(fā)達水平的標準，預裝配體系正是符合高生產力標準的新興項目建造方式，雖然這一概念目前仍在初級階段。但相信，在可以展望的將來，隨著更多的研究與實踐，預裝配技術體系會正式來到風景園林行業(yè)面前。

17 預裝配擋土墻施工實景Photo of the prefabricated retaining wall on site

18 預裝配擋土墻完成實景Photo of the prefabricated retaining wall after completion

19 太陽能系統實景Photo of the solar energy system

注釋：

①圖1、2、3、6：王仲宇繪；圖4、5、7、8、9、10、11、12：劉東云工作室（LAUR Studio）提供；圖13、15、16、17：蔡凌豪攝；圖14、18、19：徐暢攝。

[1]李濱.我國預裝配式建筑的現狀與發(fā)展[J].中國科技信息，2014，（7）：114-115.

Li Bin. The Situation and Development of Prefabricated Architectures in China[J]. China Science and Technology Information, 2014, (7): 114-115.

[2]袁烽，孟媛.基于BIM平臺的數字模塊化建造理論方法[J].時代建筑，2013，（2）：31-37.

Yuan Feng, Meng Yuan. The Methodology of Digital Modular Fabrication Based on the BIM Platform. Time+Architecture, 2013, (2): 31-37.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑產業(yè)現代化發(fā)展綱要[Z]. 2016-03-12.

MOHURD. Outline of Modernization of Construction Industry[Z]. 2016-03-12.

[4]袁烽.從數字化編程到數字化建造[J]．時代建筑，2012，（5）：114-115.

Yuan Feng. From Scripting the Future to Fabricating the Future. Time+Architecture, 2012, (5): 10-21.

[5] LAAC Architekten&Stiefel Kramer Architecture. http:// www.laac.eu/.

[6]簡·阿密頓.移動的地平線—凱瑟琳·古斯塔夫森及合伙人事務所的景觀設計學[M].曹淑華譯.深圳:安基國際印刷出版有限公司，2006：112.

Jane Amidon. Moving Horizons The Landscape Architecture of Kathryn Gustafson and Partners[M]. Translated by Cao Shuhua. Shenzhen: A&J International Printing and Publishing Co.Ltd, 2006: 112.

[7] Wikipedia: Cloud Gate. https://en.wikipedia.org/wiki/ Cloud_Gate.

[8]蔡凌豪.風景園林數字化規(guī)劃設計概念譜系與流程圖解[J].風景園林，2013，（1）：48-57.

Cai Linghao. The Concept Hierarchy and Procedure Diagram of Digital Planning and Design for Landscape Architecture[J]. Landscape Architecture, 2013, (1): 48-57.

（編輯/任京燕）

Study on Landscape Architectural Prefabricated Technology and System —— A Case Study of Beijing South Olympic Park

XU Chang, WANG Zhong-yu, DUAN Wang, SHA Gang, LIU Dong-yun＊

With the rapid development in recent decades, prefabricated technology demonstrates its remarkable ability and vitality in industrial practices in terms of architecture and landscape. This research focuses on the characteristics, development history, and application cases of prefabricated technology in the field of landscape. With the case of Beijing South Olympic Park, this research introduces and summaries the practice of the technology, which aims to figure out how to derive a systematic prefabricated technology including assembly design, assembly project management and assembly production and construction from a single term to benefit further researches and applications.

landscape architecture; prefabricated technology; parametric design

TU986

A

1673-1530(2017)04-0106-08

10.14085/j.fjyl.2017.04.0106.08

2016-09-18

修回日期：2017-03-30

徐暢/1991年生/男/湖北人/北京林業(yè)大學園林學院在讀碩士研究生/研究方向為風景園林規(guī)劃與設計（北京100083）

XU Chang, who was born in 1991 in Hubei province, is a postgraduate student of Landscape Architecture in Beijing Forestry University. His research focuses on landscape architecture planning and design (Beijing 100083).

王仲宇/1994年生/女/吉林人/北京林業(yè)大學園林學院在讀碩士研究生/研究方向為風景園林規(guī)劃與設計（北京100083）

WANG Zhong-yu, who was born in 1994 in Jilin province, is a postgraduate student of Landscape Architecture in Beijing Forestry University. Her research focuses on landscape architecture planning and design (Beijing 100083).

段旺/1962年生/男/遼寧人/北京新奧集團有限公司教授級高工/研究方向為城市景觀規(guī)劃設計、建筑設計（北京100083）

DUAN Wang, who was born in 1962 in Liaoning province, is a professor-level senior engineer of Beijing ENN Group. His research focuses on urban landscape planning and design , architecture design (Beijing 100083).

沙鋼/1971年生/男/遼寧人/北京新奧集團有限公司教授級高工/研究方向為建筑設計（北京100083）

SHA Gang, who was born in 1971 in Liaoning province, is a professor-level senior engineer of Beijing ENN Group. His research focuses on architecture design (Beijing 100083).

劉東云/1976年生/男/湖北人/博士/北京林業(yè)大學園林學院副教授/研究方向為生態(tài)規(guī)劃、城市景觀規(guī)劃設計、可持續(xù)環(huán)境設計（北京100083）

郵箱（Corresponding author Email）：laurstudio@sina.com

LIU Dong-yun, who was born in 1976 in Hubei province, is an associate professor at the School of Landscape Architecture in Beijing Forestry University. His research focuses on ecological planning, urban landscape planning and design, sustainable environmental design (Beijing 100083).