工業(yè)化建筑系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)研究

張 軍 劉 丹

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

人類歷史表明，創(chuàng)建一個(gè)舒適的住所是人們生活的基本要求之一，建筑在提升人類文明方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，目前我國(guó)建筑行業(yè)大多仍采用傳統(tǒng)建筑方法，伴隨著項(xiàng)目的生命周期就會(huì)出現(xiàn)很多問題，如實(shí)施過程中的延誤，質(zhì)量差，成本超支，設(shè)計(jì)沖突，生產(chǎn)效率低，健康和安全問題等。傳統(tǒng)施工方法存在很多問題，如速度較慢，成本較高，環(huán)境污染等。為了解決建筑行業(yè)的落后問題，我國(guó)采取一系列措施鼓勵(lì)新的工作和思考方式。因此，工業(yè)化被視為開啟建筑行業(yè)嶄新大門的鑰匙，尤其是異地技術(shù)，將施工現(xiàn)場(chǎng)搬到工廠中完成的工作是建筑行業(yè)的一種創(chuàng)新建造方法。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)化建筑系統(tǒng)

中國(guó)的建筑業(yè)正在經(jīng)歷著從常規(guī)方法轉(zhuǎn)移到工業(yè)化建筑的系統(tǒng)化和機(jī)械化的方法。它被定義為構(gòu)件部品技術(shù)的一種手段，其組建在可控制的環(huán)境中生產(chǎn)制造，然后被運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定位，組裝，將施工現(xiàn)場(chǎng)的工作量降至最低。

因此，這樣的建筑的產(chǎn)生減少了施工時(shí)間，簡(jiǎn)化了施工過程，還提供更高的質(zhì)量，更好的控制與協(xié)調(diào)；工廠化生產(chǎn)構(gòu)件部品，減少了資源稀少或偏遠(yuǎn)地區(qū)的成本，同時(shí)改善了工作條件減少現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提供較少的交易流程和界面來(lái)管理協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)保證了工程綠色可持續(xù)化。如圖1所示為常見預(yù)制構(gòu)件。

法國(guó)1891年就已實(shí)施了裝配式混凝土的構(gòu)建，迄今已有130年的歷史，主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，裝配率達(dá)到80%；德國(guó)建筑工程項(xiàng)目并不追求高比例裝配率。而是通過策劃、設(shè)計(jì)、施工各個(gè)環(huán)節(jié)的精細(xì)化優(yōu)化過程，尋求項(xiàng)目的個(gè)性化、經(jīng)濟(jì)性、功能性和生態(tài)環(huán)保性能的綜合平衡[1]。然而，在我國(guó)實(shí)施工業(yè)化建筑仍處于起步階段，這樣的工廠預(yù)制建設(shè)工程相較發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)只占很小比例。對(duì)于影響建筑工業(yè)化發(fā)展的因素有很多，如供求關(guān)系，經(jīng)濟(jì)規(guī)模，社會(huì)接受程度等是主要影響因素。此外，早期設(shè)計(jì)階段制造商和建筑師之間的協(xié)調(diào)不良以及建筑材料的有限應(yīng)用等因素都阻礙工業(yè)化建筑的發(fā)展。因此，設(shè)計(jì)階段是工業(yè)化建筑發(fā)展的根源，只有革新設(shè)計(jì)方法，才能促使工業(yè)化建筑向前發(fā)展，完成建筑行業(yè)的工業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1.2 具體設(shè)計(jì)方法

工業(yè)化建筑工程是由多個(gè)獨(dú)立的部分組成，這就需要很多不同專業(yè)學(xué)科的設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。另一方面，隨著工程項(xiàng)目的逐漸深入，設(shè)計(jì)、施工和后期建設(shè)等不同階段項(xiàng)目參與人數(shù)的增加，可以稱為一組設(shè)計(jì)師，為工程項(xiàng)目的不同階段服務(wù)，他們需要組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)作。所以，工業(yè)化建筑就要有一個(gè)具體設(shè)計(jì)方法，這個(gè)設(shè)計(jì)方法需要通過代碼，溝通媒介和標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)避免所有設(shè)計(jì)參與者之間產(chǎn)生信息錯(cuò)誤。由于參與項(xiàng)目的每一個(gè)團(tuán)隊(duì)或者個(gè)人都有自己的工作區(qū)域，日程及目標(biāo)，工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)方法需要為他們建立起各種各樣的邊界來(lái)對(duì)他們進(jìn)行約束，防止發(fā)生沖突。在制造業(yè)中，最常見的方法之一是模塊化設(shè)計(jì)方法。

2 模塊化設(shè)計(jì)方法及過程

由于工業(yè)化建筑項(xiàng)目施工的分散性與復(fù)雜性，需要改變傳統(tǒng)的公制模數(shù)制度，建立一個(gè)可以方便從建筑師到各級(jí)制造商再到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝的協(xié)調(diào)一致的公制制度就尤為重要。因此，建筑業(yè)者參考模塊化協(xié)調(diào)的方法對(duì)工業(yè)化建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。模塊化協(xié)調(diào)方法是使用模塊作為整個(gè)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)維度。通過定義模塊的等級(jí)并產(chǎn)生合適的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的過程，而其他設(shè)計(jì)方面相應(yīng)產(chǎn)生如高程、立面、節(jié)點(diǎn)、接口銜接等部分。根據(jù)歐洲生產(chǎn)力局在1961年的定義，“模塊化協(xié)調(diào)是一種系統(tǒng)，旨在協(xié)調(diào)工廠生產(chǎn)部件的尺寸與建筑物的設(shè)計(jì)”。同樣，模塊化協(xié)調(diào)是維度協(xié)調(diào)的一種形式，其基礎(chǔ)是使用基本單元，基本模塊以及建筑構(gòu)件的尺寸。

工業(yè)化建筑首先是要求建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的“少規(guī)格，多組合”，并依據(jù)裝配式建造方式的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)立面的個(gè)性化和多樣化。如圖2所示是南京萬(wàn)科上坊保障房項(xiàng)目6-05棟平面圖。方案設(shè)計(jì)階段為最大限度地實(shí)現(xiàn)模塊化，將不規(guī)則的公共區(qū)域布置于建筑的兩端，中間采用標(biāo)準(zhǔn)的戶型模塊單元，

充分發(fā)揮了工業(yè)化建造建筑的優(yōu)勢(shì)，最大限度地提高效率降低成本，采用工業(yè)化建造建筑的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)在這棟建筑得到較好的體現(xiàn)[2]。圖2中虛線框部分為標(biāo)準(zhǔn)模塊戶型拼裝部分。

工業(yè)化建筑模塊化設(shè)計(jì)最終應(yīng)實(shí)現(xiàn)多樣化與定制化。模塊本身需具備可拓展性，具體可分為共享模塊、互換模塊、標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)、復(fù)合模塊、總線模塊與連接模塊等子項(xiàng)[3]，如表1所示。

表1 模塊化的可拓展策略

根據(jù)模塊化的概念，所有組件都是基于尺寸單位或基本模塊設(shè)計(jì)，用作尺寸協(xié)調(diào)中的增量或系數(shù)，能夠在設(shè)計(jì)概念中以最大的靈活性和便利性使用。模塊化設(shè)計(jì)過程是一個(gè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的過程，用于確定空間、組建、配件等的尺寸，即使組建和配件是由不同生產(chǎn)廠商提供的，它們也不需要被切割或者被延伸就可以相互配合使用[4]。

模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用為建筑材料，部品構(gòu)件的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、組裝和后期管理起到積極進(jìn)步的作用。實(shí)際上，模塊化協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)為所有設(shè)計(jì)師和子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師定義了一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，通過使用抽象的設(shè)計(jì)過程促進(jìn)各部門，各專業(yè)的配合。對(duì)于模塊化這樣一種新策略進(jìn)行正確的運(yùn)用。實(shí)現(xiàn)工業(yè)化必須實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建起建筑工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建筑體系具有一定的分析和歸納作用[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人口的增長(zhǎng)和人們生活方式的改變，住房需求也隨之增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的施工建造方式施工工期長(zhǎng)，施工質(zhì)量參差不齊，無(wú)法保證，生產(chǎn)效率低等原因已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求。因此，建筑行業(yè)也在尋求工業(yè)化道路來(lái)解決上述問題。模塊化的設(shè)計(jì)方法為建筑工業(yè)化開啟了新的思路，模塊化設(shè)計(jì)不僅推動(dòng)設(shè)計(jì)過程，防止可能發(fā)生的沖突，還將設(shè)計(jì)項(xiàng)目歸類拆解，真正使建筑行業(yè)走向工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

[1] 盧 求.德國(guó)裝配式建筑發(fā)展研究[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2016(6):26-35.

[2] 王 寧.建筑工業(yè)化典型工程案例匯編[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015：20-23.

[3] 林正豪,袁小雨.預(yù)制建筑的批量定制策略研究——以Kieran Timberlake事務(wù)所的實(shí)踐為例[J].動(dòng)感(生態(tài)城市與綠色建筑)，2017:27-29.

[4] 王 寧.建筑工業(yè)化典型工程案例匯編[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015：75-81.

[5] 王 蔚.模塊化策略在建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2013.