模塊化策略在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

在我國大力發(fā)展裝配式建筑的背景下，將模塊化策略引入建筑設(shè)計階段成為必然。模塊化策略具有功能靈活性、空間適應(yīng)性、彈性生長性等特點，是一種與建筑設(shè)計活動本質(zhì)相契合、與建筑設(shè)計模塊相匹配、與建筑應(yīng)變發(fā)展相適應(yīng)的設(shè)計模式。因此，探究模塊化策略在建筑設(shè)計中的應(yīng)用具有突出的現(xiàn)實意義。

1 模塊化策略概念及原理

1.1 概念

模塊化策略是一種模塊化思想引導(dǎo)下的設(shè)計策略，模塊化思想在不同領(lǐng)域表現(xiàn)的形式、內(nèi)容均存在差異。從抽象層面進行匯總可知，模塊化思想反映了事物個體、整體間的關(guān)聯(lián)，整體可以解構(gòu)為諸多個體，諸多功能獨立的個體可重新組合為整體。個體與整體間分解、組合的過程是模塊化思想踐行的過程。模塊化策略主要從系統(tǒng)視角入手，在功能分析的前提下，利用分解、組合的方式，以基本模塊、輔助模塊為基礎(chǔ)進行設(shè)計[1]。模塊化策略可促使若干功能不一、規(guī)模各異的對象呈現(xiàn)較強的互換性，以達到最佳效益。

1.2 原理

模塊化策略是從系統(tǒng)視角入手，有計劃、有目標(biāo)、由上至下展開的設(shè)計工作[2]。一般在方案論證階段，設(shè)計人員應(yīng)從類型、規(guī)格等方面對系統(tǒng)構(gòu)成單元進行詳盡規(guī)劃，各模塊間可互相拆分、更替、組合，也可獨立運用。通過將復(fù)雜的大問題解構(gòu)為若干個解決難度較小的小問題，降低設(shè)計難度，可以在其他項目中重復(fù)使用分解后的獨立模塊。根據(jù)設(shè)計需求不斷優(yōu)化模塊單元，整體設(shè)計效益較為顯著[3]。

2 模塊化策略在建筑設(shè)計中的應(yīng)用流程

2.1 構(gòu)建與分解模塊單元

模塊單元的構(gòu)建與分解包括從部分到整座建筑層面的單元分解，涉及考慮建筑立面外觀、后期維護的單元組合。

模塊單元分解主要從整體視角入手，結(jié)合建筑設(shè)計需求，將建筑內(nèi)部構(gòu)件劃分為相對獨立的若干個單元。如將承重結(jié)構(gòu)分解為若干個底板、外墻板、屋頂模塊單元等，將完善的建筑設(shè)備劃分為多個暖通、給排水、電氣模塊單元等。

模塊單元分解完畢后，設(shè)計人員需要根據(jù)新的建筑空間、功能需求進行組合。例如，將外部圍護結(jié)構(gòu)分解為若干個功能獨立的輕鋼承重框架，根據(jù)室外平臺功能進行框架的重新組合。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制模塊單元

標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制模塊單元主要根據(jù)基本模數(shù)、擴大模數(shù)、分模數(shù)等模數(shù)，規(guī)范模數(shù)單元尺寸，保證模塊單元與室內(nèi)部安裝尺寸具有一致性，提高建筑構(gòu)件大批量生產(chǎn)的經(jīng)濟價值，如廚房的空間模數(shù)為2 950 mm×1 750 mm[4]。

考慮到模塊單元是相對獨立的單元，由一系列建筑構(gòu)配件組成，在標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制前，可結(jié)合國家建筑標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計規(guī)范，對模塊空間尺寸、單元形式進行統(tǒng)一定型，為建筑部品間互換性、通用性滿足需求提供依據(jù)。

2.3 選擇模塊單元的材料

從材料形式視角入手，模塊化構(gòu)件可劃分為鋼材、混凝土、木材及其他新型建筑材料。鋼材具有較好的延展性，可滿足多變建筑形態(tài)設(shè)計需求。在選擇鋼材構(gòu)件材質(zhì)、性能時，需要結(jié)合模塊單元運用位置進行恰當(dāng)選擇。如選擇梁、柱等承重構(gòu)件材料時，可選擇4 mm厚的鍍鋅鋼板（一次性壓制成型）等承載力較為優(yōu)良的型鋼，檁條、墻體龍骨等次要受力結(jié)構(gòu)件材料選擇時，可選用2 mm厚的鍍鋅鋼板（冷彎技術(shù)成型）等小截面鋼材。

2.4 設(shè)計與組合模塊單元

模塊單元間的重疊、拼合、錯位、旋轉(zhuǎn)組合，可構(gòu)成多樣化建筑空間。拼合是模塊單元常見組合策略，如陜西省西安市大堂西市博物館選擇12 m×12 m的模塊化單元拼合為基本空間，貫穿棋盤路網(wǎng)、隋唐長安里枋布局，在室內(nèi)形成了廣闊、連續(xù)、完整的展覽空間?？赏ㄟ^模塊單元部分改型獲得新的建筑功能，如2010年西班牙馬德里舉行的SDE2010太陽能十項全能競賽中，HERRERA團隊采取了靈活化、模塊化策略，將若干高×深×寬為3.50 m×7.60 m×1.80 m的模塊單元通過可伸縮、折疊的方式改型為廚衛(wèi)空間，中間區(qū)域經(jīng)過可移動變換的分隔墻設(shè)計為大空間，滿足了74.0 m2以下建筑對舒適度的要求。

3 模塊化策略在建筑設(shè)計中的應(yīng)用實例

3.1 項目概述

項目為我國內(nèi)部新推出的智慧體驗項目——“智慧小鎮(zhèn)”，包含智慧教育、智慧出行、智慧醫(yī)療等諸多智慧場景。該智慧體驗項目對拆除、更新靈活度具有較高要求，具有建設(shè)項目周期短的特征，擬選擇模塊化策略進行區(qū)域建設(shè)。區(qū)域用地面積為4.6 m×104 m，在回字形布局中，預(yù)先留設(shè)了功能性活動場地，其與活動展示走廊構(gòu)成了洄游路線。

3.2 需求分析

從總體需求上進行分析，智慧體驗項目對更新拆除靈活度、空間適應(yīng)性具有較高的要求，模塊化策略中模塊間組合、附加構(gòu)件設(shè)計可以提高設(shè)計的可行性。主要由于建筑墻板、屋頂、樓板等模塊單元為經(jīng)長時間提煉形成的高度集成性預(yù)制產(chǎn)品，通用于多種功能場合。

從功能需求上進行分析，智慧體驗項目具體功能包括中心活動展示場區(qū)、智能化控制展廳、不同產(chǎn)品展示廳、室外展館的內(nèi)部步道、臨時展廊，表現(xiàn)為活動展示、推動宣傳、人員辦公、產(chǎn)品展示、引導(dǎo)游客等。

3.3 模塊化策略實施

（1）模塊單元拆分與連接。

智慧體驗項目對場地步道、展廊功能具有較高要求，為了貫徹功能與形式統(tǒng)一原則，可以將原有模塊單元分解。比如，屋面板是原始模塊單元的代表，具有雨水防護功能，雨水可經(jīng)屋面板卡縫流入含排水管道的角件內(nèi)并經(jīng)角柱流向室外。在室外步道設(shè)計時，可選擇基于原始屋面板排水構(gòu)件的室外防腐模板，由底板延伸為步道，進行專門室外連接構(gòu)件設(shè)計，構(gòu)成通透性較高的建筑外部展示空間。

在模塊單元與模塊單元、模塊單元與附加構(gòu)件連接設(shè)計時，需要考慮兩者間的組合關(guān)系。比如模塊水平拓展組合時，應(yīng)經(jīng)箱體角件預(yù)留孔洞，配合鋼管定位塊進行定位連接，外墻模塊與增設(shè)的鋁合金格柵需要經(jīng)附加角鋼、原有結(jié)構(gòu)梁固定，再經(jīng)角鋼、格柵連接。

（2）基于BIM的模塊單元標(biāo)準(zhǔn)化。

確定模塊單元、接口連接方式后，可在事先構(gòu)建的BIM模塊庫中，錄入智慧體驗項目每個結(jié)構(gòu)部件、模塊單元信息。比如，Q235鍍鋅鋼材角件規(guī)格為210 mm×120 mm，屬于連接模塊單元，為模塊吊裝及搬運提供連接點、傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)力；鋼化白玻璃材質(zhì)的夾膠玻璃，厚度規(guī)格為（4+4）mm，尺寸需依據(jù)模塊單元立面分隔定制，主要功能為黏合玻璃、保證構(gòu)件透光性、防噪聲、防紫外線。

（3）模塊單元模數(shù)化設(shè)計。

信息錄入后，設(shè)計人員可對BIM數(shù)據(jù)庫內(nèi)含有的大量建筑構(gòu)件信息進行提取、統(tǒng)計，在數(shù)據(jù)間構(gòu)建數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系。以模塊單元墻體模數(shù)化設(shè)計為例，墻體“成本”“面積”之間可以通過成本=面積×單價進行關(guān)聯(lián)，再以墻體明細表導(dǎo)出的方式，獲得與墻體相關(guān)的直觀參數(shù)。

（4）建筑設(shè)備的集成設(shè)計。

模塊單元模數(shù)化設(shè)計完畢后，應(yīng)進行建筑設(shè)備的集成設(shè)計，智慧體驗項目中設(shè)備主要有給排水設(shè)備、暖通設(shè)備、照明設(shè)備等。以給排水設(shè)備為例，需要以廚房、衛(wèi)浴功能集成為契機，在BIM技術(shù)支持下，直觀布置設(shè)備、排布管線，優(yōu)化設(shè)備型號、材料種類、連接方式。

（5）模塊單元組合設(shè)計。

基于BIM的模塊單元組合設(shè)計是智慧體驗項目內(nèi)部建筑空間形成的最終環(huán)節(jié)，需要運用基本的錯位、旋轉(zhuǎn)、拼接、重疊手段，將模塊單元組合。根據(jù)智慧體驗項目整體洄游式布局特征，可在BIM多維度視圖中，選擇組團式+線式布局方式，在內(nèi)部形成兼具內(nèi)部私密性與開放性的街巷空間。以位于入口的智能化控制中心設(shè)計為例，設(shè)計人員可以模塊尺寸為拼合依據(jù)，將模塊圍繞成一個首尾相接的圓圈，在中心位置構(gòu)成通高的中央控制大廳，大廳的單元模塊基本組成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)骨架，骨架外立面材料由平面功能特殊需求設(shè)計。考慮二層設(shè)計局部單元模塊、三層設(shè)計局部單元模塊均作為人員辦公功能運行，在二層建筑頂部可構(gòu)成建筑外部露臺用于人員休憩。

具體設(shè)計時，需要運用BIM多維度視圖，通過設(shè)置視圖立面、豎向交通，于建筑一層、二層進行外掛樓梯構(gòu)件的布置。外掛樓梯構(gòu)件布置完畢后，驗算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，再布置大面積監(jiān)控幕布，實現(xiàn)內(nèi)部空間多層通高，滿足項目需求。

4 結(jié)語

綜上所述，在模塊化策略中，借助模塊單元的建立，可實現(xiàn)對建筑規(guī)模的有效控制，在滿足建筑設(shè)計實際需要的同時，增強設(shè)計的靈活性、經(jīng)濟性。因此，在建筑設(shè)計過程中，建筑設(shè)計人員可根據(jù)建筑設(shè)計需求，將建筑劃分為若干個模塊單元。根據(jù)建筑構(gòu)件特征，引入BIM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，進行模塊的組合及形態(tài)調(diào)整，解決建筑模塊組合復(fù)雜化問題，為建筑設(shè)計任務(wù)的順利完成提供依據(jù)。