模塊化策略在建筑優化設計中的應用分析

杜英

（海南泓景建筑設計有限公司 海南海口 570125）

引言

在高度重視可持續發展，提倡構建“節約型”社會的今天，實現建筑資源的優化配置與合理利用，降低建筑能耗已經成為建筑行業研究的重點內容。在信息化社會背景下，模塊化策略在建筑設計中的有效應用，有效提升了建筑設計效率，并從結構、成本與功能等方面給予優化，推動建筑設計以及建筑產業向綠色、環保、節約、創新與可持續發展的方向進步。但是從目前我國模塊化建筑設計研究與發展現狀來看，其理論研究與實踐設計仍處于不斷完善階段，有待進一步優化與改善。鑒于此，關于模塊化策略在建筑優化設計中的應用具有重要研究價值與現實意義。

1 模塊化策略相關概述分析

1.1 模塊化

“模塊化”這一概念的提出最早可追溯到20世紀初期，是由德國機床設計工程設計與生產過程中提出的設計理念，隨著模塊化設計原理的不斷完善，到20世紀50年代，在歐美多數發達國家儀表機床設計與生產過程中得到應用，如美國Cincinnati磨床、德國Aschersieben龍門銑床[1]。到20世紀60年代模塊化輔助設計軟件得到發展，這在一定程度上提升了模塊化設計的可靠性、全面性、系統性與精確性。到20世紀末21世紀初關于模塊化的研究呈現出多元化特色，其中模塊與模數制之間關系的探究，成為人們研究的重點內容之一。在此基礎上，形成以“模塊單元”為基本構成單元，以“多學科知識”綜合應用為設計基礎，以“系統工程”為主要服務對象的專業化、標準化、綜合技術性模塊化設計（Block-baseddesign）策略。在系統工程中，子系統模塊的應用通常具有“功能運轉”、“動態跟蹤”、“邏輯定位”、“端口連接”等基本屬性，與獨立性、通用性、優化性、交換更替性的基本特征（圖1）。基于模塊化具有的基本屬性與特征，模塊化策略的應用，可有效縮短產生設計與生產周期，在提升產品設計與生產質量的同時，實現成本的節約與資源的優化配置。因此，在信息化時代背景下，模塊化策略在眾多領域中，如建筑、機械生產與制造、軍事中具有廣泛應用前景。

1.2 建筑領域中模塊化的界定

建筑模塊化主要是指，在建筑設計與施工過程中，基于模塊化系統分解與組合理論與標注化原理，依據模塊化“集成”、“系列”、“典型”策略，進行實踐操作的設計與施工方法。由《史記·秦始皇木紀》“法度衡石丈尺，車同軌，書同文”、《營造法式》“凡構屋之制，皆以材為祖，材有八等，度屋之大小，因而用之”可知，模塊化設計原理在建筑行業中早有應用，CLAM（國際現代建筑協會）的建立，進一步推動了模塊化設計在建筑領域中的創新發展與應用，使之成為建筑行業綠色與可持續發展的重要手段[2]。

圖1 系統工程中子系統模塊應用的基本屬性

2 模塊化策略在建筑優化設計中的應用

目前，模塊化策略已經成為建筑設計中不可或缺的存在。就住宅型建筑設計而言，基于模塊化策略，應用“預制生產-現場安裝”建筑設計與施工模式，可有效降低建筑能耗，縮短建筑施工周期，提升建筑建設質量[3]。據有關研究發現，“預制生產-現場安裝”建筑設計與施工模式的應用，可節約建筑能源48%以上，縮短建筑施工工期39%以上，降低水資源與混凝土資源消耗56%以上，減少65%以上的建筑垃圾。本文以某市保障房項目為例，從戶型設計入手，就模塊化策略在建筑優化設計中的具體應用進行了如下分析。

2.1 模塊化策略的應用思路

在保障房項目中，戶型通常具有相似性、普遍性特征，主要由標準層、基礎層、頂層三部分構成，每個建筑層又可分為不同的建筑單元。隨著人們對戶型選擇要求的不斷提高，傳統的戶型設計已經無法滿足實際需求，是住宅建筑戶型存在較高的同質性。對此，依據模塊化策略，通過“集裝箱模塊化”進行建筑空間設計的優化，實現人與環境、社會的協調發展具有重要現實意義。其具體設計思路為：從建筑整體出發，依據建筑空間功能需求進行戶型模塊、附屬模塊的分解，并在此基礎上，進行模塊構件設計，按照一定的層次與方法進行組合（圖2）。

圖2 模塊化設計基本思路框架圖

2.2 基于空間功能需求下的戶型內設計

建筑設計師在進行住宅建筑空間設計時，需依據建筑工程項目實際要求與住宅建筑戶型基本功能需求，在遵循設計美學理論的基礎上進行科學設計。例如，可將整體空間分解為社交區、餐飲區、休息區、衛生區、過渡區五個模塊，并結合居民居住生活方式（包括家庭成員構成類型、居住環境認知情況、家用設備布局情況等）出發，結合不同區域的行為活動狀態，借助計算機輔助設計軟件或相關技術，如BIM從結構庫中選擇相適宜的結構戶型，設計多元化設備模塊。在此過程中，需保證結構戶型與建筑建設要求、實際情況之間的協調與統一，避免各結構之間產生矛盾，尤其是過渡區與其連接區域之間形成碰撞。例如，勒·柯布西耶馬賽公寓的設計，依據空間功能，提供了八十多個空間單元，實現建筑空間對住宅家庭成員各項需求的滿足。

2.3 戶型間的設計

戶型間的設計是基于戶型內設計基礎上的進一步細化，是建筑設計師在綜合因素分析的基礎上，通過不斷調整保證戶型內建筑、布置設備與結構之間相協調的重要環節。在此過程中，設計師依據戶型之間存在的獨立性與連接性，探尋戶型之間的“接口”，通過配置戶型間的共享構建，實現戶型組合構成建筑單元體系，保證建筑的整體性、完整性（圖3）。通常情況下，戶型間共享位置的設計，可分為“重疊接口”與“連接接口”兩種形式。在以剪力墻為主體結構的住宅建筑設計中，結構戶型間共享位置的接口多為重疊接口，設備戶型間的接口多為“連接接口”。例如，“O-House太陽能實驗住宅”在設計施工中利用標準化接口與預留接電，實現各模塊的有效連接。

圖3 戶型間的設計

2.4 標準層的設計

在建筑空間設計中，標準層設計主要是指建筑設計師在完成戶型內、戶型間設計后，通過配置附屬構建，形成建筑層的設計。通過該設計可實現建筑層內各項功能的完善，形成標準化、精準化、系統化建筑層單元結構。通常情況下，一個相對完整的建筑層，主要是由電梯間、樓梯間、走廊、戶型等標準化構件以及其他非標準化構件共同組成[4]。因此，為保證建筑設計的科學性與合理性，需保證各結構的完整性，尤其是建筑層內的設備設計。與此同時，在進行建筑結構設計時，需保證稱重構建受力的均衡性，用以保證整體結構的穩定性與牢固性。在此過程中，可通過設計對稱戶型或以某軸線為基準進行對稱設計，并通過適當的添加連接構建，進行各結構間的有效連接。最終可采用“積木組合”方式，進行標準層組合連接，構建建筑整體模型。值得注意的是，需保證建筑整體的完整性與協調統一性。

3 結論

總而言之，實現建筑行業由粗放型發展模式向精細化、高效節約性、集約性、可持續性發展已經成為必然趨勢，有利于推動“節約型”、“共享性”社會的構建。模塊化策略在建筑設計中的應用，在保證建筑滿足實際功能需求的同時，實現了建筑資源的節約，提升了建筑空間，是促進建筑行業轉型與可持續發展的重要手段。本文旨在通過對模塊化策略在建筑設計中應用的研究，進一步認知模塊化策略對建筑設計的影響，提升建筑設計水平，促進建筑行業優化發展。

[1]李佳.探索新型模塊化微型住宅建筑——以“折立方”設計為例[J].藝術生活-福州大學廈門工藝美術學院學報，2016（01）：36～39.

[2]呂嫣，周文寧，孟澤江.淺談裝配式模塊化住宅在建筑設計方面的研究和應用[J].建筑知識，2015，35（12）：22.

[3]林正豪，宋曄皓，孫菁芬，等.氣候應答式的模塊化建筑表皮設計策略——以清控人居科技示范樓項目為例[J].動感（生態城市與綠色建筑），2015（02）：54～61.

[4]陳孚江，陳建芳，王金良，陳海飛.工科大學生模塊化經濟型生產實習模式的探索——以建筑環境與能源應用工程專業為例[J].教育教學論壇，2015（42）：30～31.