工業化建筑系統的模塊化設計研究

張 軍 劉 丹

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

人類歷史表明，創建一個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揮了至關重要的作用。但是，目前我國建筑行業大多仍采用傳統建筑方法，伴隨著項目的生命周期就會出現很多問題，如實施過程中的延誤，質量差，成本超支，設計沖突，生產效率低，健康和安全問題等。傳統施工方法存在很多問題，如速度較慢，成本較高，環境污染等。為了解決建筑行業的落后問題，我國采取一系列措施鼓勵新的工作和思考方式。因此，工業化被視為開啟建筑行業嶄新大門的鑰匙，尤其是異地技術，將施工現場搬到工廠中完成的工作是建筑行業的一種創新建造方法。

1 研究現狀

1.1 工業化建筑系統

中國的建筑業正在經歷著從常規方法轉移到工業化建筑的系統化和機械化的方法。它被定義為構件部品技術的一種手段，其組建在可控制的環境中生產制造，然后被運輸到現場進行定位，組裝，將施工現場的工作量降至最低。

因此，這樣的建筑的產生減少了施工時間，簡化了施工過程，還提供更高的質量，更好的控制與協調；工廠化生產構件部品，減少了資源稀少或偏遠地區的成本，同時改善了工作條件減少現場風險，提供較少的交易流程和界面來管理協調現場，同時保證了工程綠色可持續化。如圖1所示為常見預制構件。

法國1891年就已實施了裝配式混凝土的構建，迄今已有130年的歷史，主要采用預應力混凝土裝配式框架結構體系，裝配率達到80%；德國建筑工程項目并不追求高比例裝配率。而是通過策劃、設計、施工各個環節的精細化優化過程，尋求項目的個性化、經濟性、功能性和生態環保性能的綜合平衡[1]。然而，在我國實施工業化建筑仍處于起步階段，這樣的工廠預制建設工程相較發達國家，我國只占很小比例。對于影響建筑工業化發展的因素有很多，如供求關系，經濟規模，社會接受程度等是主要影響因素。此外，早期設計階段制造商和建筑師之間的協調不良以及建筑材料的有限應用等因素都阻礙工業化建筑的發展。因此，設計階段是工業化建筑發展的根源，只有革新設計方法，才能促使工業化建筑向前發展，完成建筑行業的工業化和可持續發展的目標。

1.2 具體設計方法

工業化建筑工程是由多個獨立的部分組成，這就需要很多不同專業學科的設計師進行設計工作。另一方面，隨著工程項目的逐漸深入，設計、施工和后期建設等不同階段項目參與人數的增加，可以稱為一組設計師，為工程項目的不同階段服務，他們需要組成一個團隊進行協作。所以，工業化建筑就要有一個具體設計方法，這個設計方法需要通過代碼，溝通媒介和標準，來避免所有設計參與者之間產生信息錯誤。由于參與項目的每一個團隊或者個人都有自己的工作區域，日程及目標，工業化建筑設計方法需要為他們建立起各種各樣的邊界來對他們進行約束，防止發生沖突。在制造業中，最常見的方法之一是模塊化設計方法。

2 模塊化設計方法及過程

由于工業化建筑項目施工的分散性與復雜性，需要改變傳統的公制模數制度，建立一個可以方便從建筑師到各級制造商再到施工現場進行組裝的協調一致的公制制度就尤為重要。因此，建筑業者參考模塊化協調的方法對工業化建筑進行設計施工。模塊化協調方法是使用模塊作為整個設計過程的基礎維度。通過定義模塊的等級并產生合適的方案進行設計生產的過程，而其他設計方面相應產生如高程、立面、節點、接口銜接等部分。根據歐洲生產力局在1961年的定義，“模塊化協調是一種系統，旨在協調工廠生產部件的尺寸與建筑物的設計”。同樣，模塊化協調是維度協調的一種形式，其基礎是使用基本單元，基本模塊以及建筑構件的尺寸。

工業化建筑首先是要求建筑設計標準化、模數化、實現預制構件的“少規格，多組合”，并依據裝配式建造方式的特點實現立面的個性化和多樣化。如圖2所示是南京萬科上坊保障房項目6-05棟平面圖。方案設計階段為最大限度地實現模塊化，將不規則的公共區域布置于建筑的兩端，中間采用標準的戶型模塊單元，

充分發揮了工業化建造建筑的優勢，最大限度地提高效率降低成本，采用工業化建造建筑的經濟性特點在這棟建筑得到較好的體現[2]。圖2中虛線框部分為標準模塊戶型拼裝部分。

工業化建筑模塊化設計最終應實現多樣化與定制化。模塊本身需具備可拓展性，具體可分為共享模塊、互換模塊、標準化模數、復合模塊、總線模塊與連接模塊等子項[3]，如表1所示。

表1 模塊化的可拓展策略

根據模塊化的概念，所有組件都是基于尺寸單位或基本模塊設計，用作尺寸協調中的增量或系數，能夠在設計概念中以最大的靈活性和便利性使用。模塊化設計過程是一個協調統一的過程，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]。

模塊化設計的應用為建筑材料，部品構件的規劃、設計、建造、組裝和后期管理起到積極進步的作用。實際上，模塊化協調設計為所有設計師和子項目的設計師定義了一個共同的標準，通過使用抽象的設計過程促進各部門，各專業的配合。對于模塊化這樣一種新策略進行正確的運用。實現工業化必須實現創新。模塊化設計方法構建起建筑工程項目標準化設計，對實現工業化建筑體系具有一定的分析和歸納作用[5]。

3 結語

隨著社會的快速發展，人口的增長和人們生活方式的改變，住房需求也隨之增長。傳統的施工建造方式施工工期長，施工質量參差不齊，無法保證，生產效率低等原因已經無法滿足人們的需求。因此，建筑行業也在尋求工業化道路來解決上述問題。模塊化的設計方法為建筑工業化開啟了新的思路，模塊化設計不僅推動設計過程，防止可能發生的沖突，還將設計項目歸類拆解，真正使建筑行業走向工業化、標準化。

[1] 盧 求.德國裝配式建筑發展研究[J].住宅產業，2016(6):26-35.

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

[3] 林正豪,袁小雨.預制建筑的批量定制策略研究——以Kieran Timberlake事務所的實踐為例[J].動感(生態城市與綠色建筑)，2017:27-29.

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

[5] 王 蔚.模塊化策略在建筑優化設計中的應用研究[D].長沙：湖南大學,2013.