裝配式建筑的多樣化設計方法研究*

宗德新 楊青清

1 研究背景及意義

裝配式建筑有利于節約資源、保護環境、提升品質、提高效率，促進可持續發展，是建筑行業的重要發展方向。標準化是實現裝配式建筑工業化生產和快速建造的重要方法。近年來，中國大力推進裝配式建筑發展，對于裝配式建筑各環節各層面的關注、研究、實踐進行得如火如荼，在此過程中，標準化與多樣化之間的矛盾日益凸顯，在盡量標準化的前提下如何實現裝配式建筑的多樣化成為值得研究和關注的問題。

葉浩文認為“擔憂平面立面多樣性不夠，認為裝配式建筑產品會千篇一律”是裝配式建筑發展中亟待解決的七個難題之一[1]；王狄龍認為“裝配式建筑的標準化設計與人們的個性化需求存在沖突”[2]；沈祖炎、李元齊提出“標準化是工業化建造的基礎，個性化是工業化建造成敗的關鍵”[3]。一些建筑師早在20世紀的實踐過程中便關注了多樣化：康拉德·沃克斯曼（Konrad Wachsmann）認為預制建筑應該從最少數量的組件、模塊中獲得最大的變化[4]；哈伯瑞肯（John Habraken）認為預制建筑必須是靈活的，機械化生產不必建造統一的房屋，而是組裝成無數的種類[5]。

裝配式建筑的標準化設計不是完全依賴標準構件庫的“機械”式組合，很難像其他工業產品一樣完全采用大批量地復制性的方式生產，如何協調好標準化與多樣化之間的矛盾對裝配式建筑的設計提出了更高的要求。本文從建筑師的角度出發，通過對國外具有代表性建筑事務所的典型項目進行研究，對項目中的成功經驗進行分析與總結，進而提出對裝配式建筑的多樣化設計具有普遍指導意義的設計方法。

2 國內外相關研究進展概述

國外相關研究聚焦到結構與技術層面的比較多，但關注“多樣化設計”的相對較少。詹姆斯·巴洛（James G Barlow）、大衛·甘恩（David Michael Gann）等學者研究了日本的大規模定制房屋的產品、工藝創新以及菜單式定制的經驗，甘恩強調“建筑開發商需要應對與客戶選擇、管理環境和場地條件相關的更大程度的靈活性”；卡琳·桑德伯格（Karin Sandberg）提出預制木元素可實現住宅建筑立面的可持續翻新和多樣化選擇[6]；薩拉（A.Sarja）將開放建筑系統與工業化結合，研究了其發展現狀及方法，認為裝配式建筑需要在全生命周期適應功能更改、立面更新等動態變化[7]。上述研究主要關注裝配式建筑的靈活性、可變性、適應性，對于具體的、系統的多樣化設計方法提及較少。

國內關于裝配式建筑的多樣化設計的現有研究成果主要從以下幾個視角展開。王廷魁、杜長亮、崔艷秋、劉暢等從參數化、數字技術角度出發，結合BIM技術提出設計策略，以實現基于構件庫與軟件平臺的多樣化組合和方案優化[8-9]；樊則森、劉陽、張宇、郝杰等從建筑構成要素層面出發，針對形態、立面、空間、內裝的相關方面，針對性地提出了多樣化設計策略[10-17]；樊則森結合被動式建筑、綠色建筑、智能建筑等技術，研究在實現裝配式建筑可持續發展的基礎上凸顯多樣化[10]。

總的來看，現有研究已經對裝配式建筑多樣化設計問題提出了一些可行的策略及建議，但研究的深度和廣度還顯不足，還應該對此問題的研究進行深入和拓展。

3 典型案例分析

針對裝配式建筑發展過程中如何進行多樣化設計的問題，本節中選取國外在裝配式建筑領域代表性建筑設計事務所的典型案例，對其中的設計思想與方法進行分析和總結（表1）。

表1 國外代表性建筑事務所的裝配式建筑多樣化設計實踐探索Tab.1 exploration on diversified design practice of prefabricated buildings in representative foreign architectural firms

基蘭·汀布萊克事務所（Kieran Timberlake）創始者史蒂芬·基蘭（Stephen Kieran）、詹姆斯·汀布萊克（James Timberlake）認為重復的外觀和實體不再是預制房屋的先決條件[18]，他們追求“能根據場地條件、使用功能以及業主的要求，建造差異化、個性化的建筑”。基蘭·汀布萊克事務所在西德威爾友誼中學三層翻新項目中，以開發高性能外殼為目標，希望增加綠色建筑的性能和減少廢物。為平衡室內熱舒適度和自然采光，在北面，預制面板沒有設置遮陽，在南面設計了帶有水平的鋁制百葉窗，在東面和西面，設置了垂直的百葉系統阻擋清晨和傍晚太陽的方位角，最終確定20~30種不同的類型，細節都略有不同，創造了舒適的室內環境的同時賦予了建筑豐富的立面（圖1）。表皮材料以再生紅雪松木為主，室內裝修選擇高循環利用率、低揮發性的有機化合物，以及可快速再生材料，該項目還設置了集水區、創新的暖通空調系統和太陽能煙囪，其能耗比傳統規范建筑低60%。該建筑將“可持續”貫穿始終，以此為出發點給建筑賦予了獨特性。

圖1 西德威爾友誼中學Fig.1 Sidwell Friends Middle School

巴爾科夫·賴賓格事務所（Barkow Leibinger）在德國柏林中央火車站附近先后完成道達爾德國總部大廈（Tour Total）與蒙奈辦公大樓（Monnet 4）。道達爾德國總部大廈（圖2a）共18層，其彎曲折疊后的體積被白色預制混凝土外墻覆蓋，該表皮由1 395個獨特的多面立體雕塑化預制混凝土構件單元組成，生產工藝精美，安裝精確。立面構件使得整個立面富有層次感十足的光影變化，看上去活潑、干凈、精致，且賦予室內均質的光照和開闊的視野。該建筑將普通的建筑材料通過精細化設計加工，完美細致地展現了裝配式建筑表皮的工藝之美。蒙奈辦公大樓（圖2b）共6層，同樣覆蓋著浮雕般的表皮，不過是木質的，其多面外觀源于一個不對稱的基本模塊，以微小的變化和旋轉產生了多種組件，這些組件組合在一起產生了像紡織品一樣柔軟波動的外觀效果。二層以上主要作為辦公空間，其中的模塊化隔斷允許根據使用需要的變化靈活地布置為開放式空間或劃分為小隔間。

圖2 德國柏林道達爾德國總部大廈與蒙奈辦公大樓Fig.2 Tour Total and Monnet 4, Berlin, Germany

地方建筑事務所（Local Architecture）設計的位于瑞士洛桑市中心城區的弗隆酒店（Flon）（圖3），平面上以獨立客房為基礎單元，外墻采用重復的預制混凝土板單元體，建筑立面玻璃窗在外壁表面形成了褶皺狀的凹痕，窗戶的非矩形輪廓、窗戶過梁和飾面墻構成了完整、簡單的幾何圖案單元，每個預制單元相似卻并不完全相同。該建筑所用預制構件的形式都較為簡單，且種類和數量都比較少，卻通過構件組合表現出韻律感，虛實得當，創造出了大氣、干凈、穩重感，在建筑群中顯得特別矚目。

圖3 弗隆酒店Fig.3 Flon Hotel

FJMT事務所設計的阿納達拉大樓（Anadara）以地、水、天為象征，北側利用醒目的白色曲線，創造了富有表現力的有機形式——“云”（圖4）。“云”的彎曲形式是通過固定和可操作的穿孔屏幕單元創建，這些屏幕可以沿著柔和的曲線滑動，根據各時段采光需求不同形成變化的表皮效果。公寓南側部分利用了可以滑動的赤陶土彩色遮陽幕墻構件，與北側一同創造了隨機變換的建筑表皮效果，提供了良好的海濱眺望視野。

圖4 阿納達拉大樓Fig.4 Anadara Building

新加坡WOHA事務所設計的樟宜機場皇冠假日酒店擴建二期工程（圖5），共10層，243套客房，外幕墻采用預制的方式，客房部分用豎向構件包裹整個體量，并且在豎向構件之間結合了立體綠化，仿佛穿上了用綠色點綴的瀑布般的外衣。每個套房單元都是一個完整的產品，內裝采用與酒店城市度假主題相聯系的材料，細節精致，體現了新加坡的特色——熱帶、亞洲、多元文化、熱情而又國際化、高效而時尚。在運往新加坡之前，房間地毯、瓷磚和酒店房間里的所有其他固定裝置與模塊箱體一同生產完成，然后運輸至現場像樂高積木一樣堆疊而成為建筑整體。

圖5 新加坡樟宜機場皇冠假日酒店擴建二期Fig.5 Crowne Plaza Singapore Changi Airport expansion phase II

通過對這些經典案例的解析可以看出，裝配式建筑的多樣化設計主要關注點在于：把控建筑的材料、細節、工藝、技術；實現建筑模塊和構件的少規格多組合；創造建筑的靈活可變性；重視建筑的可持續發展。這些設計方法體現在了建筑形態、立面、空間、內裝等幾個方面，為建筑賦予了個性化特征。

4 裝配式建筑多樣化設計方法

本節中將對裝配式建筑從形體、表皮、空間和內裝幾方面進行多樣化設計的具體方法展開研究和探討。

4.1 形體的多樣化設計

4.1.1 模塊單元的多種組合

裝配式建筑多以具有自相似性的單元模塊通過迭代堆積生成。裝配式建筑現狀之所以大部分外觀死板，很大程度上是局限在了直上直下單一堆疊的設計思維里。為了突破這一局限，可將單元模塊的組合方式分成規則和隨機兩種形式。規則組合，即是在組合規律一定的情況下，尺寸上做開間進深模數協調，在立面上組合出微差變化的凹凸序列，創造具有韻律感和秩序感的陰影效果，增加虛實對比，如斯德哥爾摩大樓，通過凹進的戶外空間和凸出的起居室，形成了豐富的立面紋理（圖6a）；隨機組合，即是在尺寸一定或相似的情況下，作參差錯落的隨機堆疊，打破傳統均衡美學法則，讓建筑有種自組織的無限生長性和張力感，形成活潑靈動的形體效果，如1967年蒙特利爾世界博覽會棲所67項目（Habitat67），所有住宅單元都是預制模塊，通過隨機組合的方式創造出錯落有致的建筑形體（圖6b）。

圖6 模塊單元的多種組合Fig.6 multiple combinations of modules

4.1.2 模塊單元的多種類型

庫爾曼建筑公司（Kullman Buildings Corp.）指出，建筑師經常問他們一個問題：“模塊化必須方形嗎？”[19]傳統的預制模塊一般以方形盒子居多，雖然方形盒子在生產、運輸、施工上具有一定的優勢，但是同樣也很容易做出雷同的產品。若大膽嘗試其它模塊類型，如三角模塊、六邊形蜂窩模塊等，將會給裝配式建筑的多樣化塑造找到一個非常好的突破口。如普雷希特事務所（Precht Studio）三角形模塊+垂直農場概念設計，該建筑系統可根據居住和農業需求，選擇模塊通過不同的排列組合創造出一系列具有一定靈活性的空間布局（圖7）。

圖7 “三角形模塊+垂直農場”模塊系統Fig.7 “vertical farm in the city” modular system

4.1.3 形體與環境的呼應

建筑與環境的關系常采用對比或融合兩種方法來處理。對比指的是建筑為了從環境里強調出來，與環境的互動不強烈。融合，一是指對地形地貌的融合，建筑形態盡量較少對原始地形地貌的破壞；二是將環境引入建筑，應對周邊建筑現狀、自然環境等考慮景觀視線、光照、通風等需求塑造獨特的建筑形態，如利用架空、退臺等方式創造開敞空間，削弱界面，與環境產生互動的同時創造出活潑的建筑形體。

4.2 表皮的多樣化設計

建筑表皮是建筑展現在人們面前的第一張名片，裝配式建筑表皮需要兼具功能性、整體性、技術性、文化性、美觀性考慮，并遵循模塊化、標準化、系列化、組合多樣化的設計原則，預制表皮構件主要包含外墻板、門窗、外遮陽、陽臺及屋頂等。

4.2.1 預制外墻板的多樣化設計

預制外墻板的多樣化設計可以通過模數協調（圖8a）利用不同飾面材料外墻構件的不同基本物理屬性（色彩、質感、肌理）的組合對比設計（圖8b）；或是利用同種材料外墻構件的分格、拼接肌理來達到特有的視覺效果（圖8c）；除了利用材質的原始肌理之外，還可對材料進行二次加工，例如金屬板穿孔、石材反打工藝等。在采光、通風、窗墻比等控制條件下，結合門窗洞口、陽臺、遮陽等構件進行有規律的組織排列，使外墻板系統呈現出漸變、發散、重復、近似、變異、聚集、對比等肌理邏輯特征。

圖8 基于模數協調表達材質的基本物理屬性Fig.8 expressing the basic physical properties of materials based on modulus coordination

4.2.2 預制窗洞的多樣化設計

預制窗洞的洞口尺寸和位置需要根據內部空間功能需要，考慮熱舒適性、采光、通風等來確定，結合預制外墻板整體考慮；靈活利用窗洞的形狀和玻璃本身的顏色、透明度、光澤度等的不同，以及窗洞口本身的內凹進深和兩側墻體傾斜角度的變化，也可附加遮陽設施，實現保溫、隔熱、通風、遮陽一體。立面窗洞應成組布置，形成完整的立面序列構圖，通過漸變、突變、均質、發散、對比、隨機等組織手法來創造立面主要視覺特征。

4.2.3 預制外遮陽的多樣化設計

外遮陽設計要同時兼具藝術美感、實用功能（遮陽、隔聲、通風組織、視線組織等）、技術創新（應對氣候變化智能可調節）。采取建筑構件自遮陽時，可考慮調節窗洞口尺寸和內凹進深，或采用陽臺自遮陽；采用設施遮陽時，應主要考慮活動式遮陽，如百葉式、折板式活動遮陽，可實時調節應對環境的變化，滿足當下的需求；還可以結合光伏板和立體綠化等技術。將外遮陽作為表皮藝術考慮時，從點到線到面再到體，外遮陽在整體把控組織設計的情況下，可賦予建筑表面豐富的光影感、韻律感、虛實感，為建筑穿上多樣化的外衣。為了營造低能耗、高舒適人居環境，應推動智能化控制技術，動態調節室內光熱舒適性能與通風[20]，并在外觀上呈現動態、隨機的表皮效果。

4.2.4 預制陽臺的多樣化設計

陽臺可以進行進深和開間上的模數協調，在立面上形成凹凸變化；將陽臺構件基本形態作為設計要點之一，可設計成弧形、三角形、矩形等，亦可根據各項功能需要結合空中花園、立體農場、太陽能板、活動遮陽等綠色手段。當陽臺被作為基本單元營造表皮藝術效果的時候，要注重其色彩、材質、形式的組合，把控好整體序列，遵循一定的生成原則，連續、錯位、隨機、漸變、突變等，創造出豐富的立面光影虛實效果。

4.2.5 預制屋頂的多樣化設計

屋頂作為建筑的第五立面，其多樣化設計不管對建筑單體的形象還是城市整體的形象，都很重要。簡單的坡屋面可通過改變材料的色彩、質感、拼接肌理等實現多樣化，可在其上設置光伏板或設計成綠化屋面，平屋頂可通過退臺、增加虛實構架等方式進行藝術化處理；復雜的異形屋面，可以通過參數化設計得到數據信息模型，幫助設計和建造，在材料選擇上可大膽創新，且通過切割、彎曲等工藝創造多種外觀效果。

4.3 功能空間的多樣化設計

4.3.1 設計可變的彈性空間

建筑在世界各地因氣候和文化的不同而不同，但舒適性的問題是持續存在的[21]，建筑物的設計和建造必須長期滿足其所有者和居住者的使用需求[22]，以實現其最佳性能。在設計之初就應考慮其生命周期中的可持續性，讓使用空間在功能更迭環節適應使用者當下的生活習慣、經濟水平、審美差異、家庭結構等的變化，強調適應性與可變性。建筑應采取結構主體與內裝、設備獨立開來的建筑體系，削弱支撐體等不可變體對內分隔墻體系等可變體的不利影響，為多樣化的變化活動提供未定義的、模糊的、可生長的彈性空間，利用可移動、拆卸的墻體，以及可供滑動、旋轉或折疊的可移動部件重新配置空間（在此過程中要注意組件的可拆卸、可更換設計以及組件、材料的可回收與再利用）。

以可變隔墻為例，通過改變靈活隔墻的位置，可以在不增加建筑面積、不改變建筑主體結構的前提下調整功能空間的大小配比，實現功能空間的拆分、合并，提供多樣化的使用環境。靈活隔墻的自由度決定了空間發揮可變性的彈性能力，從單體建筑層面，結構框架是影響隔墻自由度的最大的控制因素，包括結構框架的規整程度及結構體系類型，當聚焦到戶內的空間分隔，不可變或難變墻體的開窗、開門方式及位置等要素，同樣會影響隔墻自由度（圖9）。

圖9 影響可變隔墻自由度的控制因素Fig.9 control factors affecting the degree of freedom of variable partition wall

4.3.2 開發模塊化功能單元的系列化組合

模塊化設計是一種系統的設計方法，即是用具有特定功能的單元模塊作為構件基塊，用有限的標準模塊實現無限的2D（平面）系列組合及無限的3D（形體、立面、空間）系列組合與生長，產生不同功能、不等規模、不同性能的多樣化的建筑方案，適應特定的使用功能需求以及場地條件。在此過程中，充分利用裝配式建筑集成化、模塊化的特點對各個功能模塊進行集成，提高建設效率和建設質量[23]。

標準模塊的定義根據形成的目的產品有所不同，以住宅建筑為例（表2），標準化模塊可小至標準化部品模塊，大至衛生間、廚房、臥室等標準化功能空間模塊，再拓展至多種標準戶型模塊，組合成系列樓棟平面。以整體衛浴為例，可以通過衛生間標準化功能模塊單元（洗漱區、如廁區、淋浴區等）實現系列化的平面組合，以滿足不同的戶型平面及多樣化的使用需求（圖10）。

表2 標準模塊層級及目的產品Tab.2 standard module level and target products

圖10 衛生間標準化功能模塊與系列化組合平面Fig.10 standardized functional module and serialized combination plane of toilet

4.4 內裝的多樣化設計

4.4.1 注重部品部件的細節設計

決定室內裝修品質的高低往往在于其細節設計及工藝處理，需要細致入微的考量以及個性化的創意。細節設計需要表達文化內涵，將文化轉譯為顏色、圖案、材料、線條等運用于裝修，為不同的業主塑造特定的文化氛圍；細節設計需要展現風格，即各裝修局部需要與整體風格定位相協調，在色彩搭配、材料選擇、制作工藝、部件形態等每個方面都細細考究，繁簡適度，虛實得當，實用美觀；細節設計需要體現人性化，以使用者的身體狀況、生活習慣、個人愛好等信息作為設計的基礎。

4.4.2 實現部品部件的菜單式定制

內裝多樣化設計的目的在于滿足不同人群的個性、藝術、生活品質等個人需求，實現這一目的關鍵在于定制化設計，讓業主參與其中。定制化要在標準化模數化的控制之下執行，實現系列化通用化從而實現成本控制和質量控制。

菜單式定制裝修模式即是對不同的裝修部位提供了可供選擇的預制部品部件樣式及材料范圍，注明材料質地、顏色、尺寸、性能、價格等信息，業主可以根據自己的喜好選擇進而進行不同的組合，通過比選確定裝修方案。

5 結語

發展裝配式建筑需要全行業的協同和創新，建筑設計在裝配式建筑產業鏈中發揮著重要的作用，在強調“標準化設計”的同時還應當充分重視裝配式建筑的“多樣化設計”。論文通過分析裝配式建筑多樣化典型案例，從裝配式建筑形體、表皮、空間、內裝四個方面展開對多樣化設計方法的探討，推動標準化與多樣化的有機結合，滿足使用者的個性化需求，希望能為促進裝配式建筑的高水平發展產生積極的作用。

圖表來源：

圖1：TIMBERLAKE K.Sidwell Friends Middle School[EB/OL].(2010-07-22)[2022-11-21].https://kierantimberlake.com/page/stewart-middleschool.

圖2：Johannes Foerster, Robert Mehl, Philipp Meuser, Christian Richters, Corinne Rose拍攝

圖3：Matthieu Gafsou拍攝

圖4：John Gollings, Brett Boardman, Rose Repetti, Andrew Chung拍攝

圖5：房谷網.新加坡樟宜機場皇冠假日酒店擴建二期工程[EB/OL].(2016-06-24)[2022-11-21].https://mp.weixin.qq.com/s/TC5vtf7wtDr7CS00eVXFNw.

圖6a：Laurian Ghinitoiu拍攝

圖6b：Jade Doskow拍攝

圖7：BALDWIN E.Precht Designs Timber Skyscrapers with Modular Homes and Vertical Farming[EB/OL].(2019-02-25)[2022-11-21].https://www.archdaily.com/912058/precht.

圖8-10：作者繪制

表1-2：作者繪制