面向定制化裝配式建筑的制造與裝配設計策略研究*
——以蓮花之居為例

韓冬辰 尹鴻璽 瞿 明 祝 建 汪叢軍

1 研究介紹

1.1 研究背景

傳統的混凝土現澆體系高度依賴當地建材和勞動力資源，與現代建筑產業的大范圍分布和多方協同模式相悖[1]。作為高效率的工業化建造方法，預制裝配技術在成本降低、工期縮短、人力節省、品質提升和環境友好等方面展現出巨大優勢，已成為實現建筑業可持續發展的重要途徑[2]。“十四五”期間，建筑業以“對標先進制造業”為發展目標[3]。制造業追求的高度定制化同樣成為建筑業的發展趨勢，尤其體現在復雜形態的建筑項目中。智能建造是實現復雜形態建筑制造與裝配的關鍵技術[4]。雖然智能數控、增材制造、機器人等多樣化技術日趨成熟，但定制化裝配式建筑的設計與建造并未實現革命性的效率提升。其中，暴露出的關鍵問題是建筑師在設計階段普遍缺乏針對定制化裝配式建筑制造與裝配階段的技術認知與研究前置。復雜形態建筑所需的非標構件種類多而批量少，加工復雜且安裝困難，高度定制化存在費用超支、工程超期、品質不可控等問題[5]。

針對定制化裝配式建筑的這一現實瓶頸，制造業產品設計的重要理論——面向制造與裝配設計（Design for Manufacturing and Assembly，DfMA）給建筑業的相關問題解決帶來了啟示[6]。制造業DfMA以消除產品設計與制造、裝配階段的流程割裂為目標，這與解決建筑業類似問題不謀而合。由于設計階段決定了建筑全生命周期80%的費用支出[7]，借鑒制造業DfMA并引入定制化裝配式建筑設計策略十分必要。因此，研究團隊將通過DfMA的建筑學視角研究，探索并建構面向定制化裝配式建筑的DfMA策略，并通過蓮花之居進行實踐驗證以形成實施框架，從而實現多階段、多參與方的集成化、協同式的設計與建造模式創新。

1.2 研究案例

蓮花之居項目是2018年中國國際太陽能十項全能競賽圣路易斯華盛頓大學的參賽作品（圖1）。作為按全尺寸空間要求打造的太陽能住宅，該項目在滿足居住功能和能源自給的前提下，嘗試應用DfMA策略來設計并建造具有復雜曲面形態的定制化裝配式建筑。團隊從蓮花中提取形態意向，由于雙曲面墻板、鋼結構、窗等定制化構件的尺寸受數理邏輯控制，尺寸均不相同。在形成韻律美感外觀的同時，也給設計與建造帶來較大的復雜性和不可控情況。

圖1 蓮花之居建成實景Fig.1 as-built image of the Lotus House

1.3 研究路線

本文采用“理論綜述—策略建構—實踐驗證”的技術路線，三步驟研究逐步推進且彼此關聯：首先，基于文獻研究梳理制造業與建筑業的DfMA策略異同；其次，分實施基礎、面向制造的設計（Design for Manufacture，DfM）和面向裝配的設計（Design for Assembly，DfA）三部分來建構面向定制化裝配式建筑的DfMA策略；最后，基于蓮花之居的設計、制造與裝配實踐來驗證上述策略的合理性，并總結出DfMA策略實施框架。

2 研究綜述

2.1 制造業與建筑業的DfMA策略

制造業的DfMA策略是DfM和DfA兩部分的有機結合：DfM要求產品設計融合制造過程經驗，從而使產品獲取良好的可制造性；DfA則要求產品設計應盡可能滿足裝配流程標準以使產品擁有較佳的可裝配性[8]。DfMA最早被福特和克萊斯勒等公司應用于二戰期間的武器生產，自此便成為制造業產品設計的重要理論和方法[9]。

將DfMA理論引入建筑業以期改變既有的僵化設計流程和低效率施工現狀已成為業內共識[10]。適用于裝配式建筑的DfMA策略可以理解為在設計階段通過滿足裝配式建筑的制造與裝配需求而使設計獲得良好的可制造性與可裝配性[11]。許多學者嘗試建構適用于建筑業的系統化DfMA策略：李建波等探討了木結構建筑的DfMA設計策略[12]；Lu等從起源、定義等七個方面綜述了與裝配式建筑相關的DfMA研究資料[10]；Tan等開發了包括文脈地域化、技術有理化等五個原則的DfMA應用指南[11]；Wasim等梳理了包括集成制造經驗總結、運輸效率優化和裝配流程加速等的DfMA施工策略[13]；英國、新加坡和中國香港等建筑業管理機構制定了適合本地區的DfMA工作計劃[14]。

2.2 文獻梳理問題

從建筑領域DfMA文獻中可以發現，不少研究直接套用既有的制造業DfMA策略。與具備可整體運輸、大規模生產等特征的制造業產品相比，建筑物的生成過程更具動態化和區域化[11]，機械照搬制造業DfMA策略并不科學。另外，大部分文獻強調裝配式建筑的構件標準化和統一化，這適用于形態規則而非擁有復雜造型的定制化建筑。目前尚未發現有針對定制化裝配式建筑的DfMA策略研究文獻。因此，需根據定制化裝配式建筑在設計與建造方面的特點進行新的DfMA策略建構。

3 面向定制化裝配式建筑的DfMA策略建構

3.1 DfMA策略的實施基礎

3.1.1 交付模式轉變：集成項目交付IPD

設計與后期階段相割裂是傳統建筑項目模式如設計—施工和設計—投標—施工等的固有缺陷。而轉變為集成項目交付（Integrated Project Delivery，IPD）是面向定制化裝配式建筑DfMA策略的建構基礎。IPD將體系、人力、技術和商務等整合為一，強調項目各參與方的早期介入、協同合作、利益共享和風險共擔[15]，因此能廣泛匯總各方需求與智慧并及時反饋設計團隊，從而實現項目的精益價值和結果最優化[16]。

3.1.2 設計邏輯統一：參數化設計方法

現有DfMA策略多用于常規形態的裝配式建筑，其核心是強調設計的標準化[10]。而定制化裝配式建筑的不規則造型決定了構件的形態復雜化和類型多樣化。智能建造設備雖可實現非標構件的快速生產，但控制生產所需的設計工作量和交付信息量都遠超常規建筑項目。因此，應通過非標構件的設計邏輯標準化來擴大DfMA策略的“構件標準化”概念，從而輔助智能建造技術實現定制化裝配式建筑的柔性制造和裝配。利用參數化設計方法統一設計邏輯是實現非標構件設計信息自動生成的關鍵，即通過標準化的生成式算法按照建筑師設定的形式邏輯自動將不同非標構件的前置條件處理成深化設計結果，如造型尺寸，分組編號、制造工藝、裝配方式以及成本造價等。

3.1.3 設計信息協同：建筑信息模型BIM

定制化裝配式建筑的復雜性對設計、制造和裝配階段的多參與方協同提出了較高要求，而BIM技術的應用將極大減少協同錯誤并在設計階段降低全生命周期成本[17]。隨著定制化項目的協同復雜度和自動化要求日益提高，BIM技術扮演的信息管理角色將越發重要。因此充分結合BIM技術，強調協同的DfMA策略才能得到最大程度的貫徹。

3.2 面向制造的設計（DfM）策略

3.2.1 預制裝配體系設計策略

由主體材料（預制混凝土、鋼結構、木結構與膜結構等）結合裝配系統（板式、框式、箱體式與復合式等）所構成的預制裝配體系設計是定制化裝配式建筑DfM策略的核心。而多種因素將共同影響主體材料和裝配系統的選擇，包括造型空間、項目位置、造價成本、交付周期與特殊需求（如近零能耗、可變空間、二次拆裝等）等。

3.2.2 拆分與重組設計策略

考慮到定制化裝配式建筑非標構件的形態和節點較為復雜，將所有裝配任務安排于現場將導致工期延長和品質不可控。而先在工廠將不同工種的構件組裝成模塊，后在現場將模塊組裝成建筑的二次裝配模式更為合理。因此，DfM策略將在造型設計的基礎上進行構件拆分與模塊重組設計。

構件拆分設計：綜合考慮造型設計、制造工藝、運輸能力、裝配吊裝等因素，合理拆分形態以形成尺寸和重量適宜的非標構件。

模塊重組設計：同樣考慮上述因素，在統一算法邏輯控制下對不同工種的參數化構件進行重組設計，從而形成新的非標單元模塊。

3.2.3 制造工藝設計策略

將非標構件從以造型尺寸為主的施工設計圖深化到具備實操條件的生產加工圖，需要制造方提前介入深化設計并重點考慮制造經驗、工藝需求與軟硬件能力等因素。

制造經驗：構件廠商應根據IPD模式將非標構件制造的相關經驗與知識整合入建筑設計中，避免由于建筑師的專業局限性而造成設計理解偏差。

工藝需求：設計階段應結合非標構件特點對制造過程中各加工步驟及對應的工藝需求進行梳理，從而反饋建筑師調整并形成各方都能接受的深化設計成果。

軟硬件能力：智能建造技術的軟硬件優勢和短板決定了制造方的工藝水平和設計方的造型創意，建筑師應充分掌握軟硬件能力，在方案和深化設計時揚長避短。

3.3 面向裝配的設計（DfA）策略

3.3.1 物流運輸設計策略

物流運輸設計是實現由工廠預制向現場裝配過渡的重要環節。DfA策略需綜合考慮地理位置、運載工具、道路條件和交通法規等因素，從而在設計階段選擇合適的構件廠商并設計效率高、成本低的物流運輸方案。同時，物流運輸設計將制約DfM策略中拆分與重組設計中構件與模塊的尺寸重量，并影響DfM策略中關于預制裝配體系設計的決策。

3.3.2 裝配流程設計策略

裝配流程設計需要建筑師整合多工種關于工地布置、人員進場、物料堆放、裝配順序、交叉作業和機械擺位等流程經驗，盡可能在設計階段減少因作業空間有限、人員經驗不足和動力機械限制等對現場裝配的不良影響。裝配流程設計應充分發揮BIM技術針對構件設計和模擬的可視化優勢，通過碰撞檢查和施工模擬來預估可能出現的構件位置和人員操作沖突。

3.3.3 誤差控制設計策略

相比于改進工藝水平以提升構件精度需高成本投入，通過設計階段的誤差控制以避免各工種制造和裝配的誤差累積更適合現階段的定制化裝配式建筑發展[18]。適用于DfA策略的誤差控制設計內容如下。

容差設計：在設計階段充分考慮各構件與模塊在裝配過程中可能出現的誤差類型與范圍，在通過合理設計以盡可能規避裝配誤差的同時為各安裝工種制定可接受的容差標準。

節點設計：通過設計具有調節作用的“彈性”節點來消除或減小誤差，避免裝配過程中上游工種誤差傳遞并累積給下游工種。

誤差校驗：借助三維激光掃描技術可實時獲取裝配各環節現狀，通過與BIM模型比對即可對各環節誤差進行校驗，從而反饋建筑師做出合理、及時的設計變更。

4 基于蓮花之居的DfMA策略實踐驗證

4.1 DfMA策略的實施基礎實踐

研究團隊在確定以蓮花花瓣為造型意向后，第一時間協調墻板、鋼結構、窗和家具等非標構件的制造廠商。以IPD為項目運作模式組織各方根據產品特點共同進行方案和深化設計。研究團隊基于參數化設計方法，以斐波那契數列為形態生成的數理邏輯（圖2），確定了各類非標構件的幾何尺寸并深化功能平面（圖3）。將BIM技術與參數化設計方法相結合，以Revit+Dynamo為構件建模與可視化編程工具，用一套生成算法實現各類非標構件的復雜形態生成（圖4）。同時，用此算法關聯節點設計、物料統計、制造深化、裝配模擬和圖紙生成等多種設計任務，實現一方修改后的多方聯動。

圖2 參數化設計的概念演變Fig.2 concept evolution of the parametric design

圖3 平面圖示意Fig.3 the floor plan

圖4 包含墻板、鋼結構和場地鋪裝等定制化構件的BIM模型Fig.4 the BIM model including the wall panel, the steel structure and the floor covering

4.2 面向制造的設計（DfM）策略實踐

考慮到緊張的施工周期和較短的運輸距離，研究團隊決定采用板式裝配體系以平衡工廠制造與現場裝配的時間。針對蓮花之居類似圓柱體變形的體量特征，構件拆分設計將建筑劃分為6個居住單元、1個中庭單元和1個入口單元，并將主要影響建筑形態的居住單元進一步拆分為屋面、墻面、內墻和地面等多個復合模塊（圖5）。模塊重組設計也充分考慮制造和裝配條件并及時調整了方案。以墻面模塊為例，原設計將玻璃纖維增強混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GFRC）外墻板、玻璃纖維增強石膏（Glass Fiber Reinforced Gypsum，GFRG）內墻板、鋼框架和保溫材料等在工廠進行模塊重組（圖6）。后考慮到工廠制造、物流運輸與現場裝配過程中可能存在的曲面板破損，因此調整為對GFRC外墻板與鋼框架進行一次裝配（圖7），并與GFRG內墻板等其它構件共同運輸至現場進行二次裝配。

圖5 構件拆分設計Fig.5 the partition design

圖6 墻面模塊重組設計Fig.6 modular design of the wall panel

圖7 GFRC外墻板與鋼框架在工廠進行一次裝配Fig.7 the first assembly of GFRC panel and steel frame

結合GFRC、GFRG材料特性與雙曲面特征，制造工藝設計的主要矛盾聚焦在曲面板澆筑模具。經過與廠商的充分溝通，研究團隊選擇了人工拼裝木模具、數控機床切削泡沫模具和機械臂打印塑料模具這三種工藝以適配不同部位的曲面板澆筑。根據制造經驗、工藝需求與設備性能等因素，研究團隊設計了三種模具的制造工藝流程并調整了原曲面板的曲率、尺寸等深化設計內容，更好的適配廠商的人工和設備條件，確保非標構件的高品質制造（圖8-10）。

圖8 墻面板的木模具制造過程Fig.8 manufacturing of the wood formwork for the wall panel

圖9 屋面板的泡沫模具制造過程Fig.9 manufacturing of the CNC foam formwork for the roof panel

圖10 局部墻面板實驗的三維打印模具制造過程Fig.10 manufacturing of the 3D printed formwork for the partial wall panel

4.3 面向裝配的設計（DfA）策略實踐

針對物流運輸設計，研究團隊充分考慮板車裝載能力、道路運輸條件、現場卸貨空間等因素，設計了包含運載固定支架、物流運輸路線、裝卸貨計劃等方案（圖11-12），以實現最小運輸趟數和施工現場零倉儲。裝配流程設計以建造重點的墻面模塊為例，研究團隊根據其構件尺寸和重量設計了吊裝節點（圖13），配合單吊車作業完成所有墻面模塊的高精度裝配（圖14）。為實現多工種交叉作業以縮短裝配時間，研究團隊應用BIM技術的碰撞檢查與施工模擬，反饋修正各工種的裝配流程，提前排除沖突。

圖11 運載固定支架Fig.11 the design of fixed support

圖13 吊裝節點設計Fig.13 the design of the hoisting plan and hanger elements

圖14 墻面模塊裝配Fig.14 the assembly of the wall panel modulars

針對誤差控制設計，研究團隊設定了各類構件制造與裝配的容差范圍以統一施工過程中的監理標準。蓮花之居的最大裝配誤差來自墻面模塊，因此在節點設計上采用了連接件加焊接的固定方式，留有容差余量用于消化低制造精度、運輸變形和裝配定位不準等誤差。在誤差校驗環節，研究團隊采用了手持式和站立式三維激光掃描儀對三種澆筑模具、鋼框架、竣工建筑進行點云信息采集（圖15），分別應用RealWorks和Geomagic軟件進行數字重建與點云-BIM模型比對（圖16），從而得出誤差分析結果（圖17）。其中鋼框架制造的誤差較大，影響了與GFRC外墻板的一次裝配。研究團隊根據誤差結果對連接節點進行設計變更，以消解鋼框架形變造成的與外墻板間距不足，避免了返工導致的工期延誤。

圖12 運輸板車裝載Fig.12 the transportation design of truck loading

圖15 針對曲面板模具的三維激光掃描Fig.15 3D laser scanning for formworks

圖16 竣工建筑的點云模型Fig.16 the point cloud model of the as-built Lotus House

圖17 曲面板模具和鋼框架的點云-BIM模型比對的誤差結果圖示Fig.17 error comparison analysis of the curved panel frameworks and steel frame

5 研究結論與展望

研究梳理了面向定制化裝配式建筑的DfMA策略實施框架（圖18）。團隊基于DfMA策略圓滿完成蓮花之居的設計與建造，最終實現該項目的低成本、短周期、高品質目標。DfMA策略強調制造與裝配需求的提前介入。建筑師需打破只負責建筑設計的固有觀念，而應通過前期設計階段對后續制造與裝配階段的針對性研發，協同各參與方配合設計，從而最大程度提高設計合理性。建筑師應充分了解制造與裝配的工藝和流程，通過設計提高非標構件的可制造性和可裝配性，減少因設計與制造、裝配的不適配而導致的錯誤返工、效率降低等問題。

圖18 面向定制化裝配式建筑的DfMA策略實施框架Fig.18 the framework of the DfMA Method for customized Prefabricated Buildings

本文關于建筑領域的DfMA研究旨在為建筑師提供面向定制化裝配式建筑的設計建造一體化流程參考。未來將基于預制裝配和智能建造技術研究，有針對性的開發不同裝配體系的DfMA策略，在完善建筑DfMA理論的同時不斷以項目實踐來驗證和反饋修正相關策略。

圖片來源

圖1、7、11-12、14-15：作者拍攝

圖2-6、13、16-18：作者繪制

圖8-10：作者拍攝繪制