建筑工業化建造模式設計階段的研究

譚劍鋒

隨著全球可持續發展戰略的推進以及科技的飛速發展，建筑行業正面臨著轉型升級的挑戰，迫切需要在提升工程效率、節能減排和質量控制等方面取得突破。徐光苗等[1]認為，從組織管理模式、建造技術選型、標準化設計、智能建造等方面進行智能建造與建筑工業化協同發展綜合策劃，以數字化設計、智能化生產、智慧工地及數字化交付等實現智能建造。黃光球等[2]依托互聯網、大數據及BIM等智能化技術，提出構建基于智能建造的建筑工業化發展模式。李磊[3]分析了裝配式混凝土結構設計應用BIM技術的施工流程，研究該技術提升設計精度和提高全過程建筑的工期、環保效益以及經濟效益等優勢。

本文在此基礎上，提出和分析工業化建造在設計階段的應用方法與策略，通過對比分析傳統設計方法和工業化建造設計方法的不同之處，明確采用工業化建造可以在設計階段增強效率，節約成本，同時減少對環境的不良影響，提升建筑物的整體性能，促進建筑行業的綠色發展。

1 建筑工業化建造流程與設計階段的關聯

1.1 工業化建造流程總體框架

工業化建造流程總體框架是建筑設計階段應用的核心，它體現了設計與生產的深度融合。該框架以提高建造效率、降低成本、確保質量和可持續發展為目標，強調標準化、模塊化、信息化和自動化的設計理念。在現代建筑工業化建造中，設計階段的每個決策都直接影響后續的制造和施工，設計階段的工業化建造流程尤為關鍵。

在工業化建造流程的總體框架中，首先是前期準備階段，主要包括市場調研、選址評估、投資分析和設計目標的制訂。隨后進入設計規劃階段，通過初步設計和詳細設計，將前期準備的成果轉化為具體的建筑方案。在初步設計階段，根據前期的目標制訂建筑的基本方案。詳細設計階段需要對建筑方案進行深化。設計完成后，進入技術準備階段，包括設計的優化、生產準備和施工準備。設計優化主要基于模擬分析和成本控制，通過對設計方案細化，確保設計在技術和經濟上均為最佳方案。生產準備則涉及制造工藝的選擇、設備的購買和生產線的布局。施工準備則需要做好施工圖紙的審核、施工隊伍的組織及施工現場的準備等。接下來是生產制造階段，這個階段是工業化建造流程的核心。它通過預制構件的生產提高建筑的施工效率。預制構件的生產需要嚴格按照設計圖紙和技術規范進行。質量控制在整個生產過程中貫穿始終，確保預制構件的精度和性能滿足設計要求。最后是施工組裝階段，預制構件運輸至施工現場后，將按照設計方案快速組裝。由于構件已在工廠進行預制，現場施工主要是組裝和連接，這大大縮短了施工周期，降低了施工成本。由于預制構件的標準化和模塊化，施工現場的浪費得到了有效控制，工程的整體質量也得到了保證。

1.2 設計階段在建造流程中的作用

在建筑工業化建造的過程中，設計階段不僅明確了項目的視覺和功能要求，還確立了建筑工程的技術規格和建造方法，是建筑項目從概念到現實轉化的橋梁，是確保項目質量、成本控制和時間管理的關鍵環節。

設計階段在建造流程中的作用首先體現在工程可行性評估上。在此階段，通過對項目地點、環境影響、建筑材料和建造方法的深入研究，設計師能提出一系列既實用又創新的建造方案。這些方案必須滿足客戶的需求，同時遵守當地的建筑法規和標準。

設計階段還包括對建筑工業化建造方法的選擇與優化。隨著技術的發展，建筑行業已經逐漸采納了如預制技術、模塊化建造和數字化施工等先進方法。這些技術能夠提高建造效率、減少現場作業的安全風險，并降低環境污染。設計過程中的技術選擇對工程成本和進度有直接的影響。

設計階段在確保建筑質量方面也舉足輕重。設計師必須確保所提出的設計方案能夠在施工過程中得以精確實施，這需要設計方案在精確性、可行性和可靠性上經得起考驗。質量控制的重要性在于，一旦設計缺陷在建造過程中被執行，修正這些錯誤的成本將會遠遠超過設計階段的投入。

1.3 設計階段的挑戰與機遇

挑戰首先是設計的復雜性顯著增加。工業化建造要求在設計階段就考慮到生產、運輸和裝配的各項要求，這導致設計師需要具備跨學科的知識。結構設計不僅要滿足建筑物自身的穩定性和使用功能，還要考慮到構件的加工制造和裝配的可行性。

信息的協同管理是設計階段面臨的重要挑戰。工業化建造涉及的專業領域多，參與者眾多，信息共享與協作變得至關重要。設計信息的不對稱或失真可能導致生產和施工階段的巨大損失。因此，建立高效的信息管理系統，如采用BIM 技術，成為設計階段必須克服的難題。

成本控制也是設計階段必須面對的挑戰。工業化建造的設計往往需要前期較高的投資來優化設計、購買專用設備和模具等。如何在設計階段有效控制成本，對項目的經濟效益具有決定性影響。

挑戰之中也孕育著機遇。設計階段的工業化應用促進了設計標準化與模塊化，這不僅提高了設計效率，而且通過模塊化設計能夠實現快速裝配和建筑物的可持續發展。標準化的設計模塊可被重復使用，縮短了設計周期，同時減少了材料浪費和現場施工的環境影響。

技術進步也為設計階段帶來了新的可能性。BIM 技術的應用，讓設計師能在虛擬環境中進行建筑模擬，優化設計方案，同時促進了團隊成員之間的信息共享與協同工作。通過BIM模型，可精確分析建筑物的能耗、結構穩定性等關鍵因素，確保設計方案的科學性和前瞻性[4]（圖1）。

圖1 某公建BIM 模型展示（來源：作者自繪）

2 標準化（模塊化）設計模式

2.1 標準化設計的原則與應用

標準化設計是建筑工業化建造設計階段的核心原則之一，其目的在于通過規范化的設計元素和模塊化的構件系統，實現設計和施工的高效性、可重復性和經濟性。標準化設計的原則與應用在實際建筑項目中體現為：

1）標準化設計要求設計者深入理解并運用統一的設計規范和行業標準，如相關的建筑結構、安全、節能、環保等方面的規范。這些規范和標準為設計提供了基本的標準，確保了建筑的基本性能和質量。

2）標準化設計強調構件的通用性和互換性。通過采用標準化的構件，如樓板、梁、墻板等預制構件，不僅可以實現快速組裝，還可以在不同的項目之間進行資源的調配和循環利用，提高材料的使用效率。在設計階段考慮構件的通用性，可以促進構件的大規模生產，進而降低成本。

3）標準化設計還涉及建筑設計的可持續性。標準化的模塊和構件易于拆卸和重組，有利于建筑物的改造、升級和循環再利用，減少了建筑廢棄物的產生，有助于實現綠色建筑和可持續發展的目標。

4）標準化設計中設計信息管理非常重要。隨著BIM 技術的應用，標準化設計信息可以被有效地管理和傳遞。BIM 不僅提高了設計效率，還可以在設計階段進行各種模擬分析，比如結構分析以及能耗分析等，幫助設計團隊做出更合理的決策[5]，具體如圖2 所示。

圖2 采用BIM 模型對裝配式構件進行拆分示意（來源：作者自繪）

5）標準化設計在實際項目中的應用還需考慮設計的靈活性和創新性。標準化并不意味著設計的單一和刻板，而是要在滿足標準化要求的前提下，發揮設計師的創造力，滿足功能需求和審美需求。例如，通過變化模塊組合的方式，或在標準模塊之上增加特色設計元素，既保證了建筑的個性化，又沒有破壞標準化設計的整體框架。

6）標準化設計是建筑工業化建造設計階段實現高效、經濟、可持繼發展目標的關鍵。通過遵循設計規范，采用模塊化和標準化構件，以及有效的設計信息管理，可以提高建筑設計和施工的整體性能。同時，在實踐中要充分考慮設計的靈活性和創新性，以確保建筑既具有經濟效益，又能滿足多樣化的社會需求。

2.2 模塊化設計的策略與實踐

模塊化是標準化設計的重要應用之一。模塊化設計的概念是指將建筑分解為標準化的單元模塊，每個模塊都有固定的尺寸和接口，可預制，并在施工現場快速組裝。例如，住宅建筑中常用的戶型模塊（圖3），通過預制化的生產可以實現快速安裝和精確的質量控制。模塊化還可以降低設計和施工的復雜性，減少現場施工量，縮短工期，降低成本。

圖3 住宅模塊化展示（來源：作者自繪）

模塊化設計在建筑工業化建造過程中扮演著關鍵角色，它旨在通過預制組件的標準化和系統化，提高建筑項目的設計效率和施工效率。模塊化設計的策略涉及多個方面，包括模塊的尺寸標準化、接口設計、材料選擇、施工技術以及后期維護等。

尺寸標準化是模塊化設計最基礎的策略之一。通過對模塊尺寸進行標準化，不僅可以降低設計和生產的復雜性，還可以實現不同項目之間的模塊互換和重復使用。這種標準化不僅提升了建筑零部件的通用性，而且有利于降低生產和運輸成本。

施工技術是實現模塊化設計的另一項核心內容。當前，許多建筑公司采用了先進的數字化制造技術，如計算機輔助設計和BIM，這些技術不僅提高了設計的精確度，而且在施工過程中顯著提高了效率。據統計，運用BIM 技術的模塊化建筑項目比傳統施工方法節省的時間超過20%。此外，施工過程中的質量控制也非常關鍵，預制構件的生產應在嚴格監控的工廠環境中進行，以確保每一個模塊都達到預定的質量標準。

模塊化設計還要考慮建筑的后期維護。模塊化建筑的組件是預先制作和裝配的，因此在設計時就需要考慮模塊的可更換性和維護性。為便于未來的升級和維護，模塊化建筑應該設計成可以輕易拆卸和替換的結構。這種設計思想不僅延長了建筑的使用壽命，還降低了長期維護成本。

綜上，模塊化設計是實現建筑工業化的關鍵。通過標準化、接口設計、材料的合理選擇、先進施工技術和考慮后期維護的策略，可大幅提高建筑項目質量、效率和可持續性。隨著技術的進步和市場的需求變化，模塊化設計將繼續發展和完善，為未來的建筑工業化建造提供更堅實的基礎[6]。

3 結語

本文綜合探討了建筑工業化建造在設計階段的應用，展示了標準化設計、模塊化設計以及信息化技術如何在實際工程中促進設計工作的創新和效率提升。研究成果明確了建筑工業化建造對于提高建筑設計的規范化、精確性和可持續性的積極影響，為今后工程項目的設計方法提供了新的視角和操作框架。