工业化建筑系统的模块化设计研究

张 军 刘 丹

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

人类历史表明，创建一个舒适的住所是人们生活的基本要求之一，建筑在提升人类文明方面发挥了至关重要的作用。但是，目前我国建筑行业大多仍采用传统建筑方法，伴随着项目的生命周期就会出现很多问题，如实施过程中的延误，质量差，成本超支，设计冲突，生产效率低，健康和安全问题等。传统施工方法存在很多问题，如速度较慢，成本较高，环境污染等。为了解决建筑行业的落后问题，我国采取一系列措施鼓励新的工作和思考方式。因此，工业化被视为开启建筑行业崭新大门的钥匙，尤其是异地技术，将施工现场搬到工厂中完成的工作是建筑行业的一种创新建造方法。

1 研究现状

1.1 工业化建筑系统

中国的建筑业正在经历着从常规方法转移到工业化建筑的系统化和机械化的方法。它被定义为构件部品技术的一种手段，其组建在可控制的环境中生产制造，然后被运输到现场进行定位，组装，将施工现场的工作量降至最低。

因此，这样的建筑的产生减少了施工时间，简化了施工过程，还提供更高的质量，更好的控制与协调；工厂化生产构件部品，减少了资源稀少或偏远地区的成本，同时改善了工作条件减少现场风险，提供较少的交易流程和界面来管理协调现场，同时保证了工程绿色可持续化。如图1所示为常见预制构件。

法国1891年就已实施了装配式混凝土的构建，迄今已有130年的历史，主要采用预应力混凝土装配式框架结构体系，装配率达到80%；德国建筑工程项目并不追求高比例装配率。而是通过策划、设计、施工各个环节的精细化优化过程，寻求项目的个性化、经济性、功能性和生态环保性能的综合平衡[1]。然而，在我国实施工业化建筑仍处于起步阶段，这样的工厂预制建设工程相较发达国家，我国只占很小比例。对于影响建筑工业化发展的因素有很多，如供求关系，经济规模，社会接受程度等是主要影响因素。此外，早期设计阶段制造商和建筑师之间的协调不良以及建筑材料的有限应用等因素都阻碍工业化建筑的发展。因此，设计阶段是工业化建筑发展的根源，只有革新设计方法，才能促使工业化建筑向前发展，完成建筑行业的工业化和可持续发展的目标。

1.2 具体设计方法

工业化建筑工程是由多个独立的部分组成，这就需要很多不同专业学科的设计师进行设计工作。另一方面，随着工程项目的逐渐深入，设计、施工和后期建设等不同阶段项目参与人数的增加，可以称为一组设计师，为工程项目的不同阶段服务，他们需要组成一个团队进行协作。所以，工业化建筑就要有一个具体设计方法，这个设计方法需要通过代码，沟通媒介和标准，来避免所有设计参与者之间产生信息错误。由于参与项目的每一个团队或者个人都有自己的工作区域，日程及目标，工业化建筑设计方法需要为他们建立起各种各样的边界来对他们进行约束，防止发生冲突。在制造业中，最常见的方法之一是模块化设计方法。

2 模块化设计方法及过程

由于工业化建筑项目施工的分散性与复杂性，需要改变传统的公制模数制度，建立一个可以方便从建筑师到各级制造商再到施工现场进行组装的协调一致的公制制度就尤为重要。因此，建筑业者参考模块化协调的方法对工业化建筑进行设计施工。模块化协调方法是使用模块作为整个设计过程的基础维度。通过定义模块的等级并产生合适的方案进行设计生产的过程，而其他设计方面相应产生如高程、立面、节点、接口衔接等部分。根据欧洲生产力局在1961年的定义，“模块化协调是一种系统，旨在协调工厂生产部件的尺寸与建筑物的设计”。同样，模块化协调是维度协调的一种形式，其基础是使用基本单元，基本模块以及建筑构件的尺寸。

工业化建筑首先是要求建筑设计标准化、模数化、实现预制构件的“少规格，多组合”，并依据装配式建造方式的特点实现立面的个性化和多样化。如图2所示是南京万科上坊保障房项目6-05栋平面图。方案设计阶段为最大限度地实现模块化，将不规则的公共区域布置于建筑的两端，中间采用标准的户型模块单元，

充分发挥了工业化建造建筑的优势，最大限度地提高效率降低成本，采用工业化建造建筑的经济性特点在这栋建筑得到较好的体现[2]。图2中虚线框部分为标准模块户型拼装部分。

工业化建筑模块化设计最终应实现多样化与定制化。模块本身需具备可拓展性，具体可分为共享模块、互换模块、标准化模数、复合模块、总线模块与连接模块等子项[3]，如表1所示。

表1 模块化的可拓展策略

根据模块化的概念，所有组件都是基于尺寸单位或基本模块设计，用作尺寸协调中的增量或系数，能够在设计概念中以最大的灵活性和便利性使用。模块化设计过程是一个协调统一的过程，用于确定空间、组建、配件等的尺寸，即使组建和配件是由不同生产厂商提供的，它们也不需要被切割或者被延伸就可以相互配合使用[4]。

模块化设计的应用为建筑材料，部品构件的规划、设计、建造、组装和后期管理起到积极进步的作用。实际上，模块化协调设计为所有设计师和子项目的设计师定义了一个共同的标准，通过使用抽象的设计过程促进各部门，各专业的配合。对于模块化这样一种新策略进行正确的运用。实现工业化必须实现创新。模块化设计方法构建起建筑工程项目标准化设计，对实现工业化建筑体系具有一定的分析和归纳作用[5]。

3 结语

随着社会的快速发展，人口的增长和人们生活方式的改变，住房需求也随之增长。传统的施工建造方式施工工期长，施工质量参差不齐，无法保证，生产效率低等原因已经无法满足人们的需求。因此，建筑行业也在寻求工业化道路来解决上述问题。模块化的设计方法为建筑工业化开启了新的思路，模块化设计不仅推动设计过程，防止可能发生的冲突，还将设计项目归类拆解，真正使建筑行业走向工业化、标准化。

[1] 卢 求.德国装配式建筑发展研究[J].住宅产业，2016(6):26-35.

[2] 王 宁.建筑工业化典型工程案例汇编[M].北京:中国建筑工业出版社，2015：20-23.

[3] 林正豪,袁小雨.预制建筑的批量定制策略研究——以Kieran Timberlake事务所的实践为例[J].动感(生态城市与绿色建筑)，2017:27-29.

[4] 王 宁.建筑工业化典型工程案例汇编[M].北京:中国建筑工业出版社，2015：75-81.

[5] 王 蔚.模块化策略在建筑优化设计中的应用研究[D].长沙：湖南大学,2013.