基于BIM 平台的模块化住宅适应性研究

TANG Shuoning LYU Yuda

0 引言

随着我国经济的快速发展和城市化水平的持续提高，社会对于建筑的需求量越来越大。传统的设计和绘图方式是以Auto CAD 绘图软件和Sketch Up 等几何建模软件为基础工具，将大量建筑实体信息分解为若干二维图纸，并以此为基础手动建立几何建筑模型。这种设计方式和过程虽然包含一定的三维几何信息，但依然是一种二维化的设计思维表达。这种二维设计思维和方式往往导致图纸和模型、图纸和建筑实体信息不对等，甚至出现错误，造成巨大的时间和经济的浪费。同时，二维设计模式也无法对建筑的后期使用、维护和评价提供有力的信息支持。

BIM 是以三维数字信息技术为基础，将建筑实体的性能参数、施工步骤、材料供应商、建造成本、施工进度、使用和维护信息等非几何信息同模型融合，是更接近真实建造和使用的设计思维和方式。根据美国国家BIM标准（National Building Information Modeling Standard，NBIMS）的定义，BIM 是“设施物理和功能特性的数字表达；BIM 是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作”。

1 BIM 平台的特点及优势

1.1 BIM 在建筑全生命周期中的价值

BIM 被誉为建筑界的信息化革命，由于其在建筑全生命周期中的巨大价值，其在国外和国内的研究和应用呈现出快速增长的态势[1]。在BIM技术的支持下,已经开展了大量的如室内外气候环境模拟、建筑使用评估、协同设计等设计研究和实际工程应用。

BLM（Building Lifecycle Management）——建筑全生命周期管理，即从设计阶段到拆除和再利用，通过数字和信息技术对建筑实行全方位立体化的管理。BLM 概念是当今建筑设计、施工、使用、管理和运营信息化、数字化的重要推力。

对于建筑的全生命周期管理和应用是BIM 的核心价值之一。其强大的信息兼容和数据接口互通能力，可以实现对建筑的前期策划、场地分析、方案设计和论证、可视化设计、协同设计、性能化模拟和分析、工程量统计、管线综合、施工模拟、数字化建造、材料跟踪、施工现场配合、竣工模型交付、后期维护、资产管理、建筑系统分析，防灾减灾模拟全方位、全时段、全生命周期的监控和管理[2]。

1.2 BIM 概念下的操作平台及特点

BIM 不是某一种特定的软件，而是一种设计和技术概念，是建筑行业全生命周期中信息化改革的目标。目前，国内外主流的BIM 软件技术平台主要有：Autodesk 开发的Revit建筑、结构和电器系列，由于Auto CAD 早已占据了设计市场的大部分份额，设计师对于Autodesk 旗下各软件的操作方式比较熟悉，加之其建模能力较强、各专业较完善、成本较低，所以Revit 在设计中应用较广；Bentley 的建筑、结构和设备系列，其在市政、电力、水利、化工和石油等基础设施和工业领域应用较为广泛；Graphisoft 旗下的Archi CAD，它是全球最早具有市场规模和影响力的BIM 软件之一，它虽然比较轻巧，但是存在核心数据库不足等问题，在设计时需要自定义构建数据库，导致使用效率低下，相对应用较少；Dassault 公司旗下的CATIA 软件，它是世界较高端的机械设计和制造的软件平台，做到了全参数化驱动，主要应用于汽车设计和制造、航空航天器设计和制造，具有较强的处理复杂形体和信息集成管理能力；Gehry Technology 公司以CATIA 为基础开发的Degital Project 软件主要面向建筑行业；另外我国的广联达公司也开发了BIM 概念的操作系统，也已经应用于实际设计、工程之中。上述软件都具有BIM 概念的全生命周期信息管理、可参数化、各专业协同性强、可视化、可模拟化等核心功能和特点。

1.3 “族”及“族”的参数化驱动

可参数化是BIM 核心概念和特点之一，而可参数化是通过“族”的概念和操作手段来实现的。“族”是BIM 概念下信息化建筑模型的基本组成单元，是参数和信息的基础载体，是一个个具有特定属性和相关图形的图元。每一类族中都包含有相关的图形表示和相同的参数信息，被称作族类型参数[3]。“族”这一概念是针对Revit 相关软件的特有概念，但由于其应用的广泛性,故本文暂借助于这一名词来指代BIM 概念下各种操作软件中具有相同特征的参数化信息单元。Revit 中所有的模型性图元都基于族而建立，族就是一种参数化信息的模块。Revit 中常见的族大致有三类：①系统族：即在系统中自带的预定义通用构件族，如梁、柱、板等。它不需要以外接文件的方式创建和载入，它的使用类似于天正软件中插柱或窗，再对其特征进行相关的参数设定即可。②内建族：只能在特定信息模型中使用，无法通过保存RFA 文件而实现不同项目对内建族的共享。对内建族的应用可以实现对异型、复杂形体建筑模型的创建，还可以对内建族的类别进行设置，使其具有对应族的属性及相应参数。③可载入族：是在项目模型之外创建的具有可定义性的族文件，是可以保存并导入项目的RFA 文件，因此，可以在不同项目模型中实现共享。

“族群”的概念类似于模块，BIM 平台下建筑模型的信息可被输入和储存到族群之中，同时在Revit 中其有极强的可参数化的特性，这样不仅可以节省设计时间和储存空间，同时也提升了建筑构件的标准化和各专业间的协同程度。

BIM 概念及其软件平台给建筑行业带来了翻天覆地的变化，特别是其可参数化的特征，为建筑的装配式和模块化提供了技术支持，其可预测性和可视化极大地提高了建筑构件工厂数字化预制加工的可操作性、精确性和生产效率。

2 模块化住宅

2.1 模块化的起源及概念

20 世纪30 年代，模块化这一概念率先出现于工业设计领域，并逐步发展为以系统为基础的研究方法论，渗透到计算机、经济和建筑等学科，用以解决多层级、多元素的复杂问题。

在不同领域，对于模块化的表述不尽相同，根据卡利斯·鲍德温（Carliss Y Baldwin）在其著作《设计规则——模块化的力量》中的描述：“模块化是一种特殊的设计结构，其中，参数和任务结构在单元模块内是相互依赖的，而在单元模块之间是相互独立的。模块通过设计者设计的开放规则，并依靠接口传输参数。”在经济学领域，青木昌彦认为：“模块是指半自律性的子系统，通过和其他同样的子系统，按照一定规则相互联系而构成的更加复杂的系统或过程。模块化则是根据某些原理，将复杂系统分解成若干独立运行的半自律的子系统的过程。模块组合过程是模块集成化的表现，是按照某种联系规则，将独立运行的子系统联系起来，构成更加复杂的系统。”

工厂预制取代现场施工是模块化建筑的核心理念，其实施过程主要包含三个部分：①模块的制造；②运输；③现场组装。Modular Building Institute（模块化建造研究联盟）通过对世界范围内建筑施工的统计和研究得出，相较于传统施工方式，模块化建筑可以显著提高施工速度，同时更加智能、环保。

2.2 模块化住宅的特征

模块化住宅是以模块化概念为基础，运用信息、数字技术手段，以集约化工业生产方式代替原有分散的粗放型建设方式设计和建造住宅，其具有构件和模块标准化、生产工业化、拼装现场化和机械化及管理系统化、信息化和科学化等特征。

将模块化概念引入住宅设计和建造的优势在于，模块接口的变准化和通用化，可以使不同模块之间实现灵活组合，同时，也可以实现对不同需求的多元化配置组合。对于设计者而言，他不需要明确模块的具体组合和搭配，只需要指导各种模块的性能特点及同类模块之间的性能差异。也就是说，模块给设计者提供了满足不同需求的数字化和信息化的关键决策依据，也为方案的修改提供了传统设计方式无可比拟的便捷性，只需进行模块的替换即可完成。

将模块概念运用到住宅的设计建造中，就是以具有工业生产逻辑的、由整体到局部的、集中式的思维和实施框架，在统一各模块设计、连接标准的基础上，可以使原本必须分阶段、分步骤实施的设计、建造过程以同步的、相对独立的方式进行。以此为基础，一方面，可以大大地减少设计和施工的时间成本；另一方面，通过同类型模块的多样化实现模块产品的选择和替换，以满足不同功能的需求。这种方式类似于汽车模块化设计和生产，在统一发动机、变速箱等部件模块接口标准的基础上，可以根据不同需求，为同一款汽车安装四缸、六缸发动机，六速或八速变速箱。

2.3 模块化住宅的实施流程和诉求

与传统的建筑实施流程只包含设计和施工两个主要阶段不同，模块化住宅的实施主要包含三个阶段，即设计阶段、生产装配阶段和现场拼装施工阶段（图1）。在模块化住宅推广的初期，设计师在对住宅进行规划和户型设计后，需要根据具体使用要求和工业生产要求对住宅模块进行设计。但在模块化住宅已经具有成熟的数据库和产品供给链后，设计师即可根据业主需求，直接对成熟的模块产品进行选择。在模块确定后，再对设计方案进行反馈并调整，以达到方案与模块的协同和统一。与传统施工方式不同，住宅模块是根据设计方提供的信息数据，在工厂将各种建筑构件组装而成的，当然设计方也可直接选择市场上已有的模块产品。这样，不仅节省了建筑的现场施工时间，也减少了现场施工对环境的不利影响。模块化住宅实施的最后一个步骤是模块的运输和现场拼装。由于住宅的主要实体都已经在工厂中生产完毕，在施工现场就免去了复杂的土建作业，减小了现场施工的难度。

通过梳理，我们大致了解了模块化住宅的实施流程。但是从中也发现了一些问题。一方面，对于设计师而言，虽然改变了传统的设计方式，但是工作量似乎并没有减少，只是将原来的一部分工作转移到了对模块的设计上。同时，设计图纸不仅要和施工方对接，也要和模块的生产厂家对接，这样看来，设计师的工作量和时间成本似乎还有上升的趋势。从这个角度来看，住宅模块化的初期推广和使用，在设计过程中更像是对设计师的无形绑架；另一方面，模块化住宅虽然通过模块的工厂预制减少了现场施工的工作量，提高了施工效率，但似乎对于建筑全生命周期，尤其是后期使用、运营和维护，并没有提供比传统的设计方式更有价值的信息，对于项目业主而言益处也是有限的。

图1 模块化住宅的实施流程图

BIM 作为建筑行业的一次巨大的技术变革，其关键特点和优势——“族”的可参数化、建筑模型的信息化和对于建筑全生命周期的立体式管理，恰好完美解决了模块化住宅当前存在的问题。

3 BIM 之于模块化住宅的适应性

3.1 BIM 之于模块化——数字模块化

BIM 技术已经成为建筑行业发展不可逆转的趋势，以其数字信息化、可参数化和全生命周期管理的特点和模块化概念结合，便可进一步提升模块化住宅实施中各阶段的效率，我们可称其为数字模块化。以BIM 平台为基础的数字模块化概念是参数化设计、预制技术与建筑集约化、产业化实现的有效途径。

住宅产业化和工业化的不断推进，要求模块实现设计和生产标准化的同时，保证自身的多样性。模块的独立更新是数字设计时代模块与传统设计方式的最大不同。BIM 平台的可参数化特性，可以使同类模块多样化更新变得不再难以实现，只需在原有“族群”基本性质的基础上，根据需要调整“族群”的参数设置即可实现，同时，模块信息可以直接和生产厂家和施工企业对接。数字模块具有单元模块的可变性和可定制型特征，通过BIM 的“族群”，可以对模块的变化实现自动识别、整合、拆分等。同时，BIM 平台下的住宅模块化信息集成，可以实现各专业在设计、生产、施工、使用和管理全生命周期的技术协同和全方位支持。

通过上述分析可知，基于BIM平台的模块化住宅，相比传统实施模式具有几个显著优势：参数化的逻辑思维、各专业在建筑全生命周期中的协同性和模块本身的多元性，正是这些优势，使数字模块化最大程度地满足了住宅模块产业化的迫切需求。

3.2 BIM 平台下模块化住宅的实施流程

数字模块化住宅的关键优势在于实现了模块设计的参数化、建立了较为全面的模块产品数据库，以及在信息和虚拟建造支持下的高效现场装配和施工，这些都是以三维甚至四维设计新方法为基础的。BIM 平台是在三维建筑信息模型的基础上，将时间维度加入到整个建筑的实施流程之中，通过参数化建筑信息和时间维度的结合，不仅可以对各阶段、各专业的设计和施工进行协同，也可以通过虚拟仿真技术对生产和建造过程进行模拟，以预见各阶段可能产生的问题并加以规避和处理。此外，也可以对住宅的后期使用、维护提供信息支持，其实施流程见图2。

3.2.1 设计阶段

BIM 平台下的建筑模型包含了建筑的几何信息、性能参数、供应商价格等大量信息，而且，随着模块数据库的不断积累，前期的设计工作将会省去对各模块设计的步骤，直接在数据库中选择成熟模块产品即可，在大大减少设计方工作量的同时，也促进了模块产品产业化和标准化的发展。同时，BIM 模型信息在各专业之间都是互联互通的，对模型任何一点的修改都会立即共享到其他专业的模型之中，传统方式下各专业间不断“提资”和“反提资”将不会再现，同时，也避免了沟通中信息丢失的可能性，真正实现了各专业间的信息和技术协同和共享。

图2 BIM 平台下模块化住宅的实施流程图

3.2.2 生产

设计团队根据项目要求，可以对市场上已有的住宅模块产品进行选择和订购。对于市场上没有的模块产品，设计方将产品信息和数量发送至生产厂家进行订购。BIM 模型的强大信息储存维度可以实现产品数据在设计方和生产商之间的无损化共享，以进行模块产品的批量化生产（图3）。BIM“族群”概念下的住宅模块是以标准化构件库为基础设计出来的，生产厂家只需从构件库中调取相关构件的信息，将所需构件按计划数量配送至工厂进行标准模块的加工。同时，由于BIM 模型的参数化设计方式，不仅可以实现产品的标准化而降低单位生产成本，也可通过和3D 打印技术的互通，在生产成本不过分增加的情况下，对个性化产品的生产实施高精度信息指导。

图3 模块生产流程示意图

3.2.3 建造和施工

BIM 平台可以对模块化住宅的局部或整体的建造过程进行精确的、直观的虚拟建造模拟，从而优化施工方案和步骤，通过加入时间维度，避免不同模块安装的工序冲突，同时，也可避免模块安装不到位造成的安全性问题和建筑性能问题。4D 虚拟建造不仅可以进一步减少模块化住宅现场施工的时间成本，更重要的是对施工中可能存在问题有预见性，解决设计、生产和施工存在的信息不匹配问题（图4）。

图4 模块化住宅的生产和现场装配

3.2.4 后期使用维护

BIM 平台下的模块化住宅，在全生命周期各阶段，对于建筑的调整和改变都在不断地同建筑信息模型进行信息反馈、补充和更替。建筑信息模型在设计完成后并不意味着停止了信息的更新，而是一个实时更新的动态过程，模块生产、现场施工包括后期使用阶段，对于建筑、模块、构件的调整和更改都会实时地

向建筑模型进行反馈并进行更新，将调整后的产品性能参数、生产厂家、重量、价格等大量的信息补充到原始模型中，避免了模型信息和实体信息不匹配对后期使用维护的不利影响，同时，对于建筑生命终结后材料的回收和再利用也提供了强大的信息支持。另外，BIM 平台下的各种软件可以通过自带的环境模拟插件与其他模拟软件的接口互通，对建筑的性能进行虚拟模拟和实时监控，真正实现了对建筑全生命周期的立体式服务。

4 结语

BIM 概念以其强大的信息包容性、各专业及各阶段的协同性、可参数化和对建筑全生命周期的信息支持，极大地解决了模块化住宅在当今模式下的技术问题。使模块化住宅的设计不再成为新理念对设计师的技术绑架，使原本大量的粗犷型现场施工转化为集约型工厂的标准化生产，同时，也可预见生产和施工中可能出现的问题，提高了施工的安全性和效率，实现了对模块化住宅全生命周期的全方位信息技术支持。BIM 概念和模块化住宅的结合必将成为住宅设计、建造和维护的革命性改变，加速了建筑行业由劳动力密集型向设备和技术密集型行业转变。