模块化策略在建筑设计中的应用

（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

在我国大力发展装配式建筑的背景下，将模块化策略引入建筑设计阶段成为必然。模块化策略具有功能灵活性、空间适应性、弹性生长性等特点，是一种与建筑设计活动本质相契合、与建筑设计模块相匹配、与建筑应变发展相适应的设计模式。因此，探究模块化策略在建筑设计中的应用具有突出的现实意义。

1 模块化策略概念及原理

1.1 概念

模块化策略是一种模块化思想引导下的设计策略，模块化思想在不同领域表现的形式、内容均存在差异。从抽象层面进行汇总可知，模块化思想反映了事物个体、整体间的关联，整体可以解构为诸多个体，诸多功能独立的个体可重新组合为整体。个体与整体间分解、组合的过程是模块化思想践行的过程。模块化策略主要从系统视角入手，在功能分析的前提下，利用分解、组合的方式，以基本模块、辅助模块为基础进行设计[1]。模块化策略可促使若干功能不一、规模各异的对象呈现较强的互换性，以达到最佳效益。

1.2 原理

模块化策略是从系统视角入手，有计划、有目标、由上至下展开的设计工作[2]。一般在方案论证阶段，设计人员应从类型、规格等方面对系统构成单元进行详尽规划，各模块间可互相拆分、更替、组合，也可独立运用。通过将复杂的大问题解构为若干个解决难度较小的小问题，降低设计难度，可以在其他项目中重复使用分解后的独立模块。根据设计需求不断优化模块单元，整体设计效益较为显著[3]。

2 模块化策略在建筑设计中的应用流程

2.1 构建与分解模块单元

模块单元的构建与分解包括从部分到整座建筑层面的单元分解，涉及考虑建筑立面外观、后期维护的单元组合。

模块单元分解主要从整体视角入手，结合建筑设计需求，将建筑内部构件划分为相对独立的若干个单元。如将承重结构分解为若干个底板、外墙板、屋顶模块单元等，将完善的建筑设备划分为多个暖通、给排水、电气模块单元等。

模块单元分解完毕后，设计人员需要根据新的建筑空间、功能需求进行组合。例如，将外部围护结构分解为若干个功能独立的轻钢承重框架，根据室外平台功能进行框架的重新组合。

2.2 标准化预制模块单元

标准化预制模块单元主要根据基本模数、扩大模数、分模数等模数，规范模数单元尺寸，保证模块单元与室内部安装尺寸具有一致性，提高建筑构件大批量生产的经济价值，如厨房的空间模数为2 950 mm×1 750 mm[4]。

考虑到模块单元是相对独立的单元，由一系列建筑构配件组成，在标准化预制前，可结合国家建筑标准与设计规范，对模块空间尺寸、单元形式进行统一定型，为建筑部品间互换性、通用性满足需求提供依据。

2.3 选择模块单元的材料

从材料形式视角入手，模块化构件可划分为钢材、混凝土、木材及其他新型建筑材料。钢材具有较好的延展性，可满足多变建筑形态设计需求。在选择钢材构件材质、性能时，需要结合模块单元运用位置进行恰当选择。如选择梁、柱等承重构件材料时，可选择4 mm厚的镀锌钢板（一次性压制成型）等承载力较为优良的型钢，檩条、墙体龙骨等次要受力结构件材料选择时，可选用2 mm厚的镀锌钢板（冷弯技术成型）等小截面钢材。

2.4 设计与组合模块单元

模块单元间的重叠、拼合、错位、旋转组合，可构成多样化建筑空间。拼合是模块单元常见组合策略，如陕西省西安市大堂西市博物馆选择12 m×12 m的模块化单元拼合为基本空间，贯穿棋盘路网、隋唐长安里枋布局，在室内形成了广阔、连续、完整的展览空间。可通过模块单元部分改型获得新的建筑功能，如2010年西班牙马德里举行的SDE2010太阳能十项全能竞赛中，HERRERA团队采取了灵活化、模块化策略，将若干高×深×宽为3.50 m×7.60 m×1.80 m的模块单元通过可伸缩、折叠的方式改型为厨卫空间，中间区域经过可移动变换的分隔墙设计为大空间，满足了74.0 m2以下建筑对舒适度的要求。

3 模块化策略在建筑设计中的应用实例

3.1 项目概述

项目为我国内部新推出的智慧体验项目——“智慧小镇”，包含智慧教育、智慧出行、智慧医疗等诸多智慧场景。该智慧体验项目对拆除、更新灵活度具有较高要求，具有建设项目周期短的特征，拟选择模块化策略进行区域建设。区域用地面积为4.6 m×104 m，在回字形布局中，预先留设了功能性活动场地，其与活动展示走廊构成了洄游路线。

3.2 需求分析

从总体需求上进行分析，智慧体验项目对更新拆除灵活度、空间适应性具有较高的要求，模块化策略中模块间组合、附加构件设计可以提高设计的可行性。主要由于建筑墙板、屋顶、楼板等模块单元为经长时间提炼形成的高度集成性预制产品，通用于多种功能场合。

从功能需求上进行分析，智慧体验项目具体功能包括中心活动展示场区、智能化控制展厅、不同产品展示厅、室外展馆的内部步道、临时展廊，表现为活动展示、推动宣传、人员办公、产品展示、引导游客等。

3.3 模块化策略实施

（1）模块单元拆分与连接。

智慧体验项目对场地步道、展廊功能具有较高要求，为了贯彻功能与形式统一原则，可以将原有模块单元分解。比如，屋面板是原始模块单元的代表，具有雨水防护功能，雨水可经屋面板卡缝流入含排水管道的角件内并经角柱流向室外。在室外步道设计时，可选择基于原始屋面板排水构件的室外防腐模板，由底板延伸为步道，进行专门室外连接构件设计，构成通透性较高的建筑外部展示空间。

在模块单元与模块单元、模块单元与附加构件连接设计时，需要考虑两者间的组合关系。比如模块水平拓展组合时，应经箱体角件预留孔洞，配合钢管定位块进行定位连接，外墙模块与增设的铝合金格栅需要经附加角钢、原有结构梁固定，再经角钢、格栅连接。

（2）基于BIM的模块单元标准化。

确定模块单元、接口连接方式后，可在事先构建的BIM模块库中，录入智慧体验项目每个结构部件、模块单元信息。比如，Q235镀锌钢材角件规格为210 mm×120 mm，属于连接模块单元，为模块吊装及搬运提供连接点、传导结构力；钢化白玻璃材质的夹胶玻璃，厚度规格为（4+4）mm，尺寸需依据模块单元立面分隔定制，主要功能为黏合玻璃、保证构件透光性、防噪声、防紫外线。

（3）模块单元模数化设计。

信息录入后，设计人员可对BIM数据库内含有的大量建筑构件信息进行提取、统计，在数据间构建数学逻辑关系。以模块单元墙体模数化设计为例，墙体“成本”“面积”之间可以通过成本=面积×单价进行关联，再以墙体明细表导出的方式，获得与墙体相关的直观参数。

（4）建筑设备的集成设计。

模块单元模数化设计完毕后，应进行建筑设备的集成设计，智慧体验项目中设备主要有给排水设备、暖通设备、照明设备等。以给排水设备为例，需要以厨房、卫浴功能集成为契机，在BIM技术支持下，直观布置设备、排布管线，优化设备型号、材料种类、连接方式。

（5）模块单元组合设计。

基于BIM的模块单元组合设计是智慧体验项目内部建筑空间形成的最终环节，需要运用基本的错位、旋转、拼接、重叠手段，将模块单元组合。根据智慧体验项目整体洄游式布局特征，可在BIM多维度视图中，选择组团式+线式布局方式，在内部形成兼具内部私密性与开放性的街巷空间。以位于入口的智能化控制中心设计为例，设计人员可以模块尺寸为拼合依据，将模块围绕成一个首尾相接的圆圈，在中心位置构成通高的中央控制大厅，大厅的单元模块基本组成为系统结构骨架，骨架外立面材料由平面功能特殊需求设计。考虑二层设计局部单元模块、三层设计局部单元模块均作为人员办公功能运行，在二层建筑顶部可构成建筑外部露台用于人员休憩。

具体设计时，需要运用BIM多维度视图，通过设置视图立面、竖向交通，于建筑一层、二层进行外挂楼梯构件的布置。外挂楼梯构件布置完毕后，验算结构稳定性，再布置大面积监控幕布，实现内部空间多层通高，满足项目需求。

4 结语

综上所述，在模块化策略中，借助模块单元的建立，可实现对建筑规模的有效控制，在满足建筑设计实际需要的同时，增强设计的灵活性、经济性。因此，在建筑设计过程中，建筑设计人员可根据建筑设计需求，将建筑划分为若干个模块单元。根据建筑构件特征，引入BIM标准数据库，进行模块的组合及形态调整，解决建筑模块组合复杂化问题，为建筑设计任务的顺利完成提供依据。