智能数字化模型技术在改造土木结构民居设计中的应用——以福建闽东民居为例

刘雅培

（福建华南女子职业学院，福建 福州 350108）

一、土木民居研究的背景与意义

美国建筑理论家阿摩斯·拉普卜特在《宅形与文化》一书中指出：原始性的风土建筑是微缩的世界图景，是建筑和聚落中显露出的“理想”人居环境[1]。我国土木类民居建筑从原始不成熟期发展到木结构体系的完善，形成了单列型、L型、合院型、圆型、不规则型等样式。这类建筑主要集中在我国乡村中，其构建是人们取用木、生土、石料、稻草、竹片等自然材料所营造的居住空间，具有环保舒适、导热系数小、冬暖夏凉的特点，体现了中华民族的生存智慧与建造技艺，形成了中国传统文化的重要载体，具有一定的历史价值、人文价值、社会价值和美学研究价值。但土木民居相对于砖木、石木类的传统建材，较不容易长久保留，其更新与传承在全国范围内普遍存在。由于没有新技术与材料的支撑，受城市建设的影响，大部分村民往往将其舍弃，取而代之的是千篇一律的“钢筋混凝土方盒子建筑”，或者应用钢材、铝材、砖材、石膏板材、树脂瓦等现代材料混合改造，导致建材对环境污染和资源消耗，使建筑与乡村环境风格处于不协调的窘态。

我国近几年在倡导建设环保建筑、美丽乡村建设的背景下，“桃园宜居的生态住宅模式”成为人心向往的理想环境，它重拾了国内各个地域环境下丰富而传统的生态构筑。正如朱良文先生所说：“适应、合理、变通、兼容是传统民居的核心价值。”[2]表达民居保护是为了更好地得到应用，在应用中才能得到更好的价值。同时，国内建筑设计师也在尝试乡建的宜居住宅模式，比较典型的设计案例有王澍改造设计的浙江省杭州市富阳区洞桥镇文村民居、任卫中在浙江省安吉县开发区剑山村改造设计的安吉生态屋。此外，各省市地方改造村落民居较为特色的有浙江省湖州市德清县莫干山民居、福建省福州市台江区上下杭历史文化街区民居、福建省闽侯县甘蔗镇昙石山古村落风貌民居建筑等。这些示范性的改造与修建展现了土木民居在新时代的重生应用与可持续发展理念。对于当前各个地方改造后的民居，应用较多的是作为乡村旅游民宿、展览馆、书店、特色餐饮店、文化创意基地等商业化形式的改造。而全国乡镇还有许多日常生活的土木民居还未真正地实现住宅式的传承与革新，它们急需应用当代的设计模式，使其在兼顾现代居住舒适度的基础上又能延续传统文脉，这种改革措施对于土木类乡土建筑的可持续发展及构建我国新时代乡村风貌具有现实意义。

二、闽东传统土木结构民居特色及面临的问题

福建省以山地及丘陵地貌为主，素有“八山一水一分田”之称。闽东依托闽江沃土，从古可追寻新石器时代的昙石山文化、闽越文化、江城文化等[3]，留下了大量宋、明、清不同时代的古厝。这类民居建筑在平面布局、结构体系、造型装饰上与中原宅第相似，它们保持中轴线对称的组合形式，以厅堂为中心组织建筑空间，依山傍水，古朴灵秀，点缀在山坳林间。厅堂主要是敬神祭祖、接待宾客、家庭议事等活动的场所，一般不设二层，其他房舍依据“长幼、男女”风俗有序安排。随着大家族人口递增，在儒家学术“礼”的精神意境影响下，民居建筑在方位、朝向、座次、门堂分立、递进等一系列规划设计手法上，体现出严谨的等级制与序列制，建筑形成了依次往东西及南北方向横向和竖向扩展的格局形态，以立柱、横梁、枋等木构件构成3、5、7、9等奇数的“间”，常见的规整形式主要有单列型与合院型。依据地理环境及气候特征，修建的民居房屋进深大、出檐深，广设外廊，其木作雕刻精良、生动活泼，同时具有“闽海系”的人文特征，风火墙造型曲线优美，以马鞍形最具代表特色，极富审美价值。

在历史变迁下，这类土木民居建筑难以适应当前人居环境的问题体现在：其一，空间功能性方面，空间布局满足不了现今的生活需求，除了祭祀，上下堂屋的利用率不高，餐厅及会客厅的位置定义较模糊。两旁的室较低，空间窄、门窗小、采光通风差，通往二层的梯子及楼板安全性差。厨房、卫浴空间不能满足现代生活的使用需求，缺少其他的休闲性空间。其二，建筑结构稳定性方面，从建筑美学、居住状况和技术水准来看，土木建筑存在粗陋和简易等缺陷，围护结构的力学、抗震、耐久性能不佳。另外，夯土墙体与木结构缺乏可靠的连接，早期人们自发营建的民居，时间久了，稳定性较差，易出现节点脱榫、杆件断裂、墙体开裂、屋架倾斜、木材腐坏、整体散架等现象。其三，室内设施设备方面，室内空间无法满足现代家具陈设的尺寸，缺少现代设施设备；室内水电、管线存在乱牵搭的现象。

三、应用智能数字化模型技术革新土木结构民居的设计方案

1.项目概况与构思分析

本案以闽东区山林土木民居为研究题材，项目位于福建省闽侯县竹岐乡春风村，该建筑建于明中后期，是一座坐西南朝东北的独进开敞式民居，长久以来未得到妥善的保护与修缮，仅留下主厝一座，现有家族老人还在居住，见图1。经实地测绘，该住宅面阔三间长度为12 m，进深五柱宽度为9.82 m，民居主厝为“一明两暗”式格局，穿斗式木构架体系，明间前门设置六扇木门，后门设置对开木门，为五柱平廊扇的做法。民居前檐三出挑插拱衔接双挑檐枋，前充柱上方设置三升担隔架，各柱间二行上均有矮柱承檩，矮柱上雕刻有不同题材的花纹，各矮柱及堂柱檩下均有挑斗拱替木。后充柱位置的屏门上部还有横批，后檐作垂柱挑檐，梁直接穿过垂柱。二楼的溪水阁楼，屋面坡度较缓，为双坡悬山顶。目前,该民居残损比较严重，如屋面部分不平整，椽板已糟朽，二楼溪水阁楼楞木破损，后期改建为平顶天花板。墙体部分，明间左右墙体局部改为砖墙抹水泥砂浆，局部灰板壁破损。立柱方面，明间左前门柱、左后充柱、左右后门柱均糟朽严重，其余各柱均有不同程度开裂。木结构构件方面，前充柱扛梁上、屏门上三升担均无存，明间檩下替木斗拱部分缺失。总体主厝已经失去了原貌，室内堆积了各种杂物，线路管道明露且随意牵搭，已无法满足现代功能性空间的使用需求。

图1 明中后期闽东区山林土木民居主厝现存样貌（作者拍摄于福建省闽侯县竹岐乡春风村）

在本案中，很明显地体现出民居规模与人口规模随着家庭结构的改变而形成变化。在时代变迁下，乡村独栋居住模式已占主导，家族形式的大合院居住模式逐渐变少，居住在乡村的人们也希望都能达到城市化的生活水平，具备优良的生活设施。因此，依据传统原始的“一明两暗”的主厝雏形，改造成适合目前独立式小家庭住宅的居住模式。这种模式对适应当代居家生活具有以下优点：其一，提供的使用面积相对适宜；其二，将厅堂设置为家族的核心公共空间，两旁为室，具有良好的空间组织，且布局合理；其三，适合闽东地区的气候环境特征，冬季短，夏季长，厅堂及外檐能起到良好的遮阴及通风作用；其四，方便采用统一的梁架体系，可灵活调整空间布局；其五，有利于整体的组群布局，这种规整、主次分明的形体，既适合独立布局，也适合组合成院落式布局。

2.智能数字化模型技术的应用

基于现状的历史信息，挖掘福州闽东本土民居特色，重构民居的建筑形制，再现地域特征与时代风格。在本案的设计研究中，构思应用“智能数字模型技术”，主要在AutoCAD软件绘制设计平面与立面的二维图纸基础上导入Revit建筑信息软件及室内数字化装修平台软件进行三维建模。针对民居建筑方面，传承五柱式穿斗木结构体系，通过Revit建筑信息模型软件的应用，对民居各个构件形成数字化、可控化、规模化、工程量化的标准体系，使预算更加清晰，施工更加便捷，达到构建装配式地面系统、穿斗木构架系统、墙体围护系统、屋面层系统、管线设施系统与后期施工管理的目的。对室内装修装饰方面，在Revit软件构建的民居模型的外框架内，通过室内数字化装修平台（如“酷家乐3D云”）设计出各空间内装修的风格样式，可直观看到真实的装饰装修材质、家具陈设的效果及查阅到产品的真实信息，以此完成构建民居建筑空间系统化的设计。因此，本民居方案的设计分为三大阶段，分别是AutoCAD软件设计阶段、Revit建筑信息模型技术构造装配式体系阶段、室内数字化装修平台技术的应用阶段。

（1）AutoCAD软件绘制改造民居平面及立面

首先，在人体工程学基础上应用AutoCAD软件对民居家具模型进行空间定义，重新布局木构架体系，构思改造面阔三间的长度为15 m，进深五柱的宽度为12 m的户型，调整楼梯的位置，增加室内净高，一层高不低于3000 mm；二层依据地面与屋檐的合理距离，设计地面到主梁距离为4500 mm，扩大开窗尺寸。其次，在功能布局方面，将前厅改为客厅，后堂改为餐厅，传承家空间内核，为动态空间；左右厢房依据餐厅位置改造为厨房、茶室。二楼的溪水阁楼左右空间改造成两间带卫浴的卧室，为静态的私密空间，同时兼顾休闲空间，设置起居室、书房，并在朝南处增设休闲阳台，以获取更好的采光与通风视景效果，见图2。在立面上绘制闽东特色的五柱穿斗的形制，再依据室内布局设置好门窗的具体位置，改善民居在采光、舒适度、通风、空间大小等问题。

图2 闽东代表性民居原始平面及改造平面

（2）Revit建筑信息模型技术构造装配式体系

构建地面系统。大部分传统土木民居一层地面是以三合土、灰浆的配比做法为地面材料，这类材料在防潮性、舒适性、美观性、平整度方面较差。通过Revit建筑信息模型技术的应用，将传统技术中靠经验得出的量进行科学量化。设计步骤如下：将AutoCAD民居设计图导入Revit软件进行地面基础工程的构建，依据SI建设体系技术（支撑体与填充体分离技术），兼顾用水及排水管道线路的系统设施，采用装配式架空石材的铺装方式设计，在防水防潮的地面架空层内预留管线铺设的空间，方便后期的维修与置换。实操预制层次为设置固定在地面上可调节安装的支架，高度可设置400 mm～450 mm，上面固定方格子钢架，规格可以是正方形或者长方形，面铺20 mm厚的石材表面层，具体可采用青石板砖作为面层，符合乡村风格。也可以在混凝土的地面基层上预留水电管槽，上面通过螺栓和螺丝竖向固定铺设50 mm厚的聚苯乙烯挤塑保温板、18 mm厚的碳晶板及20 mm厚的石材饰面层[4]。民居二层的溪水阁楼地面，原来基本用简单的杉木板铺设，隔音效果及安全性方面较不理想。依据实际情况，对卧室空间的地面构建装配式防腐木及枕木构件，选择预制SPF型材做架设的地梁，结合15 mm厚的实木复合板材铺设，金属连接件进行固定；或者预制120 mm规格的楼檩、10 mm厚的防震垫、18 mm厚的隔音板，面层装配15 mm厚的实木板材进行有序地安装。

构建木构架系统。土木民居主要以梁、柱、枋、檩、椽构成穿斗式木构架体系，它们各自发挥自身功能并通过榫卯连接在一起，成为夯土民居的骨架。原本乡村民居搭建的木材，以采用山上砍伐的原木用料，房屋大小格局常受到木料限制，质量参差不齐，积年累月，易出现开裂腐坏等问题。应用Revit信息模型技术搭建AutoCAD设定好的规格木料，材质可依据建筑体量选择适当规格尺寸的胶合木进行搭建。其优势是不受原木尺寸的限制，可以定制各种规格的形状，强度高、干燥性好，防止开裂、虫蛀，也可以灵活设计大跨度的建筑结构。采用的胶合木之间可用榫卯搭建，再用金属锚固件加固节点，方便组装、拆卸及二次回收利用。柱的直径依据原始测量数据设置为280 mm，石础的直径尺寸可设置为320 mm，增设石础与柱体的连接措施，设计石础下凹35 mm为凹槽，避免移位现象。整体木构架的形制特色与比例依据原户型进行比对，依次完善曲线形的脊烛、副烛、步烛、插栱、博风板、挑托等较为明显外露的闽东特色性装饰构件。

构建墙体系统。闽东传统民居墙体主要以夯土做外墙体的围护，以马鞍墙较为特色，内墙应用灰板壁做隔间墙。传统夯土就地取材，搭配比例人工夯制而成，材料常应用竹片、夯土、稻草、干草搭配，厚度约为400 mm～600 mm，高度有限，一般只有4 m～5 m，由于技术不同，材料搭配不同，时间一久，土墙的强度、耐久性、抗震性会受到影响，易出现开裂、坍塌的现象。针对夯土的围护墙体，应用新型轻制夯土墙体，在设计技术层面上厚度设置为400 mm，依据现代工艺的配方，在实际的工程案例中可以以本地区的黄生土为基材，搭配植物纤维、水泥、LD液体土壤固化剂为辅料，每隔300 mm～500 mm增加一层竹条作为拉接材料，等同于混凝土中的钢筋结构层；也可以采用钢丝网泥浆加固夯土墙体，增设角钢构造柱的方法，提升墙体结构的安全性。并预留好安装管线、插座口、门窗的位置。厨房及卫浴间的墙体在原始墙体的基础上，增加水泥砂浆防水层、室内防水漆面层。对于室内厅堂与两边次间隔断的灰板壁内隔墙，它是填补大木结构柱与扇行间空隙的壁体，原始材料底层是用黄土灰浆双面打底，然后在里外抹上黄泥找平，面层用白灰抹光，但时间一长容易开裂、掉灰。因此，在构建模型时，以隔间为依据，重新构建60 mm的隔墙，预制“竹夹板”，材料选用竹片编成网状的壁体，并在原有木构建基础上安装可拆卸的白色环保装饰面板。

构建坡屋面系统。闽东传统民居屋顶主要以木椽、木板、灰瓦为主搭建悬山顶，顶上轻盈地翘起燕尾脊。由于材料简单，易出现潮湿、掉灰、部分残破等情况。应用软件技术从底层到顶层分层次设计木檩条，再铺设椽子、望板、A级防火挤塑聚苯保温板、沥青防水卷材，在瓦条上铺设现代制瓦工艺，侧面檐板用防腐木预制，最后安装燕尾脊。同时，为设计采光照明可适当对应二层的室内空间增加亮瓦与天窗。基于上，对于革新福建传统闽东民居的信息模型构建样貌，见图3。

图3 闽东特色民居样式构建（以独栋为例）

（3）室内数字化装修平台技术的应用

此阶段主要是解决室内空间的界面装饰装修、家具陈设的布局、设施设备、塑造风格和汇总预算。本案以目前较为简易的线上平台“酷家乐3D云”引用方案设计，在Revit软件构建的模型基础上，将适应现代生活居住功能的各空间单元模块合理地搭配于建筑空间中形成组合，见示意图4。接着选择软件平台中菜单栏的“硬装”进行各空间装饰装修界面材料的设计；再选择“家具”模块，点击合适风格特色的家具家电模型，移动至户型内，调整好尺寸及色彩、材质等信息，对应安放于各个空间中，见图5。在客厅方案中，两边的墙面分别设计电视机背景墙及装饰画背景墙，家具可选择现代简约的木制、藤制休闲座椅，摆放茶几、电视、桌子、柜子等家居用品。餐厅以选择围合的圆桌，搭配新中式吊灯。客厅与餐厅中间以镂空的圆形框景造型作为隔断，起到既有分隔又有联系的作用。厨房依据人体工程学及用户的工作尺寸，预制防火墙板结合吊柜、地柜等厨房系统，按照装配式一体化的模块进行安装设计。卧室在预制的木制顶上安装LED灯具及吊灯，墙面以白色的装饰面板材或石膏板将木构件进行装饰铺设，整体简约现代。卧室空间家具选择床品、衣柜、家电等模型进行摆放。卫浴间依据平面布局，可以安装卫生洁具及相应的设施设备，形成模块化装修，解决原户型卫生、排污等问题；也可以设计集成卫生间，统一预制顶板、壁板、卫生洁具、防水底盘、照明等水电系统设施。其他的休闲性空间如书房、茶室、起居室，可在传统的木制及夯土墙体界面基础上，依据用户对色彩的喜好，进行墙体的面层装饰，如安装可拆卸的壁纸墙、色彩墙、艺术肌理墙、装饰面板等，适当装饰于背景墙、墙裙处，使居室每一间界面装修各具特色，既传承本土民居建筑文化又符合现代个性化装修的要求。室内空间总体搭配设计好后，依据每一间的功能，在该软件平台左侧功能区中，“水暖电工具”的“构件库”依据家电陈设位置，应用“智能设计”中的“智能水电”一键生成开关、插座、给水口、空调设施及各类管线的连接设计，可看到各空间界面上线路的连接，方便后期的装修及维护。

图4 各空间单元模块与建筑框架组合示意图

图5 民居室内主要空间效果图（图片来源：图2—图5均为作者绘制）

在完善软件在线平台技术搭配的室内装饰空间的渲染后，再依据路径创建虚拟现实的全景漫游视频动画，让人身临其境，感受整体的空间效果。对于室内采用的界面装饰及配置的家具陈设的详细信息，可以导出“预算清单”，内含工程项目费、辅材费、硬装主材费、家具软装费等，清单的详细信息可以让我们便捷直观地了解工程施工项目的费用及各类家装建材产品的尺寸、颜色、材质、品牌、价位等信息，为有效实施设计提供全面的智能化数据平台。

四、结语

在建设美丽生态宜居乡村的视角下，传统民居建筑作为乡村社会文化的物质载体，代表我国民间一代又一代延续的建筑文化，有着重要的历史价值、经济价值、社会价值、应用价值。本文以福建闽东民居为案例研究，基于原建筑风貌、家庭结构与当代人居生活空间体系的变化，通过Revit建筑信息软件模型技术的应用，解构与重组该地域环境下民居建筑的三维空间体系，构造合理的架空层地面系统、木构架体系与夯土墙体的工艺技术，解决民居的空间构建、结构体系、构造技术、采光通风、功能空间舒适度等问题；同时应用室内数字化装修平台“酷家乐3D云”技术优化室内空间布局，搭配合理的装饰装修材料、家具陈设软装、水电设施设备的设计。智能数字信息软件技术的应用为有效实施民居的改造设计提供了全面的智能化数据平台，方便设计、施工、预算及后期的维修置换。通过案例研究，实现乡村传统自然之美与当代人文社会之美的融合，提升民居建造水平与住宅的空间品质，达到乡土类民居既能延续传统文化又能得以创新应用的目的，对国内其他地域环境下的民居革新改造提供设计技术的应用参考价值，对构建我国新时代乡村风貌具有现实意义。