装配式建筑立面构造性能优化设计研究

袁 静 ，马晓鸣

(西安建筑科技大学 华清学院，陕西 西安 710054)

随着城市化进程的加快，城镇人口越来越多，对建筑住宅的需求越来越旺盛[1]。传统的建造方式质量较差、施工环境污染严重，并且易造成资源浪费。装配式建造可以减少建筑材料的使用，可以在工厂内预制出建筑构件[2]，有利于建筑工业化的发展，而且装配式建筑的优点众多，质量与安全有保障，抗震性效果较好。但装配式建筑的构件多为标准化、预制生产化的构件，建筑的立面设计也会受到这种标准化设计、构件种类较少的约束[3]；另一方面，不同的预制板的结构体系、制作工艺会对立面设计造成影响，因此探索装配式建筑的立面优化设计方式具有积极的指导意义。

BIM技术在建筑行业应用久远，例如修龙等早在2013年便介绍了中国建筑设计研究院在BIM方面的探索[4]。近年来，马小秋等为了提高三维建筑模型的精准度，深入研究了BIM建筑三维重建方法[5]；赵全斌等设计了基于BIM的建筑地震受损程度评估模型[6]；芈建华等以居住建筑的二维图库为基础，建立了BIM构件库，定义了基于BIM技术的基元并建立了基元库做为AI基础知识库[7]；武炜完成了基于BIM建筑工程进度估计方法的构建[8]；郭建营等和刘自昂等分别对BIM技术在装配式建筑中的项目管理和施工成本控制进行了研究[9-10]；周军研究了BIM技术在装修项目中的优势和为建筑装修等行业带来的发展,分析其在装修项目安全施工中的可行性和优势[11]；王彩雪组建了建筑幕墙结构密封胶加固成果BIM模型，结果表明建模速率接近于100%，同时还能够降低建模费用和复杂度[12]。由此可见，BIM技术在建筑行业应用广泛，通过BIM技术可较好地对装配式建筑立面构造性能优化设计进行研究。

1 装配式建筑立面构造方法解析

1.1 装配式建筑立面设计特点

装配式建筑的立面设计可以满足多样化设计的需求，立面预制构件与楼层进行分格设计，对于外立面的构造需要各类预制构件的组成[13]，例如，预制外墙板、预制楼梯间外墙以及预制单元入口等等，在实际拼装时的接缝，除了采用混凝土现浇和焊接外，也可按需采用硅酮、聚硫、聚氨酯等粘结剂进行密封。装配式建筑的立面的设计特点一般包含3种常见的特点，分别是立面可以按照层级拆分，拼接方式灵活简便、一体化程度高。立面按照层级拆分，依据外墙板的肌理、材质、颜色、尺寸等等特性来实现[14]。预制阳台也可以按照栏杆、阳台窗等进行分级，达到建筑立面丰富化的效果，其拆分结构如图1所示。采用不同拼接方式的预制构件会产生不同的建筑效果，例如，通过框架结构拼接的建筑，预制外墙板嵌入框架柱时呈现出上下连贯的效果。如果换成外挂于框架柱的方式，建筑结构呈现统一性的效果。装配式建筑的一体化程度体现在预制外墙板等结构集成了保温、结构、装饰的效果总和，在关键表面涂刷防水层，同时也能够增加外墙板的防水性能。装配式建筑的构件具备跟高的工业化程度、更丰富的美观性。

图1 立面拆分结构Fig.1 Facade split structure

1.2 装配式建筑立面整体构造原则及方法

装配式建筑的立面构造集合了各种设计原则，既满足功能要求，也迎合多元化的建筑需求，立面设计的原则包含功能性设计原则、整体性设计原则、技术性设计原则、文化性设计原则和美学设计原则[15]。功能性设计的原则主要是为了满足建筑的室内功能；整体性设计原则是让建筑的功能构件在立面的色彩、材质、质感等等方面形成整体性与统一性的观感；技术性设计原则是考虑在建筑材质、结构体系、建筑方式等方面体现出技术特征[16]；文化性设计原则利用建筑装饰、建筑色彩等方式适应建筑环境的文化因素。

整体构造的方式涉及到建筑底部、中间层和顶部的整体性协同设计，底部层的设计方法不同于其他，主要是用于作为人群的视觉入口[17]，并对中间层进行区分，突出材质、颜色的特点，显示出与众不同的效果；中间层的构造方法则是对各种预制构件、组合进行精细化的建构，形成不同的构图方式，增强建筑的辨识度[18]，形成独有的立面效果。而对于顶部立面的构造着重于女儿墙、檐口的设计[19]，完成顶部层的设计。

2 立面构建模块化库的构建

2.1 基于BIM的立面功能构件库的创建

立面构件设计紧密地与装配建筑的立面造型相关，为了构造立面功能构件，需要对装配式建筑进行合理解构，形成单独的功能构件，常见的功能性构件包括栏杆、栏板、空调机板、遮阳构件等等。外墙板族库的构建是对于装配式建筑是十分关键的，决定了外墙的外部造型，依照外墙板的组合形式，设计一套外墙板族库，包含各种常见的外墙板形式，具体如图2所示。对于装配式建筑外墙板的材质一般分为4种，即纤维水泥、金属、PVC和石材[20]，具体如图3所示。外墙板的装饰面也具有多样性，例如，木纹、块石纹、横条纹等等，加工方法有浇注成型和后加工处理成型2种，通过不同加工工艺和设计装饰形成不同的风格，具体如图4所示。外墙板的固定方式通常采用外贴式和内嵌式，具体如图5所示。

图2 预制外墙板形式Fig.2 Form of prefabricated outer wall panel

图3 外墙板的材料分类Fig.3 Material classification of exterior wall panels

图4 外墙板饰面Fig.4 Exterior wall panel finishes

图5 外墙板固定方式Fig.5 External wall panel fixing method

从立面设计的角度出发，安装横向条板和竖向条板具有不同的效果，也应设置到构件库中，具体如图6所示。而对于重复性的拼版工作，则应考虑大块式的墙板，节省重复性的成本[21]，虽然对于现场的安装技术要求较高，但是大块式墙板有利于把控不同的板缝，聚集成统一化的效果，具体如图7所示。利用BIM创建上述的部分外墙板族库如图8所示，当把任意一个装配式构件加载到平面实例中，形成更加具有规律性和秩序性的效果[22]，尤其针对户型单体的效果。对于构建阳台族库，常见的阳台包含凹阳台、凸阳台、外廊式阳台等，具体如图9所示。阳台的平面形状一般是三角形、矩形、多边形、弧形等，在设计阳台栏杆时，通常构造出锌合金阳台栏杆、夹玻璃阳台栏杆和欧式水泥阳台栏杆等等，基于BIM进行设计后，构成阳台窗的三维设计图库作为阳台族库，具体如图10所示。然后，设计窗户族库，窗户包括平窗和凸窗，在加上窗台板和窗框的设计，形成不同的窗户造型，创建不同的窗户族库部件。最后，相对比较重要的功能部件还包括楼梯间族库和建筑单元的入口族库。

(a)外墙挂在横墙上

(b)条板固定在柱子上横向条板的构造形式

(c)窗台(肚)板支承楼板

(d)竖向条板的构造形式图6 横条板与竖条板Fig.6 Horizontal and vertical bars

图7 大块体系Fig.7 Bulk system

图8 外墙板族库Fig.8 Exterior wall panel library

图9 阳台分类Fig.9 Classification of balconies

图10 阳台族库Fig.10 Balcony family library

2.2 水平构图下的模块组合性能优化设计

水平构图下各种装配式预制构件应体现出较为明显的层次区分特性，装配式建筑的立面构造效果应由水平构图的视觉效果显示出协调性。对于预制外墙的立面结构，在分析水平式组合式。其中一种方式是窗间墙和窗户组成水平线条，保证建筑立面产生线状分布的效果，窗下墙与旁边墙体组成线性分布状态，具体如图11所示。例如，外廊栏板和外廊空间形成水平划分结构也属于水平构图方式；此外，带形窗与窗下墙、“一”字形的遮阳板排列组合的形式也可以构成水平构图方式，具体如图12所示。

图11 外墙水平式构图Fig.11 Horizontal composition of exterior wall

图12 凹廊水平式构图Fig.12 Horizontal composition of concave corridor

2.3 垂直构图下的模块组合性能优化设计

垂直式的构图方式是通过有规律的垂直线以及各种立面的竖向结构来进行划分的。外凸的壁柱一般按照垂直方式进行构图。除此之外，窗间墙与窗下墙的窗构成垂直的组合，加设建筑立面的侧板构件与立面的凸出阳台形成整体式的垂直罗列结构，有助于形成垂直的构图，具体如图13所示。

图13 凸阳台的垂直式构图Fig.13 The vertical composition of the convex balcony

3 装配式建筑立面构造的应用

3.1 外立面优化设计

对某住宅楼的装配式建筑构造进行验证设计，该住宅楼在功能上包含3种不同性质的建筑用房，分别是住宅楼、地下车库以及配套公共服务用房。住宅楼为18层高，地下车库为地下2层。建筑立面的构造采用了面砖、石材以及涂料等，整个结构体系采用钢管束剪力墙结构。对此按照装配式建筑的拆分设计原则，对于建筑立面的外墙板和预制阳台、窗等构件进行优化设计。外墙使用的石漆涂料和保温装饰一体板接缝的建筑方式，使得建筑整体造型显示出单一呆板的风格，与周围建筑物相比，辨识度不高。所以在外墙板上，通过设置对立面外墙板不同的开口，增加建筑立面的多样化效果。同时，由于在墙板之外，空调机位的垂直排列缺乏趣味性，为了丰富立面的效果，在阳台外侧布置了2种材质的栏板，由于金属材质栏杆和木质材质栏杆会形成视觉上的冲击效果，因此进行了相应的优化；金属栏杆与木质栏杆组合示意图，具体如图14所示。

图14 金属栏杆与木质栏杆组合Fig.14 Combination of metal railings and wooden railings

3.2 立面接缝处理

对于立面的接缝处，实际应用中，可在接缝处2边分别采用2种色彩或是2种条纹等可明显区分形式的模型族进行模拟，或者是在2个相邻模型间预留间隔或者建立模型线进行表示。实际工程中，可根据接缝处的表现形式，采用不同粘接做法。例如，接缝2边为条纹不同的，即表明接缝处仅采用防水密封胶进行密封和轻微粘接；在接缝处预留间隔的，则采用焊接或者是现浇混凝土粘接2边材料；若接缝2边为颜色不同的，则需根据实际情况进行固定连接，如采用膨胀螺钉、强力胶结等。原则是仅通过外表形式和一定规则便能方便判断立面接缝处的粘接(连接)方式。

3.3 模型构建

运用BIM技术建立三维可视化的模块，尤其是外墙模块、窗模块和阳台模块等等，其三维试图如图15所示。

图15 三维试图Fig.15 3D attempt

在装配式建筑立面设计的基础上，实现外立面的层级拆分，拆分成不同功能构件，创造更加多元化的外立面造型，同时为了拼接的灵活性，优化外墙板不同的连接方式，分别采用嵌入式和外挂式来连接框架柱。通过上述的2种优化方法，可以更加丰富建筑的立面效果，并且，可以综合横向线条和竖向线条，利用外露梁柱、遮阳板等构件来组成划分网格的形式，加强水平和垂直方向的线条感，具体如图16所示。其中，单体1和单体2组成联合单体模块，使得空调机位、阳台构成一体，减轻了装配的难度，有利于保持网格的肌理排列。

图16 网格化设计优化Fig.16 Optimization of grid design

4 结语

装配式建筑具有很多优点，本文研究了装配式建筑的构造特点与设计原则。针对装配式建筑的立面设计，分析了众多立面构件的设计与构造方法，基于BIM技术，对众多立面涉及的构件，构建了模块化族库。然后，依照某装配式住宅楼的立面进行优化设计，采用水平构图方式与垂直构图方式结合的方式，对外墙板、窗模块和阳台模块进行模型构建与优化，总结出立面设计的多样化手法。在未来的研究中，要以更多的手段，集合当地的气候条件和地形，营造出装配式住宅楼的多样化效果，更好地表现建筑立面的丰富性。