建筑工业化建造模式设计阶段的研究

2024-03-29谭剑锋

中国建筑装饰装修 2024年5期

谭剑锋

随着全球可持续发展战略的推进以及科技的飞速发展，建筑行业正面临着转型升级的挑战，迫切需要在提升工程效率、节能减排和质量控制等方面取得突破。徐光苗等[1]认为，从组织管理模式、建造技术选型、标准化设计、智能建造等方面进行智能建造与建筑工业化协同发展综合策划，以数字化设计、智能化生产、智慧工地及数字化交付等实现智能建造。黄光球等[2]依托互联网、大数据及BIM等智能化技术，提出构建基于智能建造的建筑工业化发展模式。李磊[3]分析了装配式混凝土结构设计应用BIM技术的施工流程，研究该技术提升设计精度和提高全过程建筑的工期、环保效益以及经济效益等优势。

本文在此基础上，提出和分析工业化建造在设计阶段的应用方法与策略，通过对比分析传统设计方法和工业化建造设计方法的不同之处，明确采用工业化建造可以在设计阶段增强效率，节约成本，同时减少对环境的不良影响，提升建筑物的整体性能，促进建筑行业的绿色发展。

1 建筑工业化建造流程与设计阶段的关联

1.1 工业化建造流程总体框架

工业化建造流程总体框架是建筑设计阶段应用的核心，它体现了设计与生产的深度融合。该框架以提高建造效率、降低成本、确保质量和可持续发展为目标，强调标准化、模块化、信息化和自动化的设计理念。在现代建筑工业化建造中，设计阶段的每个决策都直接影响后续的制造和施工，设计阶段的工业化建造流程尤为关键。

在工业化建造流程的总体框架中，首先是前期准备阶段，主要包括市场调研、选址评估、投资分析和设计目标的制订。随后进入设计规划阶段，通过初步设计和详细设计，将前期准备的成果转化为具体的建筑方案。在初步设计阶段，根据前期的目标制订建筑的基本方案。详细设计阶段需要对建筑方案进行深化。设计完成后，进入技术准备阶段，包括设计的优化、生产准备和施工准备。设计优化主要基于模拟分析和成本控制，通过对设计方案细化，确保设计在技术和经济上均为最佳方案。生产准备则涉及制造工艺的选择、设备的购买和生产线的布局。施工准备则需要做好施工图纸的审核、施工队伍的组织及施工现场的准备等。接下来是生产制造阶段，这个阶段是工业化建造流程的核心。它通过预制构件的生产提高建筑的施工效率。预制构件的生产需要严格按照设计图纸和技术规范进行。质量控制在整个生产过程中贯穿始终，确保预制构件的精度和性能满足设计要求。最后是施工组装阶段，预制构件运输至施工现场后，将按照设计方案快速组装。由于构件已在工厂进行预制，现场施工主要是组装和连接，这大大缩短了施工周期，降低了施工成本。由于预制构件的标准化和模块化，施工现场的浪费得到了有效控制，工程的整体质量也得到了保证。

1.2 设计阶段在建造流程中的作用

在建筑工业化建造的过程中，设计阶段不仅明确了项目的视觉和功能要求，还确立了建筑工程的技术规格和建造方法，是建筑项目从概念到现实转化的桥梁，是确保项目质量、成本控制和时间管理的关键环节。

设计阶段在建造流程中的作用首先体现在工程可行性评估上。在此阶段，通过对项目地点、环境影响、建筑材料和建造方法的深入研究，设计师能提出一系列既实用又创新的建造方案。这些方案必须满足客户的需求，同时遵守当地的建筑法规和标准。

设计阶段还包括对建筑工业化建造方法的选择与优化。随着技术的发展，建筑行业已经逐渐采纳了如预制技术、模块化建造和数字化施工等先进方法。这些技术能够提高建造效率、减少现场作业的安全风险，并降低环境污染。设计过程中的技术选择对工程成本和进度有直接的影响。

设计阶段在确保建筑质量方面也举足轻重。设计师必须确保所提出的设计方案能够在施工过程中得以精确实施，这需要设计方案在精确性、可行性和可靠性上经得起考验。质量控制的重要性在于，一旦设计缺陷在建造过程中被执行，修正这些错误的成本将会远远超过设计阶段的投入。

1.3 设计阶段的挑战与机遇

挑战首先是设计的复杂性显著增加。工业化建造要求在设计阶段就考虑到生产、运输和装配的各项要求，这导致设计师需要具备跨学科的知识。结构设计不仅要满足建筑物自身的稳定性和使用功能，还要考虑到构件的加工制造和装配的可行性。

信息的协同管理是设计阶段面临的重要挑战。工业化建造涉及的专业领域多，参与者众多，信息共享与协作变得至关重要。设计信息的不对称或失真可能导致生产和施工阶段的巨大损失。因此，建立高效的信息管理系统，如采用BIM 技术，成为设计阶段必须克服的难题。

成本控制也是设计阶段必须面对的挑战。工业化建造的设计往往需要前期较高的投资来优化设计、购买专用设备和模具等。如何在设计阶段有效控制成本，对项目的经济效益具有决定性影响。

挑战之中也孕育着机遇。设计阶段的工业化应用促进了设计标准化与模块化，这不仅提高了设计效率，而且通过模块化设计能够实现快速装配和建筑物的可持续发展。标准化的设计模块可被重复使用，缩短了设计周期，同时减少了材料浪费和现场施工的环境影响。

技术进步也为设计阶段带来了新的可能性。BIM 技术的应用，让设计师能在虚拟环境中进行建筑模拟，优化设计方案，同时促进了团队成员之间的信息共享与协同工作。通过BIM模型，可精确分析建筑物的能耗、结构稳定性等关键因素，确保设计方案的科学性和前瞻性[4]（图1）。

图1 某公建BIM 模型展示（来源：作者自绘）

2 标准化（模块化）设计模式

2.1 标准化设计的原则与应用

标准化设计是建筑工业化建造设计阶段的核心原则之一，其目的在于通过规范化的设计元素和模块化的构件系统，实现设计和施工的高效性、可重复性和经济性。标准化设计的原则与应用在实际建筑项目中体现为：

1）标准化设计要求设计者深入理解并运用统一的设计规范和行业标准，如相关的建筑结构、安全、节能、环保等方面的规范。这些规范和标准为设计提供了基本的标准，确保了建筑的基本性能和质量。

2）标准化设计强调构件的通用性和互换性。通过采用标准化的构件，如楼板、梁、墙板等预制构件，不仅可以实现快速组装，还可以在不同的项目之间进行资源的调配和循环利用，提高材料的使用效率。在设计阶段考虑构件的通用性，可以促进构件的大规模生产，进而降低成本。

3）标准化设计还涉及建筑设计的可持续性。标准化的模块和构件易于拆卸和重组，有利于建筑物的改造、升级和循环再利用，减少了建筑废弃物的产生，有助于实现绿色建筑和可持续发展的目标。

4）标准化设计中设计信息管理非常重要。随着BIM 技术的应用，标准化设计信息可以被有效地管理和传递。BIM 不仅提高了设计效率，还可以在设计阶段进行各种模拟分析，比如结构分析以及能耗分析等，帮助设计团队做出更合理的决策[5]，具体如图2 所示。

图2 采用BIM 模型对装配式构件进行拆分示意（来源：作者自绘）

5）标准化设计在实际项目中的应用还需考虑设计的灵活性和创新性。标准化并不意味着设计的单一和刻板，而是要在满足标准化要求的前提下，发挥设计师的创造力，满足功能需求和审美需求。例如，通过变化模块组合的方式，或在标准模块之上增加特色设计元素，既保证了建筑的个性化，又没有破坏标准化设计的整体框架。

6）标准化设计是建筑工业化建造设计阶段实现高效、经济、可持继发展目标的关键。通过遵循设计规范，采用模块化和标准化构件，以及有效的设计信息管理，可以提高建筑设计和施工的整体性能。同时，在实践中要充分考虑设计的灵活性和创新性，以确保建筑既具有经济效益，又能满足多样化的社会需求。

2.2 模块化设计的策略与实践

模块化是标准化设计的重要应用之一。模块化设计的概念是指将建筑分解为标准化的单元模块，每个模块都有固定的尺寸和接口，可预制，并在施工现场快速组装。例如，住宅建筑中常用的户型模块（图3），通过预制化的生产可以实现快速安装和精确的质量控制。模块化还可以降低设计和施工的复杂性，减少现场施工量，缩短工期，降低成本。

图3 住宅模块化展示（来源：作者自绘）

模块化设计在建筑工业化建造过程中扮演着关键角色，它旨在通过预制组件的标准化和系统化，提高建筑项目的设计效率和施工效率。模块化设计的策略涉及多个方面，包括模块的尺寸标准化、接口设计、材料选择、施工技术以及后期维护等。

尺寸标准化是模块化设计最基础的策略之一。通过对模块尺寸进行标准化，不仅可以降低设计和生产的复杂性，还可以实现不同项目之间的模块互换和重复使用。这种标准化不仅提升了建筑零部件的通用性，而且有利于降低生产和运输成本。

施工技术是实现模块化设计的另一项核心内容。当前，许多建筑公司采用了先进的数字化制造技术，如计算机辅助设计和BIM，这些技术不仅提高了设计的精确度，而且在施工过程中显著提高了效率。据统计，运用BIM 技术的模块化建筑项目比传统施工方法节省的时间超过20%。此外，施工过程中的质量控制也非常关键，预制构件的生产应在严格监控的工厂环境中进行，以确保每一个模块都达到预定的质量标准。

模块化设计还要考虑建筑的后期维护。模块化建筑的组件是预先制作和装配的，因此在设计时就需要考虑模块的可更换性和维护性。为便于未来的升级和维护，模块化建筑应该设计成可以轻易拆卸和替换的结构。这种设计思想不仅延长了建筑的使用寿命，还降低了长期维护成本。

综上，模块化设计是实现建筑工业化的关键。通过标准化、接口设计、材料的合理选择、先进施工技术和考虑后期维护的策略，可大幅提高建筑项目质量、效率和可持续性。随着技术的进步和市场的需求变化，模块化设计将继续发展和完善，为未来的建筑工业化建造提供更坚实的基础[6]。