村镇住宅建筑模块化设计系统研究

郭大力 李楚舒

(北京金土木软件技术有限公司，北京 100048)

1 引言

村镇住宅建设是一个一直以来被人们忽视而又亟待解决的问题，是关系到我国9亿农民安居乐业和社会稳定的重要因素。村镇住宅建设量大面广，切实关系到广大农民的人居环境问题;作为小城镇和中心村建设的重要组成部分，对于土地的集约化管理，农村人口向小城镇和中心村的集聚，加快城乡一体化及农村现代化建设具有巨大的推动作用。据统计，全国每年村镇房屋竣工面积为10.6亿m2，其中住宅面积为6.9亿m2，旧村改造的规模持续扩大。由此带动的相关产业的增加值每年约为6 000亿元，是国民经济的重要产业。

村镇住宅产业化建设是一个包含土地规划、建筑设计与施工、材料创新、节能环保等诸多因素的系统化工程。北京金土木软件技术有限公司所承担的科技部十一五课题《村镇住宅建筑设计模块化技术与软件开发》就是为了体现《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》所确定的“城镇化与城市发展领域”中明确提出的“将形成技术标准作为国家科技计划的重要目标”等城镇化领域科技创新的战略需求，结合我国村镇住宅建筑特点及发展的需要，构建我国村镇住宅建筑设计、建设技术标准规范体系，提升村镇建筑的整体技术水平，以实现社会主义新农村建设和全面小康社会的宏伟目标。

华夏民族拥有五千年的文明，在漫漫的历史长河中，各民族传统的房屋建造技艺灿若繁花，在幅员辽阔的华夏大地上生根发芽，为我们留下了一笔笔宝贵的建筑文化遗产。近年来随着社会现代化的不断进步，传统的建筑工艺不断流失，具有传统特色的建筑形式也消失殆尽，引起了很多专家学者的深深忧虑。在广大的农村，建筑风格盲目效仿城市建筑，传统风格和民族特色越来越少，出现了千村一面的景象。本课题的研究，立足于传统特色与不同区域典型民居的建筑设计，针对我国村镇基层设计人员基础薄弱，设计单位技术力量不足，计算机辅助设计技术缺乏等问题，将传统特色民居的风格与现代计算机辅助设计技术相结合，通过对不同生产方式和生活模式下村镇居住模式和典型住宅建筑的研究，对建筑设计标准以及建筑设计自身特点的研究，通过计算机辅助设计及决策支持系统的研究开发，为村镇住宅建筑设计人员提供简便、易于操作、功能强大、知识系统丰富的村镇住宅计算机辅助建筑设计的成套技术。

2 系统设计及实现

BIM(Building Information Modeling)是建筑行业计算机辅助设计的一个新技术方向，它是通过三维模型的建立与建筑相关信息的录入，由计算机自动完成图纸绘制及工程量统计等主要工作，并可以将模型延伸于分析计算、施工建造、运营管理等多种应用。以CAD为代表的电子化设计技术在上世纪八十年代开始兴起，对于设计行业的生产效率与质量的提高具有重要的推动作用，而BIM技术被视为是电子化取代手工绘图之后的又一次行业革命，已经越发受到整个行业的关注。村镇住宅建筑模块化设计系统也是利用了BIM的理念与技术，结合中国村镇住宅的设计特点，针对村镇基层设计人员的使用水平，开发的一套模块化、智能化、参数化、特色化的三维辅助设计系统。它可以按照村镇住宅特点的相关参数设置来快速生成建筑(构件或整体)的三维信息模型，通过三维建筑信息模型可以很方便地生成各种平面、立面、剖面施工图纸，实现快速设计的目的。

该系统的构成和特色包括如下方面:

(1)丰富的设计模板

以本课题研究的传统特色与不同区域村镇住宅建筑设计指南中的典型住宅样式为基础，建立多种不同模式的村镇住宅快速设计模板(原型)，每一个不同形式的模式都对应一个标准的初始化的完整设计模板文件(包括模型与图纸)，设计人员可以参考并修改这个模板文件完成自己的设计。此外这个系统将提供给设计人员一个包含此类建筑的主要构件(如墙、梁、板、柱、屋顶等)的参数化输入模板;模板参数的提出是在充分调研与整理分类基础上的，它要在满足模型自动生成的同时，体现出村镇住宅设计的特点。设计人员通过输入相关的设计控制参数并提交后，系统将自动生成主体的模型，同时修改预设的相关图纸，设计人员可以在此基础模型上扩展自己的设计。

现阶段完成的设计系统中，依据中国建筑标准设计研究院编写的标准设计图集《传统特色小城镇住宅》(05SJ918－1～8)和《小城镇住宅通用(示范)设计》(05SJ917－1～9)已经完成了对徽州地区、泉州地区、丽江地区、晋中地区、新疆伊犁、吐鲁番、喀什、和田地区、东北地区、北京地区、浙江嘉兴、台州地区等八个传统特色地区，以及根据气候条件分类的北京地区、辽宁抚顺地区、青海西宁地区、陕西西安地区、浙江绍兴地区、福建福州地区、广东东莞地区、重庆地区、广西南宁地区等九个不同区域的村镇住宅收集、整理及标准图编制，本课题将以此为基础通过广泛的调研，在其他课题参加单位的配合下，完成更多民族与传统特色的住宅资料整理。

(2)翔实的知识库系统

知识库的研究开发是系统的重要组成部分，力求在设计理论和设计知识上给从事村镇住宅设计的基层设计人员以指导和帮助，保证设计质量。根据课题整体软件框架系统和设计标准自身的特性，来建立设计标准的知识库系统，实现设计标准的多层次、多渠道的数字化内容呈现与应用，对村镇住宅建筑设计起到学习、指导和应用的作用。在统一的三维设计环境下完成不同传统特色与不同区域村镇住宅的设计示范案例模型文件，并针对每一个文件编写详细的设计说明与设计指南，分析各种类型住宅的建筑特点与设计要点对重要的设计参数给与说明，统一指导该类型住宅的设计。

知识库数据范围研究包括村镇住宅建筑设计标准资源库与设计指南系统两大部分。标准资源库涵盖相关设计规范、标准图集、技术手册等。而传统特色村镇住宅建筑设计指南系统与不同地域村镇住宅建筑设计指南系统是针对传统特色与不同地域村镇住宅建筑设计的不同特点，提供相应的设计指南和示范案例的知识库系统，在统一的三维建筑设计环境里，可供设计人员学习参考和在设计过程中直接应用。指南系统同样是结合了模型技术的一个数据库系统。通过合理的数据库架构、系统优化以及先进的分类检索机制，实现对知识资源的快速查询与调用，并通过与参数化设计系统的数据关联，使设计人员能够在设计的任意阶段随时访问知识库并据此完成快速准确的设计。指南知识库系统由于包括了更多的图形及模型文件，对于数据库的性能提出了更高的要求，数据库系统的合理性优化显得更为重要。

(3)智能设计调整

图1 村镇建筑设计模板

一个好的设计系统，不仅仅要给使用人员提供一个功能强大的工具，还要把设计理论和设计知识有机地融合在系统中，给设计人员提供更好的帮助。本课题研发的系统在设计调整过程中融入了国家规范与设计规则和建筑模数的内在要求，通过内部约束机制及算法，对每一次调整进行检查，有机地将强制约束和检查反馈结合在一起，为设计人员提供了智能专家辅助设计功能，从而确保了设计符合规范、规则及设计习惯的要求。

在本系统中约定，可以主动进行调整的元素只有轴网线、墙和层高。其他信息将会随着这些信息的变化而变化。通过对轴网调整可以控制各个区域的面积，通过对墙调整可以改变局部空间关系。因此，各个区域的面积有根据相关规范规定了相应的极限面积。主要参照了《住宅建筑设计规范》，《住宅设计规范条文说明》。主要的控制性约束及算法调整如下。

①区域约束要求

双人 ＞10m2卧室 单人 ＞6m2兼起居 ＞12m2起居室 直接采光 ＞12m2无直接采光 ＜10m2一类二类 ＞4m2 2厨房 三类四类 ＞5m 1.5m双排净宽 ≥0.9m单排净宽 ≥三件洁具 ＞3m2 2卫生间 两件洁具 ＞2.5m一件洁具 ＞2m2单设便器 ＞1.1m2

②层高约束要求

系统中楼层高度不低于初始设计的门窗高度;修改层高后，与楼层相关联的构件也会相应变化，如墙、柱、梁、板等。

· 普通住宅层高不宜高于2.80 m;

· 卧室、起居室(厅)的室内净高不应低于2.40m;

· 局部净高不应低于2.10m，且其面积不应大于室内使用面积的1/3;

· 利用坡屋顶内空间作卧室、起居室时，其1/2面积的室内净高不应低于2.10m;

· 厨房、卫生间的室内净高不应低于2.20m;

③交通约束要求

· 套内入口过道净宽不宜小于1.20m;

· 通往卧室、起居室的过道净宽不应小于1m;

· 通往卧室、起居室的过道净宽不应小于1m;

· 通往厨房、卫生间、贮藏室的过道净宽不应

小于 0.90m;

④楼梯设计要求

系统中楼层数值上限以满足《民用建筑设计通则》中的楼梯要求为宜，并满足交通参数要求:

最大高度住宅共用楼梯 0.26m楼梯类型 最小宽度0.175m住宅套内楼梯 0.22m 0.20m

下图为层高要素的总体制约关系:层高是由层高相应的规范以及楼梯和交通共同影响决定的。

⑤算法调整

正确合理的算法是程序设计的核心，通过对模型范例的简化，简化用户的操作，用户可仅仅通过移动墙和轴线的功能，达到实现改变开间大小和布置的功能。

图2 层高、楼梯、交通的相互关系

(4)特色构件库

传统建筑在演变的过程当中，形成了很多符合当地气候条件，民族文化特点的建筑构件，具有很高的辨识度，也是村镇住宅设计中必不可少的组成部分。在模块化设计系统中，能否快速调用、调整和编辑这些特色构件，成为影响设计效率的一个重要因素。

本系统整理了一部分了表现传统特色的部件，比如门窗、柱墙、屋顶、连廊和装饰构件等，并且会随着系统的推广应用不断扩充特色构件库。

这些构件不仅仅在外观上符合传统特色，而且是智能参数化驱动，可以根据整体的使用环境和建筑总体尺度进行智能化的细节调整。比如上述图例中的倒悬楣子，不仅受限于相邻两个柱子之间的尺寸，而且要考虑每一个单元的基本尺寸要求，在一定范围内进行调整，才不影响整体的美观性和实用性。因此系统在判断相邻柱距后，根据基本单元尺寸的要求，决定在两柱之间的单元排放数量。一个富含参数的智能构件可以带来几十甚至上百种变化，极大提升了构件的适应性和设计多样性。

3 结语

本课题所研发的系统是一个易于使用并融合了大量设计相关知识的开放系统，汇聚了课题各参与方的资源优势与技术优势，随着在实践中的不断应用，在各方专家的指导下，在基层设计人员的应用反馈后还会不断完善和充实，使其具有更高的实用价值。各方统计数据表明，村镇住宅建设不仅仅是提高农民居住水平，维护社会稳定的重要因素，也是一个具有广阔发展前景的重要产业，相信这种快速、直观、易用、成熟的模块化辅助设计系统必将为村镇住宅建筑设计提供更多的支持和帮助。

[1]尹建中.我国村镇住宅产业化存在的问题及对策研究，2007.

[2]中国建筑标准设计研究院.《传统特色小城镇住宅》05SJ918 －1 ～8，2005.

[3]中国建筑标准设计研究院.《小城镇住宅通用(示范)设计》05SJ917－1～9，2005.

[4]荆其敏，张丽安.中国传统民居，中国电力出版社，2007.

[5]杨联萍，潘钧俊，杨钦等.苏南农村住宅结构特点调研[J].土木建筑工程信息技术，2011，3(2):69-72.

[6]刘永军，周静海，孟宪宏.村镇建筑抗洪性能评价系统研究与开发[J].土木建筑工程信息技术，2011，3(1):57-62.