模块化策略在建筑优化设计中的应用分析

杜英

（海南泓景建筑设计有限公司 海南海口 570125）

引言

在高度重视可持续发展，提倡构建“节约型”社会的今天，实现建筑资源的优化配置与合理利用，降低建筑能耗已经成为建筑行业研究的重点内容。在信息化社会背景下，模块化策略在建筑设计中的有效应用，有效提升了建筑设计效率，并从结构、成本与功能等方面给予优化，推动建筑设计以及建筑产业向绿色、环保、节约、创新与可持续发展的方向进步。但是从目前我国模块化建筑设计研究与发展现状来看，其理论研究与实践设计仍处于不断完善阶段，有待进一步优化与改善。鉴于此，关于模块化策略在建筑优化设计中的应用具有重要研究价值与现实意义。

1 模块化策略相关概述分析

1.1 模块化

“模块化”这一概念的提出最早可追溯到20世纪初期，是由德国机床设计工程设计与生产过程中提出的设计理念，随着模块化设计原理的不断完善，到20世纪50年代，在欧美多数发达国家仪表机床设计与生产过程中得到应用，如美国Cincinnati磨床、德国Aschersieben龙门铣床[1]。到20世纪60年代模块化辅助设计软件得到发展，这在一定程度上提升了模块化设计的可靠性、全面性、系统性与精确性。到20世纪末21世纪初关于模块化的研究呈现出多元化特色，其中模块与模数制之间关系的探究，成为人们研究的重点内容之一。在此基础上，形成以“模块单元”为基本构成单元，以“多学科知识”综合应用为设计基础，以“系统工程”为主要服务对象的专业化、标准化、综合技术性模块化设计（Block-baseddesign）策略。在系统工程中，子系统模块的应用通常具有“功能运转”、“动态跟踪”、“逻辑定位”、“端口连接”等基本属性，与独立性、通用性、优化性、交换更替性的基本特征（图1）。基于模块化具有的基本属性与特征，模块化策略的应用，可有效缩短产生设计与生产周期，在提升产品设计与生产质量的同时，实现成本的节约与资源的优化配置。因此，在信息化时代背景下，模块化策略在众多领域中，如建筑、机械生产与制造、军事中具有广泛应用前景。

1.2 建筑领域中模块化的界定

建筑模块化主要是指，在建筑设计与施工过程中，基于模块化系统分解与组合理论与标注化原理，依据模块化“集成”、“系列”、“典型”策略，进行实践操作的设计与施工方法。由《史记·秦始皇木纪》“法度衡石丈尺，车同轨，书同文”、《营造法式》“凡构屋之制，皆以材为祖，材有八等，度屋之大小，因而用之”可知，模块化设计原理在建筑行业中早有应用，CLAM（国际现代建筑协会）的建立，进一步推动了模块化设计在建筑领域中的创新发展与应用，使之成为建筑行业绿色与可持续发展的重要手段[2]。

图1 系统工程中子系统模块应用的基本属性

2 模块化策略在建筑优化设计中的应用

目前，模块化策略已经成为建筑设计中不可或缺的存在。就住宅型建筑设计而言，基于模块化策略，应用“预制生产-现场安装”建筑设计与施工模式，可有效降低建筑能耗，缩短建筑施工周期，提升建筑建设质量[3]。据有关研究发现，“预制生产-现场安装”建筑设计与施工模式的应用，可节约建筑能源48%以上，缩短建筑施工工期39%以上，降低水资源与混凝土资源消耗56%以上，减少65%以上的建筑垃圾。本文以某市保障房项目为例，从户型设计入手，就模块化策略在建筑优化设计中的具体应用进行了如下分析。

2.1 模块化策略的应用思路

在保障房项目中，户型通常具有相似性、普遍性特征，主要由标准层、基础层、顶层三部分构成，每个建筑层又可分为不同的建筑单元。随着人们对户型选择要求的不断提高，传统的户型设计已经无法满足实际需求，是住宅建筑户型存在较高的同质性。对此，依据模块化策略，通过“集装箱模块化”进行建筑空间设计的优化，实现人与环境、社会的协调发展具有重要现实意义。其具体设计思路为：从建筑整体出发，依据建筑空间功能需求进行户型模块、附属模块的分解，并在此基础上，进行模块构件设计，按照一定的层次与方法进行组合（图2）。

图2 模块化设计基本思路框架图

2.2 基于空间功能需求下的户型内设计

建筑设计师在进行住宅建筑空间设计时，需依据建筑工程项目实际要求与住宅建筑户型基本功能需求，在遵循设计美学理论的基础上进行科学设计。例如，可将整体空间分解为社交区、餐饮区、休息区、卫生区、过渡区五个模块，并结合居民居住生活方式（包括家庭成员构成类型、居住环境认知情况、家用设备布局情况等）出发，结合不同区域的行为活动状态，借助计算机辅助设计软件或相关技术，如BIM从结构库中选择相适宜的结构户型，设计多元化设备模块。在此过程中，需保证结构户型与建筑建设要求、实际情况之间的协调与统一，避免各结构之间产生矛盾，尤其是过渡区与其连接区域之间形成碰撞。例如，勒·柯布西耶马赛公寓的设计，依据空间功能，提供了八十多个空间单元，实现建筑空间对住宅家庭成员各项需求的满足。

2.3 户型间的设计

户型间的设计是基于户型内设计基础上的进一步细化，是建筑设计师在综合因素分析的基础上，通过不断调整保证户型内建筑、布置设备与结构之间相协调的重要环节。在此过程中，设计师依据户型之间存在的独立性与连接性，探寻户型之间的“接口”，通过配置户型间的共享构建，实现户型组合构成建筑单元体系，保证建筑的整体性、完整性（图3）。通常情况下，户型间共享位置的设计，可分为“重叠接口”与“连接接口”两种形式。在以剪力墙为主体结构的住宅建筑设计中，结构户型间共享位置的接口多为重叠接口，设备户型间的接口多为“连接接口”。例如，“O-House太阳能实验住宅”在设计施工中利用标准化接口与预留接电，实现各模块的有效连接。

图3 户型间的设计

2.4 标准层的设计

在建筑空间设计中，标准层设计主要是指建筑设计师在完成户型内、户型间设计后，通过配置附属构建，形成建筑层的设计。通过该设计可实现建筑层内各项功能的完善，形成标准化、精准化、系统化建筑层单元结构。通常情况下，一个相对完整的建筑层，主要是由电梯间、楼梯间、走廊、户型等标准化构件以及其他非标准化构件共同组成[4]。因此，为保证建筑设计的科学性与合理性，需保证各结构的完整性，尤其是建筑层内的设备设计。与此同时，在进行建筑结构设计时，需保证称重构建受力的均衡性，用以保证整体结构的稳定性与牢固性。在此过程中，可通过设计对称户型或以某轴线为基准进行对称设计，并通过适当的添加连接构建，进行各结构间的有效连接。最终可采用“积木组合”方式，进行标准层组合连接，构建建筑整体模型。值得注意的是，需保证建筑整体的完整性与协调统一性。

3 结论

总而言之，实现建筑行业由粗放型发展模式向精细化、高效节约性、集约性、可持续性发展已经成为必然趋势，有利于推动“节约型”、“共享性”社会的构建。模块化策略在建筑设计中的应用，在保证建筑满足实际功能需求的同时，实现了建筑资源的节约，提升了建筑空间，是促进建筑行业转型与可持续发展的重要手段。本文旨在通过对模块化策略在建筑设计中应用的研究，进一步认知模块化策略对建筑设计的影响，提升建筑设计水平，促进建筑行业优化发展。

[1]李佳.探索新型模块化微型住宅建筑——以“折立方”设计为例[J].艺术生活-福州大学厦门工艺美术学院学报，2016（01）：36～39.

[2]吕嫣，周文宁，孟泽江.浅谈装配式模块化住宅在建筑设计方面的研究和应用[J].建筑知识，2015，35（12）：22.

[3]林正豪，宋晔皓，孙菁芬，等.气候应答式的模块化建筑表皮设计策略——以清控人居科技示范楼项目为例[J].动感（生态城市与绿色建筑），2015（02）：54～61.

[4]陈孚江，陈建芳，王金良，陈海飞.工科大学生模块化经济型生产实习模式的探索——以建筑环境与能源应用工程专业为例[J].教育教学论坛，2015（42）：30～31.