基于BIM模块库创建的装配式住宅立面设计研究

崔艳秋刘畅赵梓汐谢宏波

(1.山东建筑大学建筑城规学院,山东济南250010；2.爱坤建筑设计有限公司,上海200000；3.山东省林业科技培训中心,山东 济南250013)

0 引言

装配式住宅是实现住宅产业化发展的重要途径之一,可以有效提高生产效率,促进建造的工业化、标准化,降低成本,减少污染。发展装配式住宅是国家“十三五”期间进一步推动建筑工业化发展的重要目标。与此同时,人们对居住品质的要求也在逐渐上升,对住宅的要求已从结构安全、空间合理等向造型、美学转化。然而,在装配式住宅规模化发展的过程中,对于装配式住宅立面设计来说,必须找到满足其工业化生产建造特点的设计模式及方法。

现阶段,专家学者越来越关注装配式住宅的研究,如叶浩文等[1]研究了装配式建筑标准化的设计方法,从平面、立面、构件和部品部件标准化4个方面进行了分析；赵钿[2]从建筑设计层面探讨了装配式建筑的标准化设计与个性化创作之间的矛盾与统一；汪强等[3]基于设计结构矩阵方法构建了装配式住宅设计流程模型,简化了设计流程；咸悦等[4]以建筑模块化为指导思想,从建筑表皮、构造和空间3个层面设计了一种被动装置—性能集成的立面模块；徐鸿铭[5]从立面设计细节、原则以及设计师的设计理念3个方面提出了装配式建筑立面的优化策略；曾启等[6]研究了基于BIM(Building Information Modeling)的装配式建筑构件库建立方法,主要从构件库的分类、云平台和建模平台的交互及管理3个方面进行了分析。目前,对于装配式住宅的研究多集中于标准化与模块化方面,以住宅平面为主,对于住宅立面的研究仅停留在建筑设计层面,较少涉及装配式住宅立面的模数化与多样化。因此,文章基于BIM技术,在装配式住宅建筑立面设计中运用模块化设计方法,将立面进行模块化分解建立模块库,并将模块按照一定逻辑重新组合,这样既实现立面的标准化,又满足多样性要求,同时将构件拆分和构件组合融为一体,为设计师提供强大的模块库作为设计支撑,能够解决不同项目间的构件传递,满足不同的设计需求,为装配式住宅立面的标准化与多样性设计相统一提供借鉴。

1 基于BIM的装配式住宅立面模块库的创建

基于BIM技术的立面模块库的建立是装配式住宅立面设计方法的核心[7],对满足要求的模块进行挑选组合形成新的立面特征,不但能够提升设计效率,还能够提高设计的精细化程度,而且模块数量会随着设计的深入而不断增加,模块库随需要不断扩充,在组合逻辑相同的情况下立面设计效果的多样化程度越高,设计师越能够根据设计想法设计出不同类型的立面。立面模块库的创建分为模块的分类与选择、模块的编码、模块的信息创建和基于Revit平台的立面模块库的管理4部分。

1.1 立面模块分类与选择原则

1.1.1 立面模块的分类

装配式住宅立面是由不同功能构件组合而成的,立面模块的分类以各功能构件为基准进行划分。根据各功能构件的特征,可将立面从上往下分级分成“一级类目”“二级类目”“三级类目”“四级类目”和“五级类目”。其中“一级类目”指“外围护部品体系”,“二级类目”包含外墙部品、门窗部品、阳台部品、单元入口部品等,如图1所示,“三级类目”至“五级类目”表示各部品模块的特征[8]。按照这种分级类目建立与之对应的功能构件模块库,在组合逻辑相同的情况下,丰富的模块库可以形成立面的多样化设计,提高设计效率。

图1 层次分类的树状结构图

1.1.2 立面模块的入库选择原则

立面模块入库的选择要遵循通用性和标准性原则,保证被选模块符合立面模块库的类型属性,并且模块的设计要以标准化方案为基准,立面模块的选择顺序如图2所示。(1)按照装配式住宅立面的不同构图形式进行立面划分；(2)依据不同的构图方式划分出不同的预制构件类型；(3)按照预制构件主要控制因素如形式、颜色、肌理和尺度等进行分类统计；(4)尽量归并模块库中同类型的构件以减少种类,降低因主要限制条件划分过细而导致的构件种类过多的情况；(5)得到标准的、通用性强的预制构件。

图2 立面模块的选择顺序图

1.2 立面模块的编码

对立面模块进行编码不仅要体现出模块的分级,同时也要表现出模块的特征,编码时要遵循以下原则:(1)唯一性原则 即每个代码只能对应一个模块；(2)合理性原则 即任何代码都应对应于模块相对应的分类；(3)简单性原则 即编码应使用尽可能少的字符来识别其属于哪个模块；(4)完整性原则 即编码必须完整,不能缺少相应的信息；(5)标准化原则 即所有编码必须使用相同的形式规范；(6)实用性原则 即编码应尽可能满足设计师的使用习惯,以便于设计人员的调配和使用。立面模块编码结构图如图3所示,从上往下分级分成“一级类目”“二级类目”“三级类目”“四级类目”和“五级类目”,使用“-”连接编号。以“外围护部品体系”为例,其为“一级类目”,编号为10-02-00-00；“外墙部品”属于“二级类目”,其编号即为10-02-01-00；整间板为“外墙部品”的具体特征,属于“三级类目”；编号为10-02-01-01,整间板下的外墙肌理属于“四级类目”,编号即为10-02-01-01-01；点状肌理、条状肌理等属于“五级类目”编号为10-02-01-01-01-01。其余模块的编码原理同上。编码方式符合设计师的设计习惯,且包含了模块的设计信息,有利于设计师快速查找和定位,直接从模块库中调取所需要的构件。

图3 立面模块编码结构图

1.3 立面模块的信息创建

BIM技术在装配式住宅立面设计中最主要的功能便是以构件库为前提的信息共享。在装配式住宅建筑全生命周期内,模块的信息创建总共分为功能构件的模块信息创建和基于Revit平台的模型信息添加两个步骤[9]。

步骤1 根据装配式住宅立面模块构成以及已有建筑信息,按步骤创建功能构件的模块信息,对其进行编码、添加模块、构件分类、信息复查等,若有问题提示则返回进行修改,模块信息创建流程图如图4所示。在建立功能构件族库时,常使用“公制常规模型”创建族样本文件,如图5(a)所示,在其中建立参照平面,进行立面模块样式设计,依据模数化原则将其长、宽、高设置为可变参数,如图5(b)所示,以便应用于不同的立面造型中。

步骤2 考虑到装配式住宅主要由标准化、模数化的构件组成,为了加大构件的工业化生产,基于Revit平台深化立面模块信息,进行构件模块的精细化设计,通过审核后再将BIM模型交给下一级的施工及生产单位。后续的信息深化是一个动态的过程,不被纳入到模块库中,模块库构建时要为BIM模型信息添加留出空间。如在建立阳台模块时,将阳台的形式划分为凹阳台、凸阳台和半凸半凹阳台,确定了阳台形式后,将阳台模块拆解为阳台窗、栏杆和侧板等,在Revit软件平台中创建“公制常规模型”族类型,并在其中绘制阳台样式,将阳台窗长度设置为参数并附加材质,另外可根据需要进行动态调整,以便适用于不同的开间尺寸。

图4 模块信息创建流程图

图5 族库样本及参数设置图

对阳台的细部进行设计,在标准化的基础上提升构件模块的个性化,如实现不同类型的阳台栏杆样式(如图6所示)、细部构造节点等设计。对于阳台栏杆模块,使用拉伸功能在已有的阳台样式中创建两侧栏杆框和栏杆样式,将其长宽及格栅间距设置为参数,运用阵列手法在框架内进行等距排布,并参考阳台宽度,将每一根栏杆长宽参数同栏杆框锁定使其能够随着栏杆的变化而改变长度。选取阳台族库中任意构件载入到平面实例中。装配式住宅立面各构件模块都以单元“族”的形式包含于信息模型中,模块与模块之间可以通过系统选择输入、输出标准模块的方式,来实现多样化的组合设计,当模块需求不同时,通过参数修改调整这些细分下的参数化图元。

图6 不同阳台栏杆样式图

基于以上立面模块的分类、选择、编码和信息创建,从而形成“一级类目”“二级类目”“三级类目”“四级类目”和“五级类目”模块库。建立后的立面模块库比传统CAD构件图集更加三维立体,提高了设计的可视性,方便设计师进行立面设计时直接选用。部分模块库示意图如图7所示,基于BIM大数据对立面构件进行分类归纳、完善构件类型、精细化设计、丰富品种,满足装配式住宅规模化发展的需求。

图7 各模块示意图

1.4 基于Revit平台的立面模块库的管理

为了对所创建的立面模块库进行管理,借助于Revit平台“族库大师”插件实现族库管理人员的信息登录、模块编码入库、模块修改、模块查询以及模块删除等功能,从而可以更加便捷地管理模块库。通过云端处理器的管理系统,能够形成族库大数据,便于设计师与设计院之间的远程协作、模块调取以及设计与生产的对接,并通过模块库平台将所创建的模块进行三维立体展示,连接PC端和移动端能够实现用户随时观察项目模型、获取项目信息,有利于设计和展示,提高设计的参与度和各方的沟通效率。

2 基于模块库的装配式住宅立面设计策略

由于立面模块库中的模块类型都具有通用化和标准化的性质,设计师可直接从族库中调取所需要的模块进行不同的排列组合。运用单一构件模块的不同形式以及多种构件的不同组合方式等设计方法形成新的立面造型,不仅能够提高立面设计的精细化程度,还能够实现立面设计的多样化和个性化[10]。

2.1 基于模块库单一构件的立面设计

在尊重住宅原有空间和功能的基础上,立面构件模块主要分为外墙板、外窗、阳台和遮阳板等,通过改变单一构件的样式、形状、大小、颜色、排列方式等措施丰富住宅立面形象,以提高建筑品质,形成装配式住宅的独特美感[11]。

2.1.1 外墙板模块

外墙板模块作为装配式住宅立面的围护结构,是建筑风格的首要表达方式,一般分为承重结构和非承重结构。在基于外墙板模块的立面设计时,以高层住宅结构体系的外墙板为例,根据结构柱和剪力墙的边界对墙板进行拆分,共有12种外墙板类型,包括阳台墙板、卧室墙板、卫生间墙板、楼梯间墙板、窗间墙楼板、窗下墙楼板等[12]。为形成立面的多样化效果,可对不同位置的外墙板采用不同样式、不同材质、不同色彩的外墙模块样式,或可采用不同的墙板组合方式从而实现立面的差异化(如图8所示)。窗间墙使用编号为10-02-01-01-01-02的横向条纹状外墙板模块,与上、下墙体产生对比,增加墙体横向楼层分割,如图8(a)所示；窗下墙使用编号为10-02-01-02-01-02的竖向外墙板模块,可在立面上形成横向线条进行横向分割,丰富建筑层次,如图8(b)所示。通过不同颜色、不同材质的外墙板使得住宅立面层次分明,更加有韵律感,同时错落有致的排列方式在视觉上延伸了空间尺度。

2.1.2 阳台模块

阳台模块作为装饰构件装配于立面外侧,成为立面的主要变化要素。阳台模块一般在板端预留埋件和栏板连接,可与预制楼板进行整体浇筑,通常形式为凸式、凹式和半凸半凹式。为使住宅立面变化更加明显,可通过调整阳台模块的尺寸参数与位置关系实现立面的凹凸变化；或可通过单一构件阳台模块的不同组合方式呈现不同的立面形象,所使用的阳台模块可根据需要进行个性化设计,丰富立面效果。以凸阳台为例,在阳台模块族库中挑选出编号为10-02-04-01分类下的两种不同形式的凸阳台“载入项目”,通过阳台与立面之间的关系,调整阳台尺寸参数与竖向位置关系,呈现出不同的立面形象,如图9、10所示,提高了室外空间的灵活性。

图8 外墙板模块立面设计效果图

图9 阳台模块1示意和立面效果图

图10 阳台模块2示意和立面效果图

2.1.3 外窗模块

外窗模块作为住宅立面主要构件元素之一,通过其窗墙比、门窗比控制立面分割,与墙面形成虚实对比,使得立面造型排列有序,其形式通常可分为平开窗、凸窗和凹窗。随着工业化水平的提高和建造技术的进步,为创造出独特的立面效果也出现了不同尺寸不同规模的异型窗[13]。外窗的细部构造包括窗台板和窗框。为使住宅立面变化更加明显,可通过调整外窗模块的窗户形式、窗台板尺寸来改变住宅立面的凹凸变化,对立面造成延伸；或可通过改变窗框的颜色、材质、立面分格、排列顺序、韵律特征等改变立面的装饰效果,形成多样化的立面风格。以平开窗为例,在外窗模块中选择编号为10-02-03-03下的平开窗“载入项目”,根据墙体位置修改窗台高度、窗框长宽参数,修改玻璃和窗框材质,并调整在立面上的位置进行横向排列组合,形成水平带状线条,可对立面形成划分,如图11所示；或可将平外窗构件模块进行竖向排列,并同窗间墙联系起来,并通过深色的窗框材质对住宅立面形成竖向划分,如图12所示。

图11 平开窗横向排列效果图

图12 平开窗竖向排列效果图

2.1.4 遮阳板模块

遮阳板模块属于小型构件模块,其特征为数量多、尺度小,如果住宅立面设计中存在小型构件,则需在工厂进行大量预制化生产,其设计应注重立面造型的整体性并满足构件模块标准化和模数化的特征。遮阳板通常有两种形式:(1)置于室内,其形式有百叶遮阳和卷帘遮阳；(2)置于室外,其形式有固定式遮阳和可调节式遮阳,包含垂直遮阳、水平遮阳和挡板遮阳；材质有卷帘式、百叶式和板式[14]。在遮阳板与装配式住宅立面的结合中,可与窗过梁结合设计,进行“一字形”或“U字形”的排列组合,丰富立面造型；或运用建筑美学手法进行特殊造型设计,并利用混凝土浇灌技术固定于立面之上,提高立面个性化效果。以横向遮阳板为例,遮阳板模块属于阳台模块中的遮阳构件,选择编号为10-02-04-04-01的木质格栅遮阳板“载入项目”,进行“一字形”排列组合,属于固定式遮阳中的水平遮阳,能够强化立面横向构图,遮阳板与立面形成的凹凸变化也能够提升立面的韵律感和精细化程度,如图13所示。当遮阳板模块进行“U字形”排列时,如图14所示,遮阳板竖立于不同的开间内,竖向连接整个住宅,并高出建筑屋顶进行相连,构成了统一的竖向线条,并加强了立面的个性化造型设计,将功能与造型完美的融合到一起。

图13 “一字形”遮阳板排列效果图

图14 “U字形”遮阳板排列效果图

2.2 基于模块库多种构件的立面设计

在设计装配式住宅立面时,通常立面构件受到模数化、标准化的制约使得立面效果较为单一。在进行立面设计时,可通过改变多种构件模块的位置排列形式及组合方式形成不同的立面形象,如竖向的装饰柱同横向的外窗组合形成立面网格式构图[15]；或可通过增加某种装饰构件模块,如在外立面加入装饰柱、装饰板等,基于建筑美学原则,打破原有立面模块所组成的规律,形成新的立面造型。

2.2.1 水平式构图

水平式构图是指运用水平线条元素对外立面进行划分,可使用的构件模块有外墙板、外廊、圈梁、窗下墙、阳台板、空调板等,通过这些构件的独立组合、两两组合等形成直线条、动态曲线条、折线条、不规律线条,将外立面进行分层,增强层间区分,在视觉上给人以一种稳定感,提高立面水平效果。对于水平式构图方式,可利用外墙板模块和窗户模块形成水平线条,如图15所示,南向卧室使用编号为10-02-01-01-03-03的外墙板模块,客厅使用编号为10-02-01-03-01-02的外墙板模块,每层进行外墙板模块的转换,并选用横向平窗模块相结合的方式在立面上形成横向线条进行横向分割,丰富建筑层次；或可将窗间墙模块同外廊模块相结合来改变立面造型,外廊能够与窗间墙形成虚实效果,既可以增加竖向拼接,又能够扩充住宅空间,获得丰富建筑形态的同时增加了活动范围,如图16所示。伸出的外廊还可作为室外绿植种植平台,通过各住户种植的不同花草形成丰富的立面,在颜色和材质上同外墙板形成对比,使立面的水平效果更加突出。

图15 外墙板与外窗模块水平式排列效果图

图16 窗间墙与外廊模块水平式排列效果图

2.2.2 垂直式构图

垂直式构图是运用构件叠加生成垂直式线条对外立面进行划分,可在立面效果上形成竖向韵律,同外立面水平分层形成明显的竖向对比[16]。在枯燥的建筑外立面的情况下,垂直式构图能够增强视觉的对比性,改善立面扁平的缺陷。常使用的构件有阳台板、窗下墙、窗间墙、遮阳板等,并可使用同一颜色、质感的模块进行同一方向的排列组合,形成竖向的视觉感；或可使用不同尺寸、不同进深的模块在竖向上产生凹凸变化,通常适用于框架承重的装配式住宅,如图17所示；或可在窗间墙部位适当增加竖向外墙板模块,打破传统住宅立面窗间墙和窗下墙的横向韵律,增加垂直构图。

2.2.3 网格式构图

网格式构图是运用方格线条或构件的组合集中布置对外立面进行划分,常使用的构件有阳台板、遮阳板、窗台板和外露梁等。在外立面使用网格式构图能够对每楼层每户人家的外立面进行分割,形成独立的外墙体系,形成强烈的视觉对比,而突出的网格式构图能够使每户独立,形成外立面上的私密空间。对于垂直式构图方式,为使立面造型更加丰富,可使用相同颜色和材质的构件在立面上形成网格状；或可使用通过梁、柱、贴面等多种构件模块的组合形成网格状,将构件模块载入到项目中,如图18所示,分别使用矩形阳台和外露梁构件通过一定的组合形式在立面形成网格状分格。

图17 装饰柱与遮阳板模块垂直式排列效果图

图18 阳台模块与外露梁构件网格式排列效果图

2.2.4 散点式构图

在住宅立面造型的设计中,除上述有规律的排列方式外,还可使用散点式构图。通过不同的构件模块在住宅立面上呈点状或交错的形式进行排列,不仅能够给予设计师更多的自主空间,还能够使得立面装饰效果更加生动有活力,富有独特性。对于散点式构图方式,可在立面设计时使用同一种构件不同颜色的组合方式,如可以通过运用不同的色彩和材料饰面的阳台栏板与空调板模块的组合达到散点式构图的效果；或可使用同一种构件散点排列的方式,如通过构件模块库载入空调机位模块和遮阳板模块,呈点状随机的排列于住宅立面之上,如图19所示,使用2、3个大小相同的单体进行组合,其中不设规律,完全随机,使得立面呈现出自由动态的感觉。但同时在对构件模块进行排布时,设计师也应关注排列的节奏、疏密和均衡等方面。

图19 空调机位和遮阳板模块散点式排列效果图

3 基于模块库的装配式住宅立面设计的应用

基于上述以创建BIM模块库为核心的装配式住宅立面设计模式及方法的研究,以济宁市公共租赁住房项目为例,对住宅的立面进行精细化、多样化设计。为适应建筑新技术的发展,在济宁市公共租赁住房小区内实行装配式建造技术。小区内建筑用地面积为16 435 m2,共18栋住宅楼,每层层高为2.9 m、楼层层数为18层、建筑高度为51.64 m,小区总平面图如图20所示,户型透视图如图21所示。

住宅立面设计以装配式建筑标准化、模块化为设计原则,在充分考虑预制构件生产工艺、模板利用的前提下,根据装配式住宅立面模块的分类将其拆分为外墙板、阳台、外窗、空调板等,基于立面模块库,采用模块库单一构件的不同形式,通过改变单一构件模块的样式、形状、大小、颜色、排列方式等进行立面设计。由于这些预制构件模块具有标准性、模数性的特征,因此可直接选取合适的模块载入到项目中,形成不同的立面形象(如图22所示)。如从立面构件族库内分别选取符合设计要求的单一构件外墙板模块的不同样式进行调配,来丰富立面形象,如图22(a)所示,在窗间墙处分别使用黄色和灰色外墙板,通过错位竖向排列,其余部位的墙板载入浅黄色外墙板,塑造出活泼的立面效果；在南立面使用黑色外墙板模块,塑造出稳重的立面效果,如图22(b)所示；在楼梯间墙板处使用黑色墙板模块,其余墙体使用浅灰色墙板模块,塑造出清新、淡雅的立面效果,如图22(c)所示。

图20 小区总平面图

图21 户型透视图

图22 单一构件外墙模块不同立面设计效果图

同时,也可通过改变模块库多种构件的位置排列形式及组合方式来进行立面设计,基于建筑美学原则,打破原有立面模块所组成的规律,改变立面造型。如分别载入不同形式的外墙模块和遮阳板模块进行组合并通过横向排列、竖向排列和错位排列分别形成水平式构图、垂直式构图和网格式构图以增强水平和垂直的方向感(如图23所示),实现了立面组合丰富、形态优美的住区形象,彰显了立面构件族库的先进性、适应性和可推广性。

图23 多种构件外墙和遮阳板组合模块不同立面设计效果图

4 结语

创建和应用立面模块库是装配式住宅立面多样化设计的有效方法,在对装配式住宅进行立面设计时,应注重立面模块对建筑造型的影响。文章基于BIM技术,对立面模块进行分类,并通过构件模块编码和信息输入实现了关联,提出了装配式住宅立面模块库的创建方法,构建出了五级类目模块库,完善了构件类型,提升了建筑设计效率,提高了设计的标准化、模数化和精细化程度。通过单一构件模块的不同形式和改变多种构件的不同组合方式的立面多样化设计策略,结合建筑环境、建筑功能、风格特点和文化特征等形成新的立面形象,为装配式住宅立面的个性化、多样化设计提供了新思路。基于装配式住宅立面设计实践验证了装配式住宅立面多样化设计策略不仅能够实现装配式住宅品质提升、成本节约,并且能够通过数据互动提高设计和施工的联动性,对装配式住宅立面构件的工业化生产和装配式住宅多样化、规模化的发展具有重要意义。