裝配式建筑立面構(gòu)造性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

袁 靜 ，馬曉鳴

(西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)人口越來(lái)越多，對(duì)建筑住宅的需求越來(lái)越旺盛[1]。傳統(tǒng)的建造方式質(zhì)量較差、施工環(huán)境污染嚴(yán)重，并且易造成資源浪費(fèi)。裝配式建造可以減少建筑材料的使用，可以在工廠內(nèi)預(yù)制出建筑構(gòu)件[2]，有利于建筑工業(yè)化的發(fā)展，而且裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)眾多，質(zhì)量與安全有保障，抗震性效果較好。但裝配式建筑的構(gòu)件多為標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制生產(chǎn)化的構(gòu)件，建筑的立面設(shè)計(jì)也會(huì)受到這種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、構(gòu)件種類較少的約束[3]；另一方面，不同的預(yù)制板的結(jié)構(gòu)體系、制作工藝會(huì)對(duì)立面設(shè)計(jì)造成影響，因此探索裝配式建筑的立面優(yōu)化設(shè)計(jì)方式具有積極的指導(dǎo)意義。

BIM技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用久遠(yuǎn)，例如修龍等早在2013年便介紹了中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院在BIM方面的探索[4]。近年來(lái)，馬小秋等為了提高三維建筑模型的精準(zhǔn)度，深入研究了BIM建筑三維重建方法[5]；趙全斌等設(shè)計(jì)了基于BIM的建筑地震受損程度評(píng)估模型[6]；羋建華等以居住建筑的二維圖庫(kù)為基礎(chǔ)，建立了BIM構(gòu)件庫(kù)，定義了基于BIM技術(shù)的基元并建立了基元庫(kù)做為AI基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)[7]；武煒完成了基于BIM建筑工程進(jìn)度估計(jì)方法的構(gòu)建[8]；郭建營(yíng)等和劉自昂等分別對(duì)BIM技術(shù)在裝配式建筑中的項(xiàng)目管理和施工成本控制進(jìn)行了研究[9-10]；周軍研究了BIM技術(shù)在裝修項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)和為建筑裝修等行業(yè)帶來(lái)的發(fā)展,分析其在裝修項(xiàng)目安全施工中的可行性和優(yōu)勢(shì)[11]；王彩雪組建了建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM模型，結(jié)果表明建模速率接近于100%，同時(shí)還能夠降低建模費(fèi)用和復(fù)雜度[12]。由此可見，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過(guò)BIM技術(shù)可較好地對(duì)裝配式建筑立面構(gòu)造性能優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 裝配式建筑立面構(gòu)造方法解析

1.1 裝配式建筑立面設(shè)計(jì)特點(diǎn)

裝配式建筑的立面設(shè)計(jì)可以滿足多樣化設(shè)計(jì)的需求，立面預(yù)制構(gòu)件與樓層進(jìn)行分格設(shè)計(jì)，對(duì)于外立面的構(gòu)造需要各類預(yù)制構(gòu)件的組成[13]，例如，預(yù)制外墻板、預(yù)制樓梯間外墻以及預(yù)制單元入口等等，在實(shí)際拼裝時(shí)的接縫，除了采用混凝土現(xiàn)澆和焊接外，也可按需采用硅酮、聚硫、聚氨酯等粘結(jié)劑進(jìn)行密封。裝配式建筑的立面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)一般包含3種常見的特點(diǎn)，分別是立面可以按照層級(jí)拆分，拼接方式靈活簡(jiǎn)便、一體化程度高。立面按照層級(jí)拆分，依據(jù)外墻板的肌理、材質(zhì)、顏色、尺寸等等特性來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]。預(yù)制陽(yáng)臺(tái)也可以按照欄桿、陽(yáng)臺(tái)窗等進(jìn)行分級(jí)，達(dá)到建筑立面豐富化的效果，其拆分結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用不同拼接方式的預(yù)制構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生不同的建筑效果，例如，通過(guò)框架結(jié)構(gòu)拼接的建筑，預(yù)制外墻板嵌入框架柱時(shí)呈現(xiàn)出上下連貫的效果。如果換成外掛于框架柱的方式，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)統(tǒng)一性的效果。裝配式建筑的一體化程度體現(xiàn)在預(yù)制外墻板等結(jié)構(gòu)集成了保溫、結(jié)構(gòu)、裝飾的效果總和，在關(guān)鍵表面涂刷防水層，同時(shí)也能夠增加外墻板的防水性能。裝配式建筑的構(gòu)件具備跟高的工業(yè)化程度、更豐富的美觀性。

圖1 立面拆分結(jié)構(gòu)Fig.1 Facade split structure

1.2 裝配式建筑立面整體構(gòu)造原則及方法

裝配式建筑的立面構(gòu)造集合了各種設(shè)計(jì)原則，既滿足功能要求，也迎合多元化的建筑需求，立面設(shè)計(jì)的原則包含功能性設(shè)計(jì)原則、整體性設(shè)計(jì)原則、技術(shù)性設(shè)計(jì)原則、文化性設(shè)計(jì)原則和美學(xué)設(shè)計(jì)原則[15]。功能性設(shè)計(jì)的原則主要是為了滿足建筑的室內(nèi)功能；整體性設(shè)計(jì)原則是讓建筑的功能構(gòu)件在立面的色彩、材質(zhì)、質(zhì)感等等方面形成整體性與統(tǒng)一性的觀感；技術(shù)性設(shè)計(jì)原則是考慮在建筑材質(zhì)、結(jié)構(gòu)體系、建筑方式等方面體現(xiàn)出技術(shù)特征[16]；文化性設(shè)計(jì)原則利用建筑裝飾、建筑色彩等方式適應(yīng)建筑環(huán)境的文化因素。

整體構(gòu)造的方式涉及到建筑底部、中間層和頂部的整體性協(xié)同設(shè)計(jì)，底部層的設(shè)計(jì)方法不同于其他，主要是用于作為人群的視覺入口[17]，并對(duì)中間層進(jìn)行區(qū)分，突出材質(zhì)、顏色的特點(diǎn)，顯示出與眾不同的效果；中間層的構(gòu)造方法則是對(duì)各種預(yù)制構(gòu)件、組合進(jìn)行精細(xì)化的建構(gòu)，形成不同的構(gòu)圖方式，增強(qiáng)建筑的辨識(shí)度[18]，形成獨(dú)有的立面效果。而對(duì)于頂部立面的構(gòu)造著重于女兒墻、檐口的設(shè)計(jì)[19]，完成頂部層的設(shè)計(jì)。

2 立面構(gòu)建模塊化庫(kù)的構(gòu)建

2.1 基于BIM的立面功能構(gòu)件庫(kù)的創(chuàng)建

立面構(gòu)件設(shè)計(jì)緊密地與裝配建筑的立面造型相關(guān)，為了構(gòu)造立面功能構(gòu)件，需要對(duì)裝配式建筑進(jìn)行合理解構(gòu)，形成單獨(dú)的功能構(gòu)件，常見的功能性構(gòu)件包括欄桿、欄板、空調(diào)機(jī)板、遮陽(yáng)構(gòu)件等等。外墻板族庫(kù)的構(gòu)建是對(duì)于裝配式建筑是十分關(guān)鍵的，決定了外墻的外部造型，依照外墻板的組合形式，設(shè)計(jì)一套外墻板族庫(kù)，包含各種常見的外墻板形式，具體如圖2所示。對(duì)于裝配式建筑外墻板的材質(zhì)一般分為4種，即纖維水泥、金屬、PVC和石材[20]，具體如圖3所示。外墻板的裝飾面也具有多樣性，例如，木紋、塊石紋、橫條紋等等，加工方法有澆注成型和后加工處理成型2種，通過(guò)不同加工工藝和設(shè)計(jì)裝飾形成不同的風(fēng)格，具體如圖4所示。外墻板的固定方式通常采用外貼式和內(nèi)嵌式，具體如圖5所示。

圖2 預(yù)制外墻板形式Fig.2 Form of prefabricated outer wall panel

圖3 外墻板的材料分類Fig.3 Material classification of exterior wall panels

圖4 外墻板飾面Fig.4 Exterior wall panel finishes

圖5 外墻板固定方式Fig.5 External wall panel fixing method

從立面設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，安裝橫向條板和豎向條板具有不同的效果，也應(yīng)設(shè)置到構(gòu)件庫(kù)中，具體如圖6所示。而對(duì)于重復(fù)性的拼版工作，則應(yīng)考慮大塊式的墻板，節(jié)省重復(fù)性的成本[21]，雖然對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的安裝技術(shù)要求較高，但是大塊式墻板有利于把控不同的板縫，聚集成統(tǒng)一化的效果，具體如圖7所示。利用BIM創(chuàng)建上述的部分外墻板族庫(kù)如圖8所示，當(dāng)把任意一個(gè)裝配式構(gòu)件加載到平面實(shí)例中，形成更加具有規(guī)律性和秩序性的效果[22]，尤其針對(duì)戶型單體的效果。對(duì)于構(gòu)建陽(yáng)臺(tái)族庫(kù)，常見的陽(yáng)臺(tái)包含凹陽(yáng)臺(tái)、凸陽(yáng)臺(tái)、外廊式陽(yáng)臺(tái)等，具體如圖9所示。陽(yáng)臺(tái)的平面形狀一般是三角形、矩形、多邊形、弧形等，在設(shè)計(jì)陽(yáng)臺(tái)欄桿時(shí)，通常構(gòu)造出鋅合金陽(yáng)臺(tái)欄桿、夾玻璃陽(yáng)臺(tái)欄桿和歐式水泥陽(yáng)臺(tái)欄桿等等，基于BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)后，構(gòu)成陽(yáng)臺(tái)窗的三維設(shè)計(jì)圖庫(kù)作為陽(yáng)臺(tái)族庫(kù)，具體如圖10所示。然后，設(shè)計(jì)窗戶族庫(kù)，窗戶包括平窗和凸窗，在加上窗臺(tái)板和窗框的設(shè)計(jì)，形成不同的窗戶造型，創(chuàng)建不同的窗戶族庫(kù)部件。最后，相對(duì)比較重要的功能部件還包括樓梯間族庫(kù)和建筑單元的入口族庫(kù)。

(a)外墻掛在橫墻上

(b)條板固定在柱子上橫向條板的構(gòu)造形式

(c)窗臺(tái)(肚)板支承樓板

(d)豎向條板的構(gòu)造形式圖6 橫條板與豎條板Fig.6 Horizontal and vertical bars

圖7 大塊體系Fig.7 Bulk system

圖8 外墻板族庫(kù)Fig.8 Exterior wall panel library

圖9 陽(yáng)臺(tái)分類Fig.9 Classification of balconies

圖10 陽(yáng)臺(tái)族庫(kù)Fig.10 Balcony family library

2.2 水平構(gòu)圖下的模塊組合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

水平構(gòu)圖下各種裝配式預(yù)制構(gòu)件應(yīng)體現(xiàn)出較為明顯的層次區(qū)分特性，裝配式建筑的立面構(gòu)造效果應(yīng)由水平構(gòu)圖的視覺效果顯示出協(xié)調(diào)性。對(duì)于預(yù)制外墻的立面結(jié)構(gòu)，在分析水平式組合式。其中一種方式是窗間墻和窗戶組成水平線條，保證建筑立面產(chǎn)生線狀分布的效果，窗下墻與旁邊墻體組成線性分布狀態(tài)，具體如圖11所示。例如，外廊欄板和外廊空間形成水平劃分結(jié)構(gòu)也屬于水平構(gòu)圖方式；此外，帶形窗與窗下墻、“一”字形的遮陽(yáng)板排列組合的形式也可以構(gòu)成水平構(gòu)圖方式，具體如圖12所示。

圖11 外墻水平式構(gòu)圖Fig.11 Horizontal composition of exterior wall

圖12 凹廊水平式構(gòu)圖Fig.12 Horizontal composition of concave corridor

2.3 垂直構(gòu)圖下的模塊組合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

垂直式的構(gòu)圖方式是通過(guò)有規(guī)律的垂直線以及各種立面的豎向結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行劃分的。外凸的壁柱一般按照垂直方式進(jìn)行構(gòu)圖。除此之外，窗間墻與窗下墻的窗構(gòu)成垂直的組合，加設(shè)建筑立面的側(cè)板構(gòu)件與立面的凸出陽(yáng)臺(tái)形成整體式的垂直羅列結(jié)構(gòu)，有助于形成垂直的構(gòu)圖，具體如圖13所示。

圖13 凸陽(yáng)臺(tái)的垂直式構(gòu)圖Fig.13 The vertical composition of the convex balcony

3 裝配式建筑立面構(gòu)造的應(yīng)用

3.1 外立面優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)某住宅樓的裝配式建筑構(gòu)造進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)，該住宅樓在功能上包含3種不同性質(zhì)的建筑用房，分別是住宅樓、地下車庫(kù)以及配套公共服務(wù)用房。住宅樓為18層高，地下車庫(kù)為地下2層。建筑立面的構(gòu)造采用了面磚、石材以及涂料等，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系采用鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)。對(duì)此按照裝配式建筑的拆分設(shè)計(jì)原則，對(duì)于建筑立面的外墻板和預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、窗等構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。外墻使用的石漆涂料和保溫裝飾一體板接縫的建筑方式，使得建筑整體造型顯示出單一呆板的風(fēng)格，與周圍建筑物相比，辨識(shí)度不高。所以在外墻板上，通過(guò)設(shè)置對(duì)立面外墻板不同的開口，增加建筑立面的多樣化效果。同時(shí)，由于在墻板之外，空調(diào)機(jī)位的垂直排列缺乏趣味性，為了豐富立面的效果，在陽(yáng)臺(tái)外側(cè)布置了2種材質(zhì)的欄板，由于金屬材質(zhì)欄桿和木質(zhì)材質(zhì)欄桿會(huì)形成視覺上的沖擊效果，因此進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化；金屬欄桿與木質(zhì)欄桿組合示意圖，具體如圖14所示。

圖14 金屬欄桿與木質(zhì)欄桿組合Fig.14 Combination of metal railings and wooden railings

3.2 立面接縫處理

對(duì)于立面的接縫處，實(shí)際應(yīng)用中，可在接縫處2邊分別采用2種色彩或是2種條紋等可明顯區(qū)分形式的模型族進(jìn)行模擬，或者是在2個(gè)相鄰模型間預(yù)留間隔或者建立模型線進(jìn)行表示。實(shí)際工程中，可根據(jù)接縫處的表現(xiàn)形式，采用不同粘接做法。例如，接縫2邊為條紋不同的，即表明接縫處僅采用防水密封膠進(jìn)行密封和輕微粘接；在接縫處預(yù)留間隔的，則采用焊接或者是現(xiàn)澆混凝土粘接2邊材料；若接縫2邊為顏色不同的，則需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行固定連接，如采用膨脹螺釘、強(qiáng)力膠結(jié)等。原則是僅通過(guò)外表形式和一定規(guī)則便能方便判斷立面接縫處的粘接(連接)方式。

3.3 模型構(gòu)建

運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維可視化的模塊，尤其是外墻模塊、窗模塊和陽(yáng)臺(tái)模塊等等，其三維試圖如圖15所示。

圖15 三維試圖Fig.15 3D attempt

在裝配式建筑立面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)外立面的層級(jí)拆分，拆分成不同功能構(gòu)件，創(chuàng)造更加多元化的外立面造型，同時(shí)為了拼接的靈活性，優(yōu)化外墻板不同的連接方式，分別采用嵌入式和外掛式來(lái)連接框架柱。通過(guò)上述的2種優(yōu)化方法，可以更加豐富建筑的立面效果，并且，可以綜合橫向線條和豎向線條，利用外露梁柱、遮陽(yáng)板等構(gòu)件來(lái)組成劃分網(wǎng)格的形式，加強(qiáng)水平和垂直方向的線條感，具體如圖16所示。其中，單體1和單體2組成聯(lián)合單體模塊，使得空調(diào)機(jī)位、陽(yáng)臺(tái)構(gòu)成一體，減輕了裝配的難度，有利于保持網(wǎng)格的肌理排列。

圖16 網(wǎng)格化設(shè)計(jì)優(yōu)化Fig.16 Optimization of grid design

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑具有很多優(yōu)點(diǎn)，本文研究了裝配式建筑的構(gòu)造特點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則。針對(duì)裝配式建筑的立面設(shè)計(jì)，分析了眾多立面構(gòu)件的設(shè)計(jì)與構(gòu)造方法，基于BIM技術(shù)，對(duì)眾多立面涉及的構(gòu)件，構(gòu)建了模塊化族庫(kù)。然后，依照某裝配式住宅樓的立面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用水平構(gòu)圖方式與垂直構(gòu)圖方式結(jié)合的方式，對(duì)外墻板、窗模塊和陽(yáng)臺(tái)模塊進(jìn)行模型構(gòu)建與優(yōu)化，總結(jié)出立面設(shè)計(jì)的多樣化手法。在未來(lái)的研究中，要以更多的手段，集合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和地形，營(yíng)造出裝配式住宅樓的多樣化效果，更好地表現(xiàn)建筑立面的豐富性。