數字時代的建筑模數化設計方法思考

程 姜 王 凱

(1.重慶三峽學院 美術學院，重慶 404100; 2. 華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

數字時代的建筑模數化設計方法思考

程 姜1王 凱2

(1.重慶三峽學院 美術學院，重慶 404100; 2. 華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

建筑模數化在我國古代廣泛使用， 隨著設計手段的不斷進步，新技術為傳統的設計思路帶來更多的可能性。文章從模數起源展開思考，引申到基于建筑信息模型的模數設計方法，并提出了一些思路。

模數;建筑設計;建筑信息模型

1 前 言

建筑模數，古來有之。《說文》一書中這樣寫到：“模，法也，數，計也”。在中國傳統建筑設計實踐中,已經對建筑模數進行了大量探索，宋代營造法式大木作中“材”、清代“斗口”其實都是模數的體現。近代的比米斯模數、勒·柯布西耶模數、雷納級數，對現代建筑模數數列中的疊加原則、倍數原理、優選尺寸等都起過重大影響。上個世紀70年代，國際標準化組織房屋建筑技術委員會 (ISO/TC59) 亦陸續公布了有關建筑模數的一系列規定。

模數作為一種設計思路，在現代建筑學領域里越來越受到重視，通過模數秩序手段，使建筑設計更好地適應當代需求，促進設計標準化和建筑工業化，從而減輕環境負擔。

隨著數字化、信息化和智能化技術的發展，建筑領域出現了以建筑信息模型(Building Information Model，BIM)為代表的新設計工具。建筑信息模型基于參數化、構件化的設計方式，對于模數設計而言，是一條有效的途徑。

2 基于建筑信息模型的建筑模數化設計

2.1 基本模數策略

模數在設計的運用中，最簡單的方式就是選擇一個或幾個關鍵模數，并通過這個模數與不同的體塊相聯系。理想的模數應當從始至終貫穿于建筑的設計及建造過程中，例如，將軸網尺寸設置為重點模數，再將層高的尺寸、外立面飾面設置成與軸網、層高尺寸相關倍數的尺寸等，以此類推，完成從整體到細節模數策劃。

圖1 基本模數策略

2.2 三維模數網格策略

通過設置BIM三維模數網格來進行方案設計，有助于實現更加規整設計。三維模數網格中的模數，除了作為設計的度量依據外，還起到決定每個建筑構件配件的精確尺寸和確定每個組成部分在建筑中的定位作用。

三維模數網格包含水平模數和豎向模數網格。可以依其作用分成建筑模數網、結構模數網格和裝飾模數網格。建筑模數網是用來作為空間劃分的依據，而結構模數網格則是作為結構構件組合的依據，裝飾模數網格作為家具和內裝的依據。

2.3 三維構件設計策略

BIM具有“構件”的概念，即設計平臺中所有的圖元都基于構件模塊。BIM的構件模塊包含了初始對象的識別信息，例如：墻、梁、樓板、柱、門窗、樓梯等等，基本涵蓋建筑構件的各個種類。不同的構件具有不同的初始參數和信息。如：標準矩形梁有截面尺寸和長度等信息。后期，可以利用這些信息用來統計和性能化分析。除了，標準的“構件”之外，也可以自定義較特殊的“構件”，通過多個項目的積累，可以使得設計構件庫變得更加豐富。

2.4 參數化策略

參數化就是將建筑設計的要素都變成某個函數的變量，通過改變函數算法，獲得不同的建筑設計方案，簡單理解為一種可以通過計算機技術自動生成設計方案的方法。BIM的參數化策略通常包含三個層次：

(1)基于尺寸參數化策略，BIM的構件可以包含長度、角度、面積、體積、半徑、弧長等尺寸參數，可在設計過程中根據模數需要而改變。同一個構件變化時，項目中所有同樣的構件都會自動更新，減少修改工作。

圖2 基本模數策略

圖3 BIM構件庫

圖4 參數化策略

(2)基于變量參數化策略，實質上是尺寸策略的進一步拓展，方法是將特定的設計要素，如尺寸、約束條件、工程計算條件等設為設計變量。通過人為定義這些變量之間的邏輯關系式，而使設計參數互相影響，實現半自動化模數設計。

(3)關系式驅動參數化策略，通過建立數學表達式來反映參數(尺度)之間的關系，這種數學關系本質上就是一種模數，關系式發生變化以后，模型也將跟著發生變化。BIM可以調用各種數學函數來實現復雜的邏輯關系。關系式驅動參數化策略可以實現多種方案的快速比選。

2.5 模塊化設計

模數是模塊化設計的前提，模塊化設計實模數設計的拓展。模塊化設計通常應用于裝配式建筑，簡單地說就是將設計模數的構件組合在一起，構成一個具有特定功能的單元，將這個子單元作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的單元，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列組合。模塊化設計有著相對獨立性、互換性、通用性這三大特征。模塊是構件的集成的產物，屬于成套實用技術。通過BIM將常要遇到各種專門化建造技術，如：防水技術、排煙通風道技術、輕質隔墻技術、保溫隔熱技術等實用技術模塊成套化。

可以通過項目積累一批標準化功能空間模塊，如衛生間、辦公室、走道、樓梯間、電梯井等。BIM的模塊可以根據設計需求發生自適應性變化，能夠實現多重邏輯聯系。甚至可以將一些建筑設計規則賦予到BIM參數驅動中，系統自動給出解決方案。

圖5 功能模塊

圖6 功能模塊組合

2.6 后期模數優化設計

在設計過程中，往往前期不需要充分考慮表皮或較細的模數設計，需要在后期進行模數優化。目的是使其在滿足建筑規劃效果的基礎上，盡可能模數化、標準化和規整化，減少成本和易于施工。常見的有幕墻分格優化、裝配式構件拆分優化等，優化要考慮很多方面，設計規范、材料規格、材料強度剛度、室內房間布置、防火分區、經濟性等，通過BIM的參數化、集成性能模擬特性可以綜合地考慮設計條件，系統地完成優化工作，做出更明智的優化方案。

3 結論

建筑信息模型為代表的數字化時代新設計工具，拓展了建筑模數化設計的可能性。建筑造型得以向更自由、 更多變、 更合理的方向發展。建筑師的設計過程已經不再是單方向對功能要求的滿足，也不僅僅停留在模數的刻板套用，而是致力于追求對新的使用要求的融合。相信通過建筑信息模型的應用 ，使得模數化設計更理性化，圖紙表達更高效化、精確化，建筑師可以將精力更多地放在設計本身。

[1]陳志華.外國建筑史[M].中國建筑工業出版社，2004:34-36.

[2]中華人民共和國建設部. 建筑模數協調標準(GB/T5002-2013)[S]. 中國建筑工業出版社，2013:11-12.

[3]王凱.國外BIM標準研究[J]. 土木建筑工程信息技術,2013,5(1):6-16.

[4]袁烽,尼爾.里奇.建筑數字化建造[M]. 同濟大學出版社,2012:40-45.

An Exploration of Architectural Modulus Design in Digital Era

Cheng Jiang1，Wang Kai2

(1.CollegeofFineArts,ChongqingThreeGorgesUniversity,Chongqing404100,China;2.EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.,Shanghai200041,China)

Architectural modularization was widely applied in ancient Chinese architecture. With the development of design methods, new technologies bring more possibilities to traditional modulus method. In this article, the author shows some ideas about how to apply building information model in modulus design.

Modularity; Architectural Design; Building Information Model

程姜(1985-)，女，碩士，室內建筑師、資深室內設計師, 李瑋珉建筑師事務所室內設計師，重慶三峽學院美術學院環境藝術設計系教師。主要研究方向：數字化設計及理論、室內建筑空間設計、園林景觀設計; 王凱(1982-)，男，碩士，主創建筑師,華東建筑設計研究院有限公司(原上海現代建筑設計集團)集團信息中心數字化技術研究咨詢部技術負責人、高級項目經理、資深顧問。主要研究方向：數字化建筑設計及理論、綠色建筑設計、城市設計與再生。

TU318·1：TB92

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1674-7461(2015)01-0037-04