以地域特色為導向的開源裝配式農(nóng)居適用性分析

張金明

（廣東省綠色建材與裝配式建筑工程技術研究中心 廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000）

關鍵字：地域特色；開源；裝配式；適用性

《2016-2010年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提到要全面提高建筑業(yè)信息化水平，增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術集成應用能力。美麗鄉(xiāng)村農(nóng)居的建設是直接關系到農(nóng)村居住環(huán)境的好壞與農(nóng)村建設的成敗。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村住宅的大肆建設，缺乏專業(yè)的施工管理和人地關系的考慮，使得鄉(xiāng)村農(nóng)居工程質(zhì)量令人堪憂，并且出現(xiàn)各地農(nóng)居建筑風格雷同，傳統(tǒng)地域建筑特色文化正在消亡，因此，保障農(nóng)居工程質(zhì)量，改善農(nóng)居環(huán)境水平，保護與傳承農(nóng)居地域文化，探討一條地域特色、高質(zhì)、高效的適合農(nóng)居的建造方式，就顯得尤為緊迫。本文嘗試以開源裝配式農(nóng)居為對象，采用BIM 模塊化的設計方法來探討目前農(nóng)居地域特色風格和建造方式，以適應未來新農(nóng)村建設的農(nóng)居工業(yè)化的新要求。

1 BIM 技術、模塊化設計與裝配式建筑特點

模塊化設計是在進行系統(tǒng)功能分析基礎上，將整個系統(tǒng)的總功能分解為若干個基礎單元模塊，根據(jù)用戶需求快速設計出多樣化用途的各種新系統(tǒng)[1]。模塊化設計可以簡單地理解為將某些要素組合，形成一個子系統(tǒng)，這個系統(tǒng)具有特定功能且可以作為通用性的模塊再與其他要素再進行多樣組合，又構成新的系統(tǒng)。建立模塊的建筑構件模型庫，實現(xiàn)建筑構件標準化，使各專業(yè)層次分明，從設計、生產(chǎn)、施工等多層次的設計與組合，可以快速地實現(xiàn)建筑物的設計、組合、變型及重構，為建筑的裝配式提供基礎。模塊化是實現(xiàn)建筑工業(yè)化生產(chǎn)的一種有效方法。

以數(shù)據(jù)化、信息化整合的BIM 技術，基于協(xié)同設計平臺，將不同專業(yè)模塊或組件快速、準確地建立起信息模型，使建筑模型具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特點。將 BIM 技術與裝配式設計方法結合，可以形成專業(yè)的互動性和反饋性的可視化、各專業(yè)問題協(xié)調(diào)性、施工進度與管理的模擬性、復雜工程設計的優(yōu)化性等，因此裝配式建筑基于 BIM 的模塊化設計方法可以使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，對提高生產(chǎn)效率、縮短工期、降低造價扮演重要角色。

2 開源裝配式設計理念的由來

我國很多美麗鄉(xiāng)村是村民根據(jù)生產(chǎn)、生活需要和其對自然環(huán)境的理解而營造起來的，這一持久的過程并沒有職業(yè)建筑師參與。建筑使用者對建筑的使用要求表達越來越強烈，都希望全程參與建設，并把其最原始愿望變?yōu)楝F(xiàn)實，然而職業(yè)建筑師和工程師不能感同身受鄉(xiāng)村生活方式，難于表達使用者的最初心理預期。互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展為建筑使用者更容易表達自己的想法，可以借助數(shù)字軟件參與建筑設計，因此建筑師的工作方式要根據(jù)使用者意志表達需求轉換設計模式，探索個體建筑設計向群策設計的開源設計方向轉變。

鄉(xiāng)村的發(fā)展是一個長久過程，美麗鄉(xiāng)村的建設離不開傳統(tǒng)建筑文化的傳承與發(fā)展、傳統(tǒng)建筑的活化利用。鄉(xiāng)村建設要把村民的生活方式與自然的因素考慮進來，使建筑的載體更具有地域特色與鄉(xiāng)土味。農(nóng)居作為鄉(xiāng)村建設的主要內(nèi)容，更應該根據(jù)使用者的需求意志來完成，其設計的自主權應還回村民，讓村民將村落的地域特色賦予建筑。

開源在軟件系統(tǒng)里是開放源代碼，用戶可以在源代碼的基礎上修改和學習，開源裝配式就是提供一個自由的平臺可供各方共同參與設計。開源裝配式理念可以讓村民根據(jù)需求自主快速組合建筑主體結構，自行塑造建筑形態(tài)，根據(jù)地域特色材料與地域工序對“半成品”尋找適合的完善方式，既可以保證村落形態(tài)的整體統(tǒng)一，又能在統(tǒng)一中有隨機的微小秩序變化。

3 開源裝配式農(nóng)居的適用性分析

推廣裝配式技術在農(nóng)居的應用，引入新型設計體系與建造模式是解決農(nóng)居建設共性問題的必由之路。如何實現(xiàn)農(nóng)居的裝配水平，關鍵在于裝配式建筑的可靠性、實用性與傳承性。因此對裝配式農(nóng)居在設計體系、建構效率、空間適應與物理環(huán)境[2]等方面進行適用性分析。

3.1 設計體系

BIM 技術具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性及可出圖性等特點?；贐IM 平臺在設計階段能夠對各專業(yè)模型進行3D 仿真模擬，以優(yōu)化方案設計與成本控制。設計人員在協(xié)同設計平臺上可以根據(jù)用戶需求從模型庫中挑選相應的設計模塊來組合成整體模型，并對模型進行碰撞檢測、優(yōu)化協(xié)調(diào)，生成最終專業(yè)模型，實現(xiàn)模型信息在設計、生產(chǎn)與施工之間的共享。

引入開源裝配式農(nóng)居理念，參考了謝英俊家屋體系、哈貝馬斯互為主體的“溝通行動理論”[3]的策略，在一定程度上解決了鄉(xiāng)村地域特色與裝配式建筑的矛盾問題。在預制裝配建筑主體結構的基礎上，開源可以讓村民因生活方式、自然條件、社會條件等種種因素，衍生出各種地域特色的并適應需求的建筑擴展形態(tài)。然而這些擴展形態(tài)是村民將與其生活息息相關的想法轉化為現(xiàn)實的成果，既保留了鄉(xiāng)土的味道，又傳承與演變了建筑形態(tài)。結構的預制與圍護結構的開源，既體現(xiàn)了建筑形態(tài)的豐富多樣，又保證了村落整體形態(tài)的統(tǒng)一，也符合美麗鄉(xiāng)村建設的要求。

3.2 建構效率

早在20 世紀40年代，國外就關注裝配式建筑對系統(tǒng)建構效率問題，如德國建筑師康拉德·瓦克斯曼的移動機庫”（Mobile Hanger）與“組件住宅”（Packaged House）、美國建筑師埃姆斯夫婦的“埃姆斯住宅”（Eames House）等。20 世紀 80年代末以后，批量定制”（mass customization）概念引入輕質(zhì)裝配式建筑系統(tǒng)的實踐之中，如美國建筑師斯蒂芬·基爾蘭（Stephen Kieran）與詹姆斯·汀波萊克，他們致力于研究批量定制建筑的差異化、個性化問題。預制建筑的批量定制策略實際上是集設計思考、建造（制造）組織、技術轉移、材料開發(fā)、銷售服務于一體的綜合性流程設計，并最終回應預制建筑的多樣性命題。[4]

裝配式建筑對系統(tǒng)建構效率的關注，主要體現(xiàn)在預制生產(chǎn)與裝配建造兩個環(huán)節(jié)。[2]預制生產(chǎn)與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工相比，預制生產(chǎn)可通過標準化構件體系有效地提高構件質(zhì)量，降低造價，減少現(xiàn)場施工工期。裝配建造環(huán)節(jié)相對于傳統(tǒng)現(xiàn)場施工更顯的方便、快捷，建筑構件運輸?shù)浆F(xiàn)場如果是輕量結構并不需要大型吊裝設備，只需要施工人員協(xié)力便可人工完成拼裝。

基于BIM 技術的協(xié)同設計平臺，明確了各專業(yè)的工作職責，方便了相互間的交流與問題反饋的及時性，避免系統(tǒng)的碰撞沖突；能通過模型的族庫信息精準地產(chǎn)品生產(chǎn)與跟蹤、運輸與裝配，節(jié)約庫存空間，同時滿足客戶的多樣化需求。同時在施工中，模塊化的構件讓村民可方便快捷地組合建筑主體結構，加強了村民對建筑結構自由拼裝的可操作性，。BIM 與裝配式技術的結合進一步推動了建筑的工業(yè)化發(fā)展，提高了預制構件的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，提高了裝配建造速度。

3.3 空間適應性

早在上世紀中期，國外就有研究裝配式建筑的空間適應性問題，如研究建筑功能發(fā)生變化后對圍護模塊的拆卸、變換或重組，以適應建筑全生命周期內(nèi)的空間需求。如基爾蘭 · 汀波萊克事務所基于標準模數(shù)為 KT 系列住宅開發(fā)了“可卸板塊”（dump panel）與“智慧模塊”（smart module）兩種模塊。[5]

國內(nèi)已經(jīng)有很多學者研究裝配式農(nóng)居戶型標準化設計內(nèi)容，如空間的模塊化設計、集成化設計等，從生活習慣和傳統(tǒng)文化的影響分析，建立標準的功能模塊和標準的戶型模式，再到戶型全生命周期內(nèi)空間的可變性研究，已經(jīng)積累了大量實踐案例，如謝英俊家屋體系，北新建材研發(fā)的新型房屋，朱競翔的“新芽”系列建筑等。

村民在預制的主體結構基礎上，根據(jù)傳統(tǒng)的民居空間形態(tài)、生活方式與需要，自由組合出不同空間架構。開源的主體結構與圍護結構便于村民根據(jù)家庭人口結構對結構空間的擴展，便于對圍護結構材料選擇的本土化與維護，既避免了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化風格單一的形態(tài)，又能滿足用戶不同的需求。

3.4 物理環(huán)境性能

物理環(huán)境性能指的在保證建構效率與空間適應性的前提下，通過裝配式建筑的本體設計能營造舒適的室內(nèi)物理環(huán)境，減少對外部能源的依賴，最終達到“舒適”與“節(jié)能”的平衡。[2]

國外關于裝配式建筑物理環(huán)境的研究較早，如上世紀30年代，有法國的讓·普魯維研究輕質(zhì)裝配式系統(tǒng)的氣候適應性特征的“熱帶住屋”（Maison Tropicale）[6]；美國建筑師馬克·安德森從地理與氣候研究建筑的環(huán)境性能與建筑形式的“場地特異性”（site-specificity）；[6]基爾蘭·汀波萊克事務所研究陽光板與室外環(huán)境的光、風、熱因子的“火炬松住宅”（Loblolly House）。[7]

國內(nèi)關于裝配式建筑物理環(huán)境的研究，如香港中文大學的朱競翔研究的新型輕量建筑圍護設計、物理性能與舒適度問題；清華大學宋曄皓團隊研究室內(nèi)舒適度問題的零能耗輕質(zhì)裝配式建筑；還有其他學者對區(qū)域裝配式建筑的物理環(huán)境研究，如朱娜“ 嶺南地區(qū)綠色裝配式農(nóng)居設計策略研究”，赫浩伯“小型預制裝配式建筑在北方嚴寒地區(qū)的實現(xiàn)”等。

從國內(nèi)外裝配式建筑的物理環(huán)境性能研究現(xiàn)狀來看，裝配式建筑室內(nèi)的物理環(huán)境是可以滿足居住的要求的。開源裝配式建筑可通過氣候適應性策略，采用自然通風、高熱容的圍護結構、遮陽等技術來提高建筑室內(nèi)的舒適性。

4 裝配式農(nóng)居發(fā)展的問題

4.1 產(chǎn)業(yè)配套不完善

目前農(nóng)居的結構體系以是框架結構和混合結構為主，建設均需要現(xiàn)場澆注和養(yǎng)護，擁有非常成熟的施工流程和施工技巧。然而裝配式建筑部分構件需要在工廠預制，完成后運輸?shù)浆F(xiàn)場，部分重體量構件還需通過吊車吊起安裝，涉及的專業(yè)較多，要求工人有一定的識圖能力與安裝技巧，因此需要上下游專業(yè)的配合和配套才可完成?；谵r(nóng)村建設的交通與場地有限，裝配式建筑構件設計、生產(chǎn)、運輸、安裝、維護等人才緊缺，是裝配式建筑在農(nóng)村發(fā)展的重要影響因素。

4.2 居住文化的差異

中國傳統(tǒng)的農(nóng)居都是較穩(wěn)重的磚石材料，能帶給居住者安全、穩(wěn)固之感，切合中國人的生活習慣。裝配式建筑，特別是輕鋼結構建筑應用“空”的復合墻板圍護結構與“輕”的結構體系給人不踏實的安全感和較差的隔熱、隔聲性能。對于新型的建筑結構，村民在沒有確定其可靠性、安全性、實用性與經(jīng)濟性前都會處觀望狀態(tài)，況且裝配式建筑在農(nóng)村還沒有流行，自然不會冒大風險嘗試，除非其有足夠的吸引力。

4.3 建設成本與施工效率

裝配式建筑在農(nóng)村還沒有大批量的需求，能做裝配式建筑的企業(yè)都是一些大型企業(yè)，自然不會追求農(nóng)村小利潤項目，造成目前農(nóng)村小型裝配式建筑成本過高，偏遠地區(qū)構件運輸與安裝成本較大，這也是業(yè)主對裝配式建筑望而生畏的因素。

5 總結

本文從開源裝配式建筑的設計體系、建構效率、空間適應與物理環(huán)境等方面進行開源裝配式農(nóng)居的實用性分析，既符合建筑行業(yè)的發(fā)展目標與需要，也體現(xiàn)了農(nóng)居的地域特色發(fā)展，在 BIM 設計理論結合產(chǎn)業(yè)配套的完善，加強技術工人的專業(yè)技能培訓，開源裝配式農(nóng)居具有一定的適用性。