裝配式建筑立面構造性能優化設計研究

袁 靜 ，馬曉鳴

(西安建筑科技大學 華清學院，陜西 西安 710054)

隨著城市化進程的加快，城鎮人口越來越多，對建筑住宅的需求越來越旺盛[1]。傳統的建造方式質量較差、施工環境污染嚴重，并且易造成資源浪費。裝配式建造可以減少建筑材料的使用，可以在工廠內預制出建筑構件[2]，有利于建筑工業化的發展，而且裝配式建筑的優點眾多，質量與安全有保障，抗震性效果較好。但裝配式建筑的構件多為標準化、預制生產化的構件，建筑的立面設計也會受到這種標準化設計、構件種類較少的約束[3]；另一方面，不同的預制板的結構體系、制作工藝會對立面設計造成影響，因此探索裝配式建筑的立面優化設計方式具有積極的指導意義。

BIM技術在建筑行業應用久遠，例如修龍等早在2013年便介紹了中國建筑設計研究院在BIM方面的探索[4]。近年來，馬小秋等為了提高三維建筑模型的精準度，深入研究了BIM建筑三維重建方法[5]；趙全斌等設計了基于BIM的建筑地震受損程度評估模型[6]；羋建華等以居住建筑的二維圖庫為基礎，建立了BIM構件庫，定義了基于BIM技術的基元并建立了基元庫做為AI基礎知識庫[7]；武煒完成了基于BIM建筑工程進度估計方法的構建[8]；郭建營等和劉自昂等分別對BIM技術在裝配式建筑中的項目管理和施工成本控制進行了研究[9-10]；周軍研究了BIM技術在裝修項目中的優勢和為建筑裝修等行業帶來的發展,分析其在裝修項目安全施工中的可行性和優勢[11]；王彩雪組建了建筑幕墻結構密封膠加固成果BIM模型，結果表明建模速率接近于100%，同時還能夠降低建模費用和復雜度[12]。由此可見，BIM技術在建筑行業應用廣泛，通過BIM技術可較好地對裝配式建筑立面構造性能優化設計進行研究。

1 裝配式建筑立面構造方法解析

1.1 裝配式建筑立面設計特點

裝配式建筑的立面設計可以滿足多樣化設計的需求，立面預制構件與樓層進行分格設計，對于外立面的構造需要各類預制構件的組成[13]，例如，預制外墻板、預制樓梯間外墻以及預制單元入口等等，在實際拼裝時的接縫，除了采用混凝土現澆和焊接外，也可按需采用硅酮、聚硫、聚氨酯等粘結劑進行密封。裝配式建筑的立面的設計特點一般包含3種常見的特點，分別是立面可以按照層級拆分，拼接方式靈活簡便、一體化程度高。立面按照層級拆分，依據外墻板的肌理、材質、顏色、尺寸等等特性來實現[14]。預制陽臺也可以按照欄桿、陽臺窗等進行分級，達到建筑立面豐富化的效果，其拆分結構如圖1所示。采用不同拼接方式的預制構件會產生不同的建筑效果，例如，通過框架結構拼接的建筑，預制外墻板嵌入框架柱時呈現出上下連貫的效果。如果換成外掛于框架柱的方式，建筑結構呈現統一性的效果。裝配式建筑的一體化程度體現在預制外墻板等結構集成了保溫、結構、裝飾的效果總和，在關鍵表面涂刷防水層，同時也能夠增加外墻板的防水性能。裝配式建筑的構件具備跟高的工業化程度、更豐富的美觀性。

圖1 立面拆分結構Fig.1 Facade split structure

1.2 裝配式建筑立面整體構造原則及方法

裝配式建筑的立面構造集合了各種設計原則，既滿足功能要求，也迎合多元化的建筑需求，立面設計的原則包含功能性設計原則、整體性設計原則、技術性設計原則、文化性設計原則和美學設計原則[15]。功能性設計的原則主要是為了滿足建筑的室內功能；整體性設計原則是讓建筑的功能構件在立面的色彩、材質、質感等等方面形成整體性與統一性的觀感；技術性設計原則是考慮在建筑材質、結構體系、建筑方式等方面體現出技術特征[16]；文化性設計原則利用建筑裝飾、建筑色彩等方式適應建筑環境的文化因素。

整體構造的方式涉及到建筑底部、中間層和頂部的整體性協同設計，底部層的設計方法不同于其他，主要是用于作為人群的視覺入口[17]，并對中間層進行區分，突出材質、顏色的特點，顯示出與眾不同的效果；中間層的構造方法則是對各種預制構件、組合進行精細化的建構，形成不同的構圖方式，增強建筑的辨識度[18]，形成獨有的立面效果。而對于頂部立面的構造著重于女兒墻、檐口的設計[19]，完成頂部層的設計。

2 立面構建模塊化庫的構建

2.1 基于BIM的立面功能構件庫的創建

立面構件設計緊密地與裝配建筑的立面造型相關，為了構造立面功能構件，需要對裝配式建筑進行合理解構，形成單獨的功能構件，常見的功能性構件包括欄桿、欄板、空調機板、遮陽構件等等。外墻板族庫的構建是對于裝配式建筑是十分關鍵的，決定了外墻的外部造型，依照外墻板的組合形式，設計一套外墻板族庫，包含各種常見的外墻板形式，具體如圖2所示。對于裝配式建筑外墻板的材質一般分為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，通過不同加工工藝和設計裝飾形成不同的風格，具體如圖4所示。外墻板的固定方式通常采用外貼式和內嵌式，具體如圖5所示。

圖2 預制外墻板形式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

從立面設計的角度出發，安裝橫向條板和豎向條板具有不同的效果，也應設置到構件庫中，具體如圖6所示。而對于重復性的拼版工作，則應考慮大塊式的墻板，節省重復性的成本[21]，雖然對于現場的安裝技術要求較高，但是大塊式墻板有利于把控不同的板縫，聚集成統一化的效果，具體如圖7所示。利用BIM創建上述的部分外墻板族庫如圖8所示，當把任意一個裝配式構件加載到平面實例中，形成更加具有規律性和秩序性的效果[22]，尤其針對戶型單體的效果。對于構建陽臺族庫，常見的陽臺包含凹陽臺、凸陽臺、外廊式陽臺等，具體如圖9所示。陽臺的平面形狀一般是三角形、矩形、多邊形、弧形等，在設計陽臺欄桿時，通常構造出鋅合金陽臺欄桿、夾玻璃陽臺欄桿和歐式水泥陽臺欄桿等等，基于BIM進行設計后，構成陽臺窗的三維設計圖庫作為陽臺族庫，具體如圖10所示。然后，設計窗戶族庫，窗戶包括平窗和凸窗，在加上窗臺板和窗框的設計，形成不同的窗戶造型，創建不同的窗戶族庫部件。最后，相對比較重要的功能部件還包括樓梯間族庫和建筑單元的入口族庫。

(a)外墻掛在橫墻上

(b)條板固定在柱子上橫向條板的構造形式

(c)窗臺(肚)板支承樓板

(d)豎向條板的構造形式圖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Fig.8 Exterior wall panel library

圖9 陽臺分類Fig.9 Classification of balconies

圖10 陽臺族庫Fig.10 Balcony family library

2.2 水平構圖下的模塊組合性能優化設計

水平構圖下各種裝配式預制構件應體現出較為明顯的層次區分特性，裝配式建筑的立面構造效果應由水平構圖的視覺效果顯示出協調性。對于預制外墻的立面結構，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，保證建筑立面產生線狀分布的效果，窗下墻與旁邊墻體組成線性分布狀態，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構也屬于水平構圖方式；此外，帶形窗與窗下墻、“一”字形的遮陽板排列組合的形式也可以構成水平構圖方式，具體如圖12所示。

圖11 外墻水平式構圖Fig.11 Horizontal composition of exterior wall

圖12 凹廊水平式構圖Fig.12 Horizontal composition of concave corridor

2.3 垂直構圖下的模塊組合性能優化設計

垂直式的構圖方式是通過有規律的垂直線以及各種立面的豎向結構來進行劃分的。外凸的壁柱一般按照垂直方式進行構圖。除此之外，窗間墻與窗下墻的窗構成垂直的組合，加設建筑立面的側板構件與立面的凸出陽臺形成整體式的垂直羅列結構，有助于形成垂直的構圖，具體如圖13所示。

圖13 凸陽臺的垂直式構圖Fig.13 The vertical composition of the convex balcony

3 裝配式建筑立面構造的應用

3.1 外立面優化設計

對某住宅樓的裝配式建筑構造進行驗證設計，該住宅樓在功能上包含3種不同性質的建筑用房，分別是住宅樓、地下車庫以及配套公共服務用房。住宅樓為18層高，地下車庫為地下2層。建筑立面的構造采用了面磚、石材以及涂料等，整個結構體系采用鋼管束剪力墻結構。對此按照裝配式建筑的拆分設計原則，對于建筑立面的外墻板和預制陽臺、窗等構件進行優化設計。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格，與周圍建筑物相比，辨識度不高。所以在外墻板上，通過設置對立面外墻板不同的開口，增加建筑立面的多樣化效果。同時，由于在墻板之外，空調機位的垂直排列缺乏趣味性，為了豐富立面的效果，在陽臺外側布置了2種材質的欄板，由于金屬材質欄桿和木質材質欄桿會形成視覺上的沖擊效果，因此進行了相應的優化；金屬欄桿與木質欄桿組合示意圖，具體如圖14所示。

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

3.2 立面接縫處理

對于立面的接縫處，實際應用中，可在接縫處2邊分別采用2種色彩或是2種條紋等可明顯區分形式的模型族進行模擬，或者是在2個相鄰模型間預留間隔或者建立模型線進行表示。實際工程中，可根據接縫處的表現形式，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行密封和輕微粘接；在接縫處預留間隔的，則采用焊接或者是現澆混凝土粘接2邊材料；若接縫2邊為顏色不同的，則需根據實際情況進行固定連接，如采用膨脹螺釘、強力膠結等。原則是僅通過外表形式和一定規則便能方便判斷立面接縫處的粘接(連接)方式。

3.3 模型構建

運用BIM技術建立三維可視化的模塊，尤其是外墻模塊、窗模塊和陽臺模塊等等，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計的基礎上，實現外立面的層級拆分，拆分成不同功能構件，創造更加多元化的外立面造型，同時為了拼接的靈活性，優化外墻板不同的連接方式，分別采用嵌入式和外掛式來連接框架柱。通過上述的2種優化方法，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、遮陽板等構件來組成劃分網格的形式，加強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組成聯合單體模塊，使得空調機位、陽臺構成一體，減輕了裝配的難度，有利于保持網格的肌理排列。

圖16 網格化設計優化Fig.16 Optimization of grid design

4 結語

裝配式建筑具有很多優點，本文研究了裝配式建筑的構造特點與設計原則。針對裝配式建筑的立面設計，分析了眾多立面構件的設計與構造方法，基于BIM技術，對眾多立面涉及的構件，構建了模塊化族庫。然后，依照某裝配式住宅樓的立面進行優化設計，采用水平構圖方式與垂直構圖方式結合的方式，對外墻板、窗模塊和陽臺模塊進行模型構建與優化，總結出立面設計的多樣化手法。在未來的研究中，要以更多的手段，集合當地的氣候條件和地形，營造出裝配式住宅樓的多樣化效果，更好地表現建筑立面的豐富性。