数字时代的建筑模数化设计方法思考

程 姜 王 凯

(1.重庆三峡学院 美术学院，重庆 404100; 2. 华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

数字时代的建筑模数化设计方法思考

程 姜1王 凯2

(1.重庆三峡学院 美术学院，重庆 404100; 2. 华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

建筑模数化在我国古代广泛使用， 随着设计手段的不断进步，新技术为传统的设计思路带来更多的可能性。文章从模数起源展开思考，引申到基于建筑信息模型的模数设计方法，并提出了一些思路。

模数;建筑设计;建筑信息模型

1 前 言

建筑模数，古来有之。《说文》一书中这样写到：“模，法也，数，计也”。在中国传统建筑设计实践中,已经对建筑模数进行了大量探索，宋代营造法式大木作中“材”、清代“斗口”其实都是模数的体现。近代的比米斯模数、勒·柯布西耶模数、雷纳级数，对现代建筑模数数列中的叠加原则、倍数原理、优选尺寸等都起过重大影响。上个世纪70年代，国际标准化组织房屋建筑技术委员会 (ISO/TC59) 亦陆续公布了有关建筑模数的一系列规定。

模数作为一种设计思路，在现代建筑学领域里越来越受到重视，通过模数秩序手段，使建筑设计更好地适应当代需求，促进设计标准化和建筑工业化，从而减轻环境负担。

随着数字化、信息化和智能化技术的发展，建筑领域出现了以建筑信息模型(Building Information Model，BIM)为代表的新设计工具。建筑信息模型基于参数化、构件化的设计方式，对于模数设计而言，是一条有效的途径。

2 基于建筑信息模型的建筑模数化设计

2.1 基本模数策略

模数在设计的运用中，最简单的方式就是选择一个或几个关键模数，并通过这个模数与不同的体块相联系。理想的模数应当从始至终贯穿于建筑的设计及建造过程中，例如，将轴网尺寸设置为重点模数，再将层高的尺寸、外立面饰面设置成与轴网、层高尺寸相关倍数的尺寸等，以此类推，完成从整体到细节模数策划。

图1 基本模数策略

2.2 三维模数网格策略

通过设置BIM三维模数网格来进行方案设计，有助于实现更加规整设计。三维模数网格中的模数，除了作为设计的度量依据外，还起到决定每个建筑构件配件的精确尺寸和确定每个组成部分在建筑中的定位作用。

三维模数网格包含水平模数和竖向模数网格。可以依其作用分成建筑模数网、结构模数网格和装饰模数网格。建筑模数网是用来作为空间划分的依据，而结构模数网格则是作为结构构件组合的依据，装饰模数网格作为家具和内装的依据。

2.3 三维构件设计策略

BIM具有“构件”的概念，即设计平台中所有的图元都基于构件模块。BIM的构件模块包含了初始对象的识别信息，例如：墙、梁、楼板、柱、门窗、楼梯等等，基本涵盖建筑构件的各个种类。不同的构件具有不同的初始参数和信息。如：标准矩形梁有截面尺寸和长度等信息。后期，可以利用这些信息用来统计和性能化分析。除了，标准的“构件”之外，也可以自定义较特殊的“构件”，通过多个项目的积累，可以使得设计构件库变得更加丰富。

2.4 参数化策略

参数化就是将建筑设计的要素都变成某个函数的变量，通过改变函数算法，获得不同的建筑设计方案，简单理解为一种可以通过计算机技术自动生成设计方案的方法。BIM的参数化策略通常包含三个层次：

(1)基于尺寸参数化策略，BIM的构件可以包含长度、角度、面积、体积、半径、弧长等尺寸参数，可在设计过程中根据模数需要而改变。同一个构件变化时，项目中所有同样的构件都会自动更新，减少修改工作。

图2 基本模数策略

图3 BIM构件库

图4 参数化策略

(2)基于变量参数化策略，实质上是尺寸策略的进一步拓展，方法是将特定的设计要素，如尺寸、约束条件、工程计算条件等设为设计变量。通过人为定义这些变量之间的逻辑关系式，而使设计参数互相影响，实现半自动化模数设计。

(3)关系式驱动参数化策略，通过建立数学表达式来反映参数(尺度)之间的关系，这种数学关系本质上就是一种模数，关系式发生变化以后，模型也将跟着发生变化。BIM可以调用各种数学函数来实现复杂的逻辑关系。关系式驱动参数化策略可以实现多种方案的快速比选。

2.5 模块化设计

模数是模块化设计的前提，模块化设计实模数设计的拓展。模块化设计通常应用于装配式建筑，简单地说就是将设计模数的构件组合在一起，构成一个具有特定功能的单元，将这个子单元作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的单元，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列组合。模块化设计有着相对独立性、互换性、通用性这三大特征。模块是构件的集成的产物，属于成套实用技术。通过BIM将常要遇到各种专门化建造技术，如：防水技术、排烟通风道技术、轻质隔墙技术、保温隔热技术等实用技术模块成套化。

可以通过项目积累一批标准化功能空间模块，如卫生间、办公室、走道、楼梯间、电梯井等。BIM的模块可以根据设计需求发生自适应性变化，能够实现多重逻辑联系。甚至可以将一些建筑设计规则赋予到BIM参数驱动中，系统自动给出解决方案。

图5 功能模块

图6 功能模块组合

2.6 后期模数优化设计

在设计过程中，往往前期不需要充分考虑表皮或较细的模数设计，需要在后期进行模数优化。目的是使其在满足建筑规划效果的基础上，尽可能模数化、标准化和规整化，减少成本和易于施工。常见的有幕墙分格优化、装配式构件拆分优化等，优化要考虑很多方面，设计规范、材料规格、材料强度刚度、室内房间布置、防火分区、经济性等，通过BIM的参数化、集成性能模拟特性可以综合地考虑设计条件，系统地完成优化工作，做出更明智的优化方案。

3 结论

建筑信息模型为代表的数字化时代新设计工具，拓展了建筑模数化设计的可能性。建筑造型得以向更自由、 更多变、 更合理的方向发展。建筑师的设计过程已经不再是单方向对功能要求的满足，也不仅仅停留在模数的刻板套用，而是致力于追求对新的使用要求的融合。相信通过建筑信息模型的应用 ，使得模数化设计更理性化，图纸表达更高效化、精确化，建筑师可以将精力更多地放在设计本身。

[1]陈志华.外国建筑史[M].中国建筑工业出版社，2004:34-36.

[2]中华人民共和国建设部. 建筑模数协调标准(GB/T5002-2013)[S]. 中国建筑工业出版社，2013:11-12.

[3]王凯.国外BIM标准研究[J]. 土木建筑工程信息技术,2013,5(1):6-16.

[4]袁烽,尼尔.里奇.建筑数字化建造[M]. 同济大学出版社,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，硕士，室内建筑师、资深室内设计师, 李玮珉建筑师事务所室内设计师，重庆三峡学院美术学院环境艺术设计系教师。主要研究方向：数字化设计及理论、室内建筑空间设计、园林景观设计; 王凯(1982-)，男，硕士，主创建筑师,华东建筑设计研究院有限公司(原上海现代建筑设计集团)集团信息中心数字化技术研究咨询部技术负责人、高级项目经理、资深顾问。主要研究方向：数字化建筑设计及理论、绿色建筑设计、城市设计与再生。

TU318·1：TB92

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1674-7461(2015)01-0037-04