譚劍鋒

隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)以及科技的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)正面臨著轉(zhuǎn)型升級的挑戰(zhàn)，迫切需要在提升工程效率、節(jié)能減排和質(zhì)量控制等方面取得突破。徐光苗等[1]認(rèn)為，從組織管理模式、建造技術(shù)選型、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、智能建造等方面進(jìn)行智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展綜合策劃，以數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化生產(chǎn)、智慧工地及數(shù)字化交付等實(shí)現(xiàn)智能建造。黃光球等[2]依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及BIM等智能化技術(shù)，提出構(gòu)建基于智能建造的建筑工業(yè)化發(fā)展模式。李磊[3]分析了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)的施工流程，研究該技術(shù)提升設(shè)計(jì)精度和提高全過程建筑的工期、環(huán)保效益以及經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢。

本文在此基礎(chǔ)上，提出和分析工業(yè)化建造在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用方法與策略，通過對比分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和工業(yè)化建造設(shè)計(jì)方法的不同之處，明確采用工業(yè)化建造可以在設(shè)計(jì)階段增強(qiáng)效率，節(jié)約成本，同時(shí)減少對環(huán)境的不良影響，提升建筑物的整體性能，促進(jìn)建筑行業(yè)的綠色發(fā)展。

1 建筑工業(yè)化建造流程與設(shè)計(jì)階段的關(guān)聯(lián)

1.1 工業(yè)化建造流程總體框架

工業(yè)化建造流程總體框架是建筑設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的核心，它體現(xiàn)了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的深度融合。該框架以提高建造效率、降低成本、確保質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、信息化和自動(dòng)化的設(shè)計(jì)理念。在現(xiàn)代建筑工業(yè)化建造中，設(shè)計(jì)階段的每個(gè)決策都直接影響后續(xù)的制造和施工，設(shè)計(jì)階段的工業(yè)化建造流程尤為關(guān)鍵。

在工業(yè)化建造流程的總體框架中，首先是前期準(zhǔn)備階段，主要包括市場調(diào)研、選址評估、投資分析和設(shè)計(jì)目標(biāo)的制訂。隨后進(jìn)入設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，通過初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，將前期準(zhǔn)備的成果轉(zhuǎn)化為具體的建筑方案。在初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)前期的目標(biāo)制訂建筑的基本方案。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要對建筑方案進(jìn)行深化。設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入技術(shù)準(zhǔn)備階段，包括設(shè)計(jì)的優(yōu)化、生產(chǎn)準(zhǔn)備和施工準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)優(yōu)化主要基于模擬分析和成本控制，通過對設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確保設(shè)計(jì)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均為最佳方案。生產(chǎn)準(zhǔn)備則涉及制造工藝的選擇、設(shè)備的購買和生產(chǎn)線的布局。施工準(zhǔn)備則需要做好施工圖紙的審核、施工隊(duì)伍的組織及施工現(xiàn)場的準(zhǔn)備等。接下來是生產(chǎn)制造階段，這個(gè)階段是工業(yè)化建造流程的核心。它通過預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)提高建筑的施工效率。預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。質(zhì)量控制在整個(gè)生產(chǎn)過程中貫穿始終，確保預(yù)制構(gòu)件的精度和性能滿足設(shè)計(jì)要求。最后是施工組裝階段，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，將按照設(shè)計(jì)方案快速組裝。由于構(gòu)件已在工廠進(jìn)行預(yù)制，現(xiàn)場施工主要是組裝和連接，這大大縮短了施工周期，降低了施工成本。由于預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，施工現(xiàn)場的浪費(fèi)得到了有效控制，工程的整體質(zhì)量也得到了保證。

1.2 設(shè)計(jì)階段在建造流程中的作用

在建筑工業(yè)化建造的過程中，設(shè)計(jì)階段不僅明確了項(xiàng)目的視覺和功能要求，還確立了建筑工程的技術(shù)規(guī)格和建造方法，是建筑項(xiàng)目從概念到現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)化的橋梁，是確保項(xiàng)目質(zhì)量、成本控制和時(shí)間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)階段在建造流程中的作用首先體現(xiàn)在工程可行性評估上。在此階段，通過對項(xiàng)目地點(diǎn)、環(huán)境影響、建筑材料和建造方法的深入研究，設(shè)計(jì)師能提出一系列既實(shí)用又創(chuàng)新的建造方案。這些方案必須滿足客戶的需求，同時(shí)遵守當(dāng)?shù)氐慕ㄖㄒ?guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)階段還包括對建筑工業(yè)化建造方法的選擇與優(yōu)化。隨著技術(shù)的發(fā)展，建筑行業(yè)已經(jīng)逐漸采納了如預(yù)制技術(shù)、模塊化建造和數(shù)字化施工等先進(jìn)方法。這些技術(shù)能夠提高建造效率、減少現(xiàn)場作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，并降低環(huán)境污染。設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)選擇對工程成本和進(jìn)度有直接的影響。

設(shè)計(jì)階段在確保建筑質(zhì)量方面也舉足輕重。設(shè)計(jì)師必須確保所提出的設(shè)計(jì)方案能夠在施工過程中得以精確實(shí)施，這需要設(shè)計(jì)方案在精確性、可行性和可靠性上經(jīng)得起考驗(yàn)。質(zhì)量控制的重要性在于，一旦設(shè)計(jì)缺陷在建造過程中被執(zhí)行，修正這些錯(cuò)誤的成本將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)階段的投入。

1.3 設(shè)計(jì)階段的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

挑戰(zhàn)首先是設(shè)計(jì)的復(fù)雜性顯著增加。工業(yè)化建造要求在設(shè)計(jì)階段就考慮到生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配的各項(xiàng)要求，這導(dǎo)致設(shè)計(jì)師需要具備跨學(xué)科的知識。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足建筑物自身的穩(wěn)定性和使用功能，還要考慮到構(gòu)件的加工制造和裝配的可行性。

信息的協(xié)同管理是設(shè)計(jì)階段面臨的重要挑戰(zhàn)。工業(yè)化建造涉及的專業(yè)領(lǐng)域多，參與者眾多，信息共享與協(xié)作變得至關(guān)重要。設(shè)計(jì)信息的不對稱或失真可能導(dǎo)致生產(chǎn)和施工階段的巨大損失。因此，建立高效的信息管理系統(tǒng)，如采用BIM 技術(shù)，成為設(shè)計(jì)階段必須克服的難題。

成本控制也是設(shè)計(jì)階段必須面對的挑戰(zhàn)。工業(yè)化建造的設(shè)計(jì)往往需要前期較高的投資來優(yōu)化設(shè)計(jì)、購買專用設(shè)備和模具等。如何在設(shè)計(jì)階段有效控制成本，對項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益具有決定性影響。

挑戰(zhàn)之中也孕育著機(jī)遇。設(shè)計(jì)階段的工業(yè)化應(yīng)用促進(jìn)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化，這不僅提高了設(shè)計(jì)效率，而且通過模塊化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)快速裝配和建筑物的可持續(xù)發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)模塊可被重復(fù)使用，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)減少了材料浪費(fèi)和現(xiàn)場施工的環(huán)境影響。

技術(shù)進(jìn)步也為設(shè)計(jì)階段帶來了新的可能性。BIM 技術(shù)的應(yīng)用，讓設(shè)計(jì)師能在虛擬環(huán)境中進(jìn)行建筑模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)成員之間的信息共享與協(xié)同工作。通過BIM模型，可精確分析建筑物的能耗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和前瞻性[4]（圖1）。

圖1 某公建BIM 模型展示（來源：作者自繪）

2 標(biāo)準(zhǔn)化（模塊化）設(shè)計(jì)模式

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的原則與應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是建筑工業(yè)化建造設(shè)計(jì)階段的核心原則之一，其目的在于通過規(guī)范化的設(shè)計(jì)元素和模塊化的構(gòu)件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工的高效性、可重復(fù)性和經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的原則與應(yīng)用在實(shí)際建筑項(xiàng)目中體現(xiàn)為：

1）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者深入理解并運(yùn)用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)、安全、節(jié)能、環(huán)保等方面的規(guī)范。這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)提供了基本的標(biāo)準(zhǔn)，確保了建筑的基本性能和質(zhì)量。

2）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)構(gòu)件的通用性和互換性。通過采用標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件，如樓板、梁、墻板等預(yù)制構(gòu)件，不僅可以實(shí)現(xiàn)快速組裝，還可以在不同的項(xiàng)目之間進(jìn)行資源的調(diào)配和循環(huán)利用，提高材料的使用效率。在設(shè)計(jì)階段考慮構(gòu)件的通用性，可以促進(jìn)構(gòu)件的大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)而降低成本。

3）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還涉及建筑設(shè)計(jì)的可持續(xù)性。標(biāo)準(zhǔn)化的模塊和構(gòu)件易于拆卸和重組，有利于建筑物的改造、升級和循環(huán)再利用，減少了建筑廢棄物的產(chǎn)生，有助于實(shí)現(xiàn)綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

4）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)信息管理非常重要。隨著BIM 技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)信息可以被有效地管理和傳遞。BIM 不僅提高了設(shè)計(jì)效率，還可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行各種模擬分析，比如結(jié)構(gòu)分析以及能耗分析等，幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)做出更合理的決策[5]，具體如圖2 所示。

圖2 采用BIM 模型對裝配式構(gòu)件進(jìn)行拆分示意（來源：作者自繪）

5）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用還需考慮設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新性。標(biāo)準(zhǔn)化并不意味著設(shè)計(jì)的單一和刻板，而是要在滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求的前提下，發(fā)揮設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力，滿足功能需求和審美需求。例如，通過變化模塊組合的方式，或在標(biāo)準(zhǔn)模塊之上增加特色設(shè)計(jì)元素，既保證了建筑的個(gè)性化，又沒有破壞標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的整體框架。

6）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是建筑工業(yè)化建造設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、可持繼發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。通過遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，以及有效的設(shè)計(jì)信息管理，可以提高建筑設(shè)計(jì)和施工的整體性能。同時(shí)，在實(shí)踐中要充分考慮設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新性，以確保建筑既具有經(jīng)濟(jì)效益，又能滿足多樣化的社會需求。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)的策略與實(shí)踐

模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的重要應(yīng)用之一。模塊化設(shè)計(jì)的概念是指將建筑分解為標(biāo)準(zhǔn)化的單元模塊，每個(gè)模塊都有固定的尺寸和接口，可預(yù)制，并在施工現(xiàn)場快速組裝。例如，住宅建筑中常用的戶型模塊（圖3），通過預(yù)制化的生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)快速安裝和精確的質(zhì)量控制。模塊化還可以降低設(shè)計(jì)和施工的復(fù)雜性，減少現(xiàn)場施工量，縮短工期，降低成本。

圖3 住宅模塊化展示（來源：作者自繪）

模塊化設(shè)計(jì)在建筑工業(yè)化建造過程中扮演著關(guān)鍵角色，它旨在通過預(yù)制組件的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，提高建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和施工效率。模塊化設(shè)計(jì)的策略涉及多個(gè)方面，包括模塊的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、接口設(shè)計(jì)、材料選擇、施工技術(shù)以及后期維護(hù)等。

尺寸標(biāo)準(zhǔn)化是模塊化設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的策略之一。通過對模塊尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，不僅可以降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的復(fù)雜性，還可以實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目之間的模塊互換和重復(fù)使用。這種標(biāo)準(zhǔn)化不僅提升了建筑零部件的通用性，而且有利于降低生產(chǎn)和運(yùn)輸成本。

施工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)核心內(nèi)容。當(dāng)前，許多建筑公司采用了先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和BIM，這些技術(shù)不僅提高了設(shè)計(jì)的精確度，而且在施工過程中顯著提高了效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用BIM 技術(shù)的模塊化建筑項(xiàng)目比傳統(tǒng)施工方法節(jié)省的時(shí)間超過20%。此外，施工過程中的質(zhì)量控制也非常關(guān)鍵，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)應(yīng)在嚴(yán)格監(jiān)控的工廠環(huán)境中進(jìn)行，以確保每一個(gè)模塊都達(dá)到預(yù)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

模塊化設(shè)計(jì)還要考慮建筑的后期維護(hù)。模塊化建筑的組件是預(yù)先制作和裝配的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮模塊的可更換性和維護(hù)性。為便于未來的升級和維護(hù)，模塊化建筑應(yīng)該設(shè)計(jì)成可以輕易拆卸和替換的結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)思想不僅延長了建筑的使用壽命，還降低了長期維護(hù)成本。

綜上，模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的關(guān)鍵。通過標(biāo)準(zhǔn)化、接口設(shè)計(jì)、材料的合理選擇、先進(jìn)施工技術(shù)和考慮后期維護(hù)的策略，可大幅提高建筑項(xiàng)目質(zhì)量、效率和可持續(xù)性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場的需求變化，模塊化設(shè)計(jì)將繼續(xù)發(fā)展和完善，為未來的建筑工業(yè)化建造提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

3 結(jié)語

本文綜合探討了建筑工業(yè)化建造在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，展示了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)以及信息化技術(shù)如何在實(shí)際工程中促進(jìn)設(shè)計(jì)工作的創(chuàng)新和效率提升。研究成果明確了建筑工業(yè)化建造對于提高建筑設(shè)計(jì)的規(guī)范化、精確性和可持續(xù)性的積極影響，為今后工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法提供了新的視角和操作框架。