装配式建筑立面构造性能优化设计研究_袁静.pdf

工程技术优化2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.036Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-11-01;修回日期:2023-02-06作者简介:袁静(1979-)，女，硕士，讲师，主要从事建筑历史与理论、建筑设计与施工等研究;E-mail:qingchun300 sina com。基金项目:陕西省教育厅科研计划项目(项目编号:20JK0734)。引文格式:袁静，马晓鸣 装配式建筑立面构造性能优化设计研究 J 粘接，2023，50(2):153-157装配式建筑立面构造性能优化设计研究袁静，马晓鸣(西安建筑科技大学 华清学院，陕西 西安710054)摘要:近年由于国家的政策要求和行业发展趋势，以装配式建筑为主的住宅设计逐渐成为我国建筑建造工业化生产的重要部分之一。从装配式建筑的设计构造特点与设计原则出发，分析当前装配式建筑的立面设计现状。基于 BIM 技术，构建出了 BIM 的立面功能构件库，涵盖了众多立面设计构件。根据众多水平构图方式与垂直构图方式的组合，完成了外墙板、阳台模块等组合的立面设计与性能优化，满足了对于住宅立面多样化的需求，对今后相同的立面性能优化研究提供参考。关键词:预制装配;立面设计;多样化;BIM;性能优化中图分类号:TU201 1文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0153-05Research on structural performance optimizationdesign of prefabricated building facadeYUAN Jing，MA Xiaoming(Xi an University of Architecture and Technology Huaqing College Shaanxi Province，Xi an 710043，Shaanxi China)Abstract:In recent years，due to the national policy requirements and industry development trend，residential designbased on prefabricated building has gradually become one of the important parts of China s construction industriali-zation The current situation of facade design of prefabricated buildings is analyzed from the structural characteristicsand design principles of prefabricated buildings Based on BIM Technology，the facade function component library ofBIM is constructed，which covers many facade design components Finally，according to the combination of manyhorizontal and vertical composition methods，the facade design and performance optimization of the combination ofexterior wall panel and balcony module are completed，which meets the diversified needs of residential facade，andprovides positive application value for the same facade performance optimization research in the futureKey words:prefabricated assembly;facade design;diversification;BIM;performance optimization随着城市化进程的加快，城镇人口越来越多，对建筑住宅的需求越来越旺盛1。传统的建造方式质量较差、施工环境污染严重，并且易造成资源浪费。装配式建造可以减少建筑材料的使用，可以在工厂内预制出建筑构件2，有利于建筑工业化的发展，而且装配式建筑的优点众多，质量与安全有保障，抗震性效果较好。但装配式建筑的构件多为标准化、预制生产化的构件，建筑的立面设计也会受到这种标准化设计、构件种类较少的约束3;另一方面，不同的预制板的结构体系、制作工艺会对立面设计造成影响，因此探索装配式建筑的立面优化设计方式具有积极的指导意义。BIM 技术在建筑行业应用久远，例如修龙等早在 2013 年便介绍了中国建筑设计研究院在 BIM 方351工程技术优化面的探索4。近年来，马小秋等为了提高三维建筑模型的精准度，深入研究了 BIM 建筑三维重建方法5;赵全斌等设计了基于 BIM 的建筑地震受损程度评估模型6;芈建华等以居住建筑的二维图库为基础，建立了 BIM 构件库，定义了基于 BIM 技术的基元并建立了基元库做为 AI 基础知识库7;武炜完成了基于 BIM 建筑工程进度估计方法的构建8;郭建营等和刘自昂等分别对 BIM 技术在装配式建筑中的项目管理和施工成本控制进行了研究9-10;周军研究了 BIM 技术在装修项目中的优势和为建筑装修等行业带来的发展，分析其在装修项目安全施工中的可行性和优势11;王彩雪组建了建筑幕墙结构密封胶加固成果 BIM 模型，结果表明建模速率接近于 100%，同时还能够降低建模费用和复杂度12。由此可见，BIM 技术在建筑行业应用广泛，通过 BIM 技术可较好地对装配式建筑立面构造性能优化设计进行研究。1装配式建筑立面构造方法解析1 1装配式建筑立面设计特点装配式建筑的立面设计可以满足多样化设计的需求，立面预制构件与楼层进行分格设计，对于外立面的构造需要各类预制构件的组成13，例如，预制外墙板、预制楼梯间外墙以及预制单元入口等等，在实际拼装时的接缝，除了采用混凝土现浇和焊接外，也可按需采用硅酮、聚硫、聚氨酯等粘结剂进行密封。装配式建筑的立面的设计特点一般包含 3 种常见的特点，分别是立面可以按照层级拆分，拼接方式灵活简便、一体化程度高。立面按照层级拆分，依据外墙板的肌理、材质、颜色、尺寸等等特性来实现 14。预制阳台也可以按照栏杆、阳台窗等进行分级，达到建筑立面丰富化的效果，其拆分结构如图 1 所示。采用不同拼接方式的预制构件会产生不同的建筑效果，例如，通过框架结构拼接的建筑，预制外墙板嵌入框架柱时呈现出上下连贯的效果。如果换成外挂于框架柱的方式，建筑结构呈现统一性的效果。装配式建筑的一体化程度体现在预制外墙板等结构集成了保温、结构、装饰的效果总和，在关键表面涂刷防水层，同时也能够增加外墙板的防水性能。装配式建筑的构件具备跟高的工业化程度、更丰富的美观性。图 1立面拆分结构Fig 1Facade split structure1 2装配式建筑立面整体构造原则及方法装配式建筑的立面构造集合了各种设计原则，既满足功能要求，也迎合多元化的建筑需求，立面设计的原则包含功能性设计原则、整体性设计原则、技术性设计原则、文化性设计原则和美学设计原则15。功能性设计的原则主要是为了满足建筑的室内功能;整体性设计原则是让建筑的功能构件在立面的色彩、材质、质感等等方面形成整体性与统一性的观感;技术性设计原则是考虑在建筑材质、结构体系、建筑方式等方面体现出技术特征16;文化性设计原则利用建筑装饰、建筑色彩等方式适应建筑环境的文化因素。整体构造的方式涉及到建筑底部、中间层和顶部的整体性协同设计，底部层的设计方法不同于其他，主要是用于作为人群的视觉入口17，并对中间层进行区分，突出材质、颜色的特点，显示出与众不同的效果;中间层的构造方法则是对各种预制构件、组合进行精细化的建构，形成不同的构图方式，增强建筑的辨识度18，形成独有的立面效果。而对于顶部立面的构造着重于女儿墙、檐口的设计19，完成顶部层的设计。2立面构建模块化库的构建2 1基于 BIM 的立面功能构件库的创建立面构件设计紧密地与装配建筑的立面造型相关，为了构造立面功能构件，需要对装配式建筑进行合理解构，形成单独的功能构件，常见的功能性构件包括栏杆、栏板、空调机板、遮阳构件等等。外墙板族库的构建是对于装配式建筑是十分关键的，决定了外墙的外部造型，依照外墙板的组合形式，设计一套外墙板族库，包含各种常见的外墙板形式，具体如图 2 所示。对于装配式建筑外墙板的材质一般分为4 种，即纤维水泥、金属、PVC 和石材20，具体如图 3所示。外墙板的装饰面也具有多样性，例如，木纹、块石纹、横条纹等等，加工方法有浇注成型和后加工处理成型 2 种，通过不同加工工艺和设计装饰形成不同的风格，具体如图 4 所示。外墙板的固定方式通常采用外贴式和内嵌式，具体如图 5 所示。图 2预制外墙板形式Fig 2Form of prefabricated outer wall panel451工程技术优化(a)纤维水泥外墙板(b)金属外墙板(c)PVC 外墙板(d)石材外墙板图 3外墙板的材料分类Fig 3Material classification of exterior wall panels图 4外墙板饰面Fig 4Exterior wall panel finishes图 5外墙板固定方式Fig 5External wall panel fixing method从立面设计的角度出发，安装横向条板和竖向条板具有不同的效果，也应设置到构件库中，具体如图 6 所示。而对于重复性的拼版工作，则应考虑大块式的墙板，节省重复性的成本21，虽然对于现场的安装技术要求较高，但是大块式墙板有利于把控不同的板缝，聚集成统一化的效果，具体如图 7 所示。利用 BIM 创建上述的部分外墙板族库如图 8所示，当把任意一个装配式构件加载到平面实例中，形成更加具有规律性和秩序性的效果22，尤其针对户型单体的效果。对于构建阳台族库，常见的阳台包含凹阳台、凸阳台、外廊式阳台等，具体如图 9 所示。阳台的平面形状一般是三角形、矩形、多边形、弧形等，在设计阳台栏杆时，通常构造出锌合金阳台栏杆、夹玻璃阳台栏杆和欧式水泥阳台栏杆等等，基于 BIM 进行设计后，构成阳台窗的三维设计图库作为阳台族库，具体如图 10 所示。然后，设计窗户族库，窗户包括平窗和凸窗，在加上窗台板和窗框的设计，形成不同的窗户造型，创建不同的窗户族库部件。最后，相对比较重要的功能部件还包括楼梯间族库和建筑单元的入口族库。(a)外墙挂在横墙上(b)条板固定在柱子上横向条板的构造形式(c)窗台(肚)板支承楼板(d)竖向条板的构造形式图 6横条板与竖条板Fig 6Horizontal and vertical bars图 7大块体系Fig 7Bulk system图 8外墙板族库Fig 8Exterior wall panel library图 9阳台分类Fig 9Classification of balconies551工程技术优化图 10阳台族库Fig 10Balcony family library2 2水平构图下的模块组合性能优化设计水平构图下各种装配式预制构件应体现出较为明显的层次区分特性，装配式建筑的立面构造效果应由水平构图的视觉效果显示出协调性。对于预制外墙的立面结构，在分析水平式组合式。其中一种方式是窗间墙和窗户组成水平线条，保证建筑立面产生线状分布的效果，窗下墙与旁边墙体组成线性分布状态，具体如图 11 所示。例如，外廊栏板和外廊空间形成水平划分结构也属于水平构图方式;此外，带形窗与窗下