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        預制建筑的批量定制策略研究
        ——以Kieran Timberlake事務所的實踐為例

        2017-07-03 14:12:39林正豪袁小雨LINZhenghaoYUANXiaoyu
        生態(tài)城市與綠色建筑 2017年1期
        關鍵詞:批量模塊化模塊

        林正豪 袁小雨 / LIN Zhenghao, YUAN Xiaoyu

        預制建筑的批量定制策略研究
        ——以Kieran Timberlake事務所的實踐為例

        林正豪 袁小雨 / LIN Zhenghao, YUAN Xiaoyu

        預制裝配是建筑工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)品化語境下重要的行業(yè)發(fā)展趨勢,而建筑的多樣性需求與工業(yè)標準化生產(chǎn)之間的矛盾是制約其發(fā)展的主要瓶頸。本文通過制造業(yè)與建筑業(yè)的交叉類比,將批量定制的概念與原則引入預制建筑的設計研究范疇,并從可拓展的模塊策略、可持續(xù)的復合系統(tǒng)、信息化的建造管理3個層面進行討論,結(jié)合美國KT事務所近期的建筑實踐案例進行分析,以期為預制建筑的發(fā)展提供新的思路。

        批量定制 預制建筑 基爾蘭 · 汀波萊克

        1 預制裝配:趨勢與困境

        建筑領域中關于預制裝配的議題由來已久。最早可追溯到17世紀末英國的殖民擴張,本土加工的木構(gòu)件被海運至殖民地,快速建造房屋、教堂、商店等建筑(Ryan E. Smith,2011),“曼寧便攜小屋”(Manning Portable Cottage)為該階段的代表作。工業(yè)革命帶來技術進步與鑄鐵等新材料的應用,預制建筑逐漸嶄露頭角,約瑟夫 · 帕克斯頓(Joseph Paxton)利用鑄鐵構(gòu)件與平板玻璃建造的水晶宮(Crystal Palace)將建筑的工業(yè)美感直白地展現(xiàn)在公眾面前。淘金熱、西部擴張、內(nèi)外戰(zhàn)爭以及戰(zhàn)后重建催生了大規(guī)模的居住需求,預制氣球框架(Balloon Frame)木構(gòu)建筑(朱競翔,2014)在美國本土得以迅速普及與發(fā)展,“亞拉丁住屋”(Aladdin Homes)等訂單式預制住宅產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)?,F(xiàn)代主義思潮與戰(zhàn)后工業(yè)新技術的發(fā)展則驅(qū)使建筑師在工業(yè)化領域不斷拓疆,將技術新成果與生活新模式相結(jié)合,從而促進了預制建筑在空間與形式上的轉(zhuǎn)變。1940年代,住宅案例研究項目(Case Study House Program)中埃姆斯夫婦的埃姆斯住宅(Eames House)通過應用嚴格的標準化預制鋼結(jié)構(gòu)體系,積極探索預制建筑中自由使用空間的實現(xiàn)(陳曉娟,2011)。當代計算機數(shù)控加工(Computerized Numerical Control,CNC)、計算機輔助設計/制造(Computer-Aided Design,CAD;Computer-Aided Manufacturing,CAM)、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)等數(shù)字化技術的開發(fā)與應用,更使預制建筑的復雜設計與精確建造成為現(xiàn)實,理查德 · 羅杰斯(Richard Rogers)、弗朗克 · 蓋里(Frank Gehry)等建筑師正是通過數(shù)字化預制,實現(xiàn)了復雜建構(gòu)(圖1)。

        作為上個世紀以來建筑學的重要研究問題,預制裝配化的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在經(jīng)濟、生產(chǎn)與社會3個層面:其一,預制生產(chǎn)可通過標準化體系有效降低造價,并盡可能壓縮現(xiàn)場施工,達到節(jié)約時間、人力與物力成本的目標;其二,相比現(xiàn)場施工,工廠制造能提供更好的場地與設備條件、更精準的生產(chǎn)工藝與更嚴格的檢測環(huán)節(jié),從而保證穩(wěn)定的建造質(zhì)量;其三,工廠化為施工人員提供了更好的施工環(huán)境,并允許非技術雇員通過簡單的操作完成生產(chǎn)活動,從而緩解了社會就業(yè)壓力。由此可見,預制裝配是實現(xiàn)建筑工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化與產(chǎn)品化的必然產(chǎn)物與必經(jīng)階段。

        然而,建筑絕非一個簡單的生產(chǎn)命題。福特制的標準化流水線與自動化設備推動了現(xiàn)代建筑的“批量生產(chǎn)”(Mass Production),但也使其陷入新的窘境:市場上大同小異的工業(yè)化建筑產(chǎn)品無法滿足客戶日漸增長的個性化需求,更無法回應建筑學層面的多樣性命題,成為預制建筑發(fā)展的掣肘。相較之下,伴隨著現(xiàn)澆混凝土等現(xiàn)場施工技術的成熟,建筑的“定制設計”(Customized Design)逐步主導市場,但這種追求個性化的“一次設計”(One-off Design)也存在諸多問題:由于人的能力與經(jīng)驗不足導致項目失敗、單次設計中大量復雜問題難以調(diào)和等。這種批量生產(chǎn)與個性化定制之間的矛盾,成為建筑學發(fā)展的一大瓶頸。

        2 批量定制:向制造業(yè)學習

        事實上,制造業(yè)的發(fā)展也經(jīng)歷了相似的階段,因此不妨將其與建筑業(yè)交叉類比,尋求突破預制建筑瓶頸的可能解。從18世紀中葉開始,制造業(yè)發(fā)展相繼經(jīng)歷了工業(yè)化、標準化、機械化、自動化、批量生產(chǎn)等階段(Ryan E. Smith,2011),這些階段既相互套疊、互為基礎,又在新技術與新材料的推動下不斷向前演進,共同譜寫人類社會的工業(yè)文明(圖2)。

        圖1 預制建筑的歷史發(fā)展節(jié)點

        工業(yè)化生產(chǎn)作為時代背景,從以使用先進機器為標志的工業(yè)革命開始,便貫穿于制造史的始終。而以兼容性與互換性為基礎的標準化生產(chǎn)則是提升社會生產(chǎn)效率、擴大工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、促進供應鏈銜接的必然產(chǎn)物。機械化生產(chǎn)得益于戰(zhàn)時發(fā)展的先進機械技術,將標準化擴展到更大規(guī)模的經(jīng)濟體系。自動化則以CNC、CAM等數(shù)字技術的應用為標志,進一步解放人力并提高生產(chǎn)率。直至20世紀中葉,批量生產(chǎn)在此基礎上應運而生,利用裝配流水線作業(yè),大量生產(chǎn)相同的產(chǎn)品從而有效降低造價,迅速填補巨大的市場空缺。然而,劇增的同類產(chǎn)品很快開始過剩,買方市場隨之形成,加之人們對產(chǎn)品個性化的要求不斷覺醒,批量生產(chǎn)的局限性由此顯現(xiàn)。曾作為批量生產(chǎn)成功典型的福特T型車因在表漆顏色上吝于變化,最終敗給了提供不同年度型號、可選顏色與附件的通用汽車公司(General Motor),這預示著新的生產(chǎn)方式即將來臨。

        1970年美國著名未來學家阿爾文 · 托夫勒(Alvin Toffler)首次提出將批量生產(chǎn)與定制設計相結(jié)合的生產(chǎn)設想。管理顧問專家斯坦 · 戴維斯(Stan Davis)在其經(jīng)典著作《理想未來》(Future Perfect)中將這種設想命名為批量定制(Mass Customization),暗示其與批量生產(chǎn)的聯(lián)系與區(qū)別(1987)。批量定制的核心在于保持接近批量生產(chǎn)的成本與效率,同時最大程度地為客戶提供特殊定制產(chǎn)品與個性服務,即在以用戶為導向的同時,將產(chǎn)品多樣化的成本約束在可控范圍內(nèi)。這種富于彈性的生產(chǎn)方式成功挽回了流失的消費群體,一舉扭轉(zhuǎn)批量生產(chǎn)留下的困局,故而在廣泛領域得到迅速發(fā)展,成為當下制造業(yè)的主流模式。

        那么在建筑業(yè)引入批量定制的模式是否同樣能助力預制建筑走出困境?筆者認為這種借鑒是有意義的,原因如下:其一,在工業(yè)化大背景下,建筑業(yè)與制造業(yè)之間存在眾多互通之處,前者對工業(yè)技術成果的轉(zhuǎn)化與利用相對滯后(Martin Pawley,1990),后者的先進經(jīng)驗值得參考;其二,預制建筑本身就追求最大化的工廠式建造,在此層面上造屋亦是造物;其三,汽車、飛機等工業(yè)產(chǎn)品在設計水準、制造難度、質(zhì)量要求等各方面均不亞于預制建筑,而在精益制造(Lean Production)、新材料應用與系統(tǒng)集成等方面的成就更是預制建筑應努力的方向。

        圖2 制造業(yè)的發(fā)展歷程(圖片來源:Ryan E. Smith)

        3 預制建筑與批量定制

        相繼榮膺羅馬獎的兩位美國建筑師斯蒂芬 · 基爾蘭(Stephen Kieran)與詹姆斯 · 汀波萊克(James Timberlake)從1980年代開始便致力于預制建筑的研究,批量定制更是其基爾蘭 · 汀波萊克事務所(Kieran Timberlake,以下簡稱為“KT事務所”)設計與實踐的核心。他們認為“(批量定制)提出了一種新的建造流程,既使用自動化生產(chǎn)的技術,同時又能使制造出來的每一件產(chǎn)品都與之前批量生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有所區(qū)別……能根據(jù)場地條件、使用功能以及業(yè)主的要求,建造差異化、個性化的建筑”。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(zhuǎn)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。在此過程中,建筑師應當與產(chǎn)品工程師、流程設計師、材料科學家、建造承包商等密切合作(甚至充當其角色),并通過信息化管理工具完成設計、技術與工藝的整合。下文將結(jié)合KT事務所近期的相關設計研究,從模塊化策略、復合系統(tǒng)、信息化建造3個方面對預制建筑的批量定制策略展開討論。

        圖3 隨時間變化而拓展KT系列住宅(來源:KT事務所)

        3.1 可拓展的模塊化系統(tǒng)

        預制建筑要求盡量壓縮現(xiàn)場施工以實現(xiàn)快速裝配,與制造業(yè)要求精簡供應鏈條以減少最終組裝零件數(shù)目的原則是共通的,這種訴求直接促使模塊體系(Module)的形成。若將一輛汽車進行分解,先得到的并不是離散的零件或者原材料,而是如駕駛座塊、車門塊、懸掛系統(tǒng)等連續(xù)的、具有一定體積的“多零件集成塊”——模塊。模塊對于制造業(yè)的意義在于將原本單向線性運作的主裝配線分解為若干可同步進行的、異地代工的OEM(Original Equipment Manufacturer,原始設備制造商)式子裝配線,主線轉(zhuǎn)而只負責生產(chǎn)核心技術模塊以及組裝有限數(shù)量的子線輸出模塊,從而縮短生產(chǎn)時間,實現(xiàn)批量生產(chǎn)。類比之下,預制建筑的現(xiàn)場施工也可以被看作“主裝配線”,而模塊便是最終出廠運往場地的預制集成件。

        為最終實現(xiàn)多樣化與定制化,模塊本身需具備可拓展性。建造專家丹尼爾 · 斯科臺克(Daniel Schodek)認為,工業(yè)產(chǎn)品設計中的某些模塊拓展原則上可以轉(zhuǎn)移到建筑的定制設計上(Daniel Schodek et al.,2005),具體可分為共享模塊化、互換模塊化、標準化模數(shù)、復合模塊化、總線模塊化與連接模塊化等子項(表1)。在建筑細部設計層面對預制模塊進行設計,可以在不增加模塊種類的前提下大幅度提升其形式功能的組合多樣性,從而實現(xiàn)因地制宜與客戶定制,回應了制造業(yè)中“批量定制設計”(Design for Mass Customization,DFMC)的理念。對建筑師而言,在面對新的提案時只需根據(jù)既有條件選擇適用的、設計成熟的模塊進行組合即可。此時建筑師的設計工作也可視為一條“主裝配線”,對模塊本身的設計也成為“模塊”,從而大大提高了設計業(yè)本身的生產(chǎn)效率。

        KT系列住宅項目是KT事務所于2009年開始為綠色住宅建造商(LivingHomes)設計開發(fā)的模塊化預制住宅體系,是應用模塊化拓展策略的典型案例。基于標準化的模數(shù)體系,KT系列發(fā)展出“裝卸板塊”(Dump Panel)與“智慧模塊”(Smart Module)兩種模塊系統(tǒng),分別對應住宅平面上的“居住空間”與“服務空間”(圖3)。

        表1 模塊的可拓展策略(來源:Daniel Schodek)

        “居住空間”主要指起居室、餐廳、臥室、書房等高頻使用的房間,由于存在配置數(shù)量、尺寸大小、開窗位置、景觀朝向等差異化需求,因此采用組合方式更靈活多變的裝卸板塊來圍合、劃分空間,其空間組合與變化最終也反映于建筑的外觀,從而實現(xiàn)功能與形式的雙重多樣性?!胺湛臻g”包含廚房、衛(wèi)浴間、洗衣房、垂直/水平交通、儲藏間等以及大量復雜的給排水、暖通、電氣系統(tǒng),適宜采用整體式的智慧模塊將其包裹,在工廠中完成集成與建造,并從結(jié)構(gòu)、功能與系統(tǒng)層面為自由的可裝卸板塊組合提供“錨固點”,從而體現(xiàn)總線模塊化策略(圖4)。

        得益于兩種模塊及通用的連接節(jié)點(連接模塊化原則),KT系列建筑具備了水平與垂直的雙向拓展能力,得以在建筑全生命周期內(nèi)根據(jù)用戶使用需求的變化實現(xiàn)建筑于空間層面的拓展,并實現(xiàn)在時間維度上的定制化與開放性(圖5)。

        在KT事務所提供的標準配置版本的基礎上,LivingHomes公司又為KT系列模塊開發(fā)了多種可替換的完成面(Finishing Layer),從而在不改變模塊基本結(jié)構(gòu)且不影響生產(chǎn)效率的前提下,根據(jù)客戶的使用偏好與經(jīng)濟預算,實現(xiàn)建筑外立面/表皮、室內(nèi)墻面、樓地板、天花板等可感知界面在材料、顏色與樣式上的定制設計(圖6),達到共享模塊化的目標。

        圖5 隨時間變化而拓展KT系列住宅(來源:KT事務所)

        3.2 可持續(xù)的復合系統(tǒng)

        復合模塊化與互換模塊化等策略的核心在于形成整合多項建筑系統(tǒng)/功能(或為系統(tǒng)/功能預留接入可能)的復合系統(tǒng),首先其回應了批量定制生產(chǎn)中關于產(chǎn)品平臺(Platform)與產(chǎn)品族(Family)的建構(gòu)概念。

        工程管理學專家馬克 · 邁耶(Marc Meyer)與制造學專家詹姆斯 ·厄特巴克(James Utterback)認為,產(chǎn)品平臺是批量定制的關鍵,是能夠被一系列產(chǎn)品所共享、通用的一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);而以產(chǎn)品平臺為基礎并且能夠滿足不同客戶對產(chǎn)品特殊特征和功能需求的相關系列產(chǎn)品集合則構(gòu)成一個產(chǎn)品族(1992)。

        類比之下,預制建筑的復合系統(tǒng)可視為產(chǎn)品平臺,而從設計階段開始的建筑全生命周期范圍內(nèi),因客戶需求而形成的、定制化的建筑系統(tǒng)與功能的選型集合則是產(chǎn)品族。因此,復合系統(tǒng)要求具備通用的結(jié)構(gòu)性基礎,為多種建筑材料、部品與設備系統(tǒng)的集成提供可能。其次,從建造的角度而言,復合系統(tǒng)可以利用工廠資源,批量化地完成多項專業(yè)技術與建造工藝的整合,從而有效避免現(xiàn)場多工種混合操作的無序局面與等待交接導致的時間浪費,最大化地節(jié)約建造成本,保證施工質(zhì)量。

        建筑內(nèi)系統(tǒng)設備的增加與功能的復雜細分,是人們對使用舒適度要求不斷提升與可持續(xù)技術不斷發(fā)展的共同結(jié)果。將可持續(xù)技術與復合系統(tǒng)相結(jié)合是預制建筑發(fā)展的必然趨勢,既回應了人、建筑與環(huán)境三位一體關系的根本問題,也對復合系統(tǒng)中的系統(tǒng)與功能提出拓展要求,進而為預制建筑的定制化設計提供更多的可選項目。

        KT事務所開發(fā)的“智慧表皮”(Smart Wrap)專利系統(tǒng)是可持續(xù)復合系統(tǒng)的典型代表。這項研究起始于由斯蒂芬 · 基爾蘭與詹姆斯 ·汀波萊克指導的賓夕法尼亞大學建筑研究生課題,旨在探索將功能性、裝飾性的材料轉(zhuǎn)印到工程塑料薄片的工藝。在杜邦公司的配合下持續(xù)深化,最終開發(fā)了全新的建筑圍護復合系統(tǒng),并應用于預制建筑“玻璃紙屋”(Cellophane House)項目(圖7)。

        “智慧表皮”將常規(guī)圍護結(jié)構(gòu)的功能分解、重組,引入潛在的功能需求,利用新材料與新工藝創(chuàng)造性地建構(gòu)復合系統(tǒng)。通常用于生產(chǎn)飲料瓶的PET(Polyethylene Terephthalate)高分子塑料,因其低成本、高透光、高強度、防水防霉、快速干燥、可回收等諸多優(yōu)點被作為該復合系統(tǒng)的基質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)基礎,也可被作為其他材料壓印的載體與分隔的界面。其余材料則作為“涂層”分別附加在PET板上:微囊式的相變材料(Phase Change Materials,PCMs)為圍護系統(tǒng)提供蓄熱/冷的功能,避免室內(nèi)溫度劇烈波動;有機發(fā)光二極管(Organic LED,OLED)采用超薄的有機涂層覆蓋于PET板上,當電流通過時便會自行發(fā)光,因此可以作表皮的信息界面或為室內(nèi)空間提供照明;有機光伏(Organic Photovoltaics,OPVs)技術以同樣輕薄的有機半導體作為電池組件,并利用銅片條連接形成回路,從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化并為OLED等其他系統(tǒng)供能。由此,該復合系統(tǒng)可以兼?zhèn)漭p質(zhì)耐久、保溫蓄熱、顯示照明、視覺通達(透明性)、能源生成、回收利用等諸多可持續(xù)性能(圖8)。

        圖6 模塊完成面的定制設計(來源:LivingHomes)

        上述材料在PET板上的涂覆以及多層PET板的最終復合成型,理論上都可以通過常規(guī)的簡易輥涂(Roll-coating)技術完成。由此形成了以PET涂覆集成技術為“產(chǎn)品平臺”而衍生的新型圍護系統(tǒng)“產(chǎn)品族”,不僅保證了批量生產(chǎn)的可行性,又可根據(jù)客戶特殊需求以及客觀環(huán)境因素(氣候、日照、景觀等)調(diào)整附加涂層的種類數(shù)量等參數(shù),也可以在未來使用中根據(jù)需要對既有系統(tǒng)功能進行增刪、更新或者升級,實現(xiàn)建筑立面在形式與功能上的同步定制化。

        3.3 信息化的建造管理

        批量定制生產(chǎn)的核心目標之一就是要盡可能地縮短產(chǎn)品生成的時間,使其早日投入市場或送抵客戶。除了采用模塊化、集成化等產(chǎn)品設計策略并利用CNC、CAM等計算機技術來壓縮產(chǎn)品的設計時間之外,通過信息化的管理技術提升生產(chǎn)組裝階段的效率是另一條捷徑。

        斯蒂芬 · 基爾蘭與詹姆斯 · 汀波萊克在《再造建筑——如何用制造業(yè)的方法改造建筑業(yè)》(Refabricating Architecture: How Manufacturing Methodologies are Poised to Transform Building Construction,2003)中以波音公司為例,闡述信息化管理工具物料清單(Bill of Material,BOM)在控制飛機組裝生產(chǎn)成本中的作用。物料清單可進一步分解為設計工程物料清單(Engineering BOM,EBOM)以及制造物料清單(Manufacturing BOM,MBOM),前者將設計階段的模型與圖紙轉(zhuǎn)化為具體的零件信息表格,精確地描述每個零部件及零部件之間的實體形狀、幾何尺寸、位置關系、物理性能、顏色材質(zhì)、制造來源等信息,從而節(jié)約生產(chǎn)中問題零部件的索引與定位時間;后者則主要針對產(chǎn)品的裝配階段,通過控制模具卡件等裝配輔助工具的準備、零件與模塊的裝配順序、OEM模式下外包模塊的到廠時間等,協(xié)調(diào)所有部件與產(chǎn)品整體生產(chǎn)的關系,避免時間的浪費。類比于預制建筑,利用信息工具實現(xiàn)場外生產(chǎn)與場內(nèi)建造的高效管理,同樣具有重要意義。

        事實上,近年來BIM技術的出現(xiàn)與應用,為預制建筑批量定制生產(chǎn)帶來了新的契機。其一,在設計階段通過BIM技術建立建筑師、工程師、材料學家、建造承包商、部品廠商及流程設計師的反饋協(xié)同平臺,可以明確模塊的劃分界面與各工種的責任范圍,從而及時發(fā)現(xiàn)多系統(tǒng)的碰撞沖突,提升模塊設計的有效性;其二,可視化的三維模型可以提前讓各環(huán)節(jié)的參與者達成對整體的共識,防止生產(chǎn)建造過程中個人主義對整體效益造成損害;其三,BIM模型中可建立所含物料的信息庫,實現(xiàn)物料追蹤管理與模塊精確生產(chǎn)(過俊,2011),相當于建筑版的EBOM;其四,BIM技術可以實現(xiàn)對工廠內(nèi)模塊的生產(chǎn)以及現(xiàn)場建筑整體裝配的模擬,控制建筑模塊的裝配順序,優(yōu)化整體施工組織,進而最終實現(xiàn)快速建造,相當于建筑版的MBOM;其五,通過BIM的信息管理功能可以將生產(chǎn)過程中不同客戶之間的個性需求與矛盾進行調(diào)和(蘇平,熊璐,2013),從而實現(xiàn)批量定制的生產(chǎn)目標。

        圖7 玻璃紙屋中智慧表皮的應用(來源:KT事務所)

        4 結(jié)語

        當下,我國的建筑仍以現(xiàn)場建造為主,面臨著人力成本不斷提高、施工時間難以壓縮、能源資源不可再生、環(huán)境代價持續(xù)攀升等諸多問題,建筑進入工廠化預制時代已是大勢所趨。文章通過借鑒制造業(yè)發(fā)展的歷史經(jīng)驗,結(jié)合KT事務所在預制建筑的批量定制方面的先鋒實踐經(jīng)驗與持續(xù)研究成果,總結(jié)提煉出3大具體策略:可拓展的模塊系統(tǒng)、可持續(xù)的復合系統(tǒng)以及信息化的建造流程,以期回應預制裝配式建筑發(fā)展的歷史命題,為目前我國預制建筑的多樣化實踐研究提供支撐。

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        2016-10-27

        MASS CUSTOMIZATION STRATEGY FOR PREFABRICATED BUILDING: A CASE STUDY OF THE PRACTICES BY KIERAN TIMBERLAKE

        Prefabrication is a vital tendency in the development of contemporary architecture under the background of industrialization and productization. The divergences, however, between the issue of variety and the standardized production have become the main bottleneck, which constrain the prefab architecture. In analogy with the manufacturing industry, the concept of Mass Customization (MC) is brought into the design and research of prefabrication. With the analysis of several design practices from Kieran Timberlake Atelier, a new design method combining the module strategy, integrated sustainable systems and building information management has arisen.

        Mass Customization, Prefabricated Building, Kieran Timberlake

        本文由國家自然科學基金面上課題項目(編號:51678324)支持。

        林正豪,清華大學建筑學院,清華大學生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室

        袁小雨,北京清華同衡規(guī)劃設計研究院有限公司

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