■ 程?hào)|偉 CHENG Dongwei 羅 宇 LUO Yu 湯朔寧 TANG SHuoning

0 引言

近些年國內(nèi)裝配式建筑發(fā)展迅速，許多建筑都有裝配化率要求，集裝箱改造成為建筑的案例在國內(nèi)屢見不鮮，模塊建筑集合了兩方面的優(yōu)勢，在建造質(zhì)量、建設(shè)速度、生態(tài)環(huán)保、回收利用等方面都有很大的優(yōu)勢[1]（圖1）。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收的建造方式不同，模塊建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造過程很大程度上可以重疊，從而大大縮短建設(shè)周期，提高資金回收率[2]。模塊建筑都是模塊堆疊而成，結(jié)構(gòu)形式和連接方式與傳統(tǒng)建筑有較大差異。另外，因?yàn)檫\(yùn)輸條件和構(gòu)造方式等因素，模塊建筑也有建筑尺寸受限、雙墻板及與傳統(tǒng)居住使用習(xí)慣沖突等一些使用局限。同濟(jì)大學(xué)學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加了中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)主辦的2018全國高校學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽，參賽作品“四方之舍”，用模塊鋼結(jié)構(gòu)的方式建造一個(gè)能容納1 500人的多層大學(xué)生宿舍，取得了特等獎(jiǎng)的成績，本文基于本次競賽作品，結(jié)合其他一些實(shí)際案例，對模塊鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)缺點(diǎn)和使用局限與突破進(jìn)行一些總結(jié)。

圖1 模塊建筑優(yōu)勢

圖2 總平面圖

1 競賽作品介紹

中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)定期舉辦全國高校學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽，以激發(fā)學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的熱情，每年的競賽作品中都可以看到當(dāng)下比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系和具有創(chuàng)新性的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等內(nèi)容。2018年的競賽要求是，用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造一個(gè)能容納1 500人的大學(xué)學(xué)生宿舍，沒有具體場地限制，僅給出結(jié)構(gòu)使用年限50年、設(shè)防烈度8度基本地震加速度0.3g、場地類別、抗震設(shè)防類別、地面粗糙度、基本分壓、基本雪壓等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件?；趯W(xué)生宿舍功能要求、建筑盡可能適應(yīng)全國大多數(shù)地方、結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新等多方面考慮，同濟(jì)大學(xué)同學(xué)們用“四方之舍”的參賽作品贏得了特等獎(jiǎng)，以下簡要介紹一下其參賽作品。

1.1 設(shè)計(jì)立意及方案生成過程

設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)還是基于學(xué)生宿舍的基本特征，即每一個(gè)宿舍都是幾乎一樣的單元，這個(gè)特征是比較適合用模塊建筑建造的。這個(gè)參賽作品就采用了模塊自堆疊形成四個(gè)帶退臺(tái)的方形院子，被一個(gè)公共功能環(huán)連成整體的方式，滿足功能需要和競賽要求（圖2～4）。這個(gè)作品取名“四方之舍”也有多重含義：①任何大學(xué)的學(xué)生都是來自五湖四海，這是一個(gè)四方學(xué)子的宿舍；②設(shè)計(jì)用四個(gè)方形的院子來滿足宿舍數(shù)量要求，這是四個(gè)方形組成的宿舍；③因?yàn)槟K建筑建成后可以快速拆裝到另外一個(gè)場地使用，這是一個(gè)游走四方的宿舍，所以，這個(gè)宿舍是四方學(xué)子的港灣，也是可以游走四方的居所。模塊可以快速拆裝到另外一個(gè)場地這個(gè)優(yōu)勢，也可以讓這個(gè)學(xué)生宿舍可以很好地適應(yīng)學(xué)生數(shù)量增減的要求：當(dāng)學(xué)生數(shù)量減少，可以拆掉一些模塊運(yùn)輸?shù)搅硗庑枰牡胤?；?dāng)學(xué)生數(shù)量增加，可以增補(bǔ)一些模塊增加使用人數(shù)（圖5）。

方案的生成過程是基于傳統(tǒng)宿舍的雛形：①為了提升居住品質(zhì)，把傳統(tǒng)內(nèi)廊式宿舍拆解成四個(gè)外廊式宿舍拼成的一個(gè)方形院子；②如果方形院子是正南北布置，難以避免左右兩側(cè)東西曬的問題，所以把院子旋轉(zhuǎn)45°，使得院子的每一邊都有南向采光；③院子做退臺(tái)，豐富建筑造型的同時(shí)，也可以最直觀地體現(xiàn)模塊建筑的特征；④經(jīng)過計(jì)算，四個(gè)院子是可以滿足1 500人居住要求比較合適的布置方式；⑤引入公共功能環(huán)，把四個(gè)居住院子連成整體，增加了學(xué)生居住之外的公共活動(dòng)空間（圖6）。從設(shè)計(jì)生成過程可以看到，雖然作品的取名上有一些浪漫的色彩，也是基于功能要求理性分析的結(jié)果。

圖3 總體鳥瞰圖

圖4 剖面透視圖

圖5 模塊建筑快速適應(yīng)學(xué)生人數(shù)增減

1.2 多層級(jí)公共空間

公共功能環(huán)的引入是設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)，但是這個(gè)宿舍的公共功能并不僅于此，整個(gè)方案的公共空間是多層級(jí)的。第一級(jí)最重要的公共空間就是中間的功能環(huán)，可以在里面設(shè)置一些學(xué)習(xí)室、活動(dòng)室等提供學(xué)生室內(nèi)的活動(dòng)；第二級(jí)公共空間就是建筑圍合形成的五個(gè)院子，是學(xué)生進(jìn)入室內(nèi)的門廳，也是學(xué)生很好的室外活動(dòng)空間；第三級(jí)就是退臺(tái)，這些退臺(tái)并不是簡單的空置，也是由框架模塊拼接形成，可以給學(xué)生提供半室外的活動(dòng)空間；第四級(jí)就是在樓層之間，局部地方抽出幾個(gè)模塊，形成樓層之間的半室外活動(dòng)空間（圖7）。

1.3 模塊類型

作品在滿足基本居住功能的同時(shí)，提供了豐富的公共活動(dòng)空間和富于變化的建筑外觀，這些豐富的變化都是通過基本一致的模塊單元組成的?；诮ㄖδ芊诸?，整個(gè)作品使用的模塊可以分成六種。最主要的就是兩種宿舍模塊，一種在3.3m寬、3.3m高、8.7m長的基本宿舍模塊里,布置帶衛(wèi)生間和陽臺(tái)的雙人間，把衛(wèi)生間放在外側(cè)可以有較好的采光通風(fēng)；另一種在院子的角部，把兩個(gè)模塊組成在一起，布置形成無障礙宿舍，居室、衛(wèi)生間和陽臺(tái)都充分考慮無障礙的使用。

第三種模塊是退臺(tái)模塊，只有框架結(jié)構(gòu)和部分頂板；第四種模塊是三層和四層的公共環(huán)；第五種是公共環(huán)一層和二層架空部分，也只有框架結(jié)構(gòu)起結(jié)構(gòu)支撐作用；第六種是樓梯交通模塊。除了第四和第五兩種模塊因?yàn)楣δ茉蚵蚤L一點(diǎn)，其他所有模塊尺寸是一樣的，方便生產(chǎn)制作，減少運(yùn)輸成本和施工吊裝成本（圖8）。

1.4 結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)造方式

在建筑構(gòu)造上，該作品采用了輕鋼龍骨構(gòu)造體系，這個(gè)體系有自重輕，施工便捷，可以快速建設(shè)安裝等優(yōu)點(diǎn)。具體構(gòu)造措施上著重考慮設(shè)備管道集成和模塊之間的連接兩個(gè)方面，在衛(wèi)生間和走道的部分位置，把設(shè)備管道集合起來便于生產(chǎn)施工和設(shè)備檢修。在模塊之間連接的部位，考慮通過密封膠或拼縫板現(xiàn)場安裝的方式，可做到模塊連接之后的密封和建筑整體完整（圖9）。

結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新也是本次競賽的重點(diǎn)內(nèi)容，基于建筑方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用了模塊自我堆疊的方式，主要的創(chuàng)新點(diǎn)有定位抗剪雙功能鍵和消能減震技術(shù)兩項(xiàng)。節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)的定位抗剪雙功能鍵，在安裝時(shí)提供定位功能，提高安裝速度和精度，服役時(shí)傳遞模塊間剪力，保證結(jié)構(gòu)安全。體系中使用的波紋鋼板剪力墻，比一般鋼支撐尺寸小，不影響室內(nèi)空間的使用，同時(shí)具有消能減震功能（圖10）。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅考慮了建成后建筑的受力情況，每個(gè)模塊單元的吊裝工況都做了充分的計(jì)算[3]。

圖6 方案生成圖解

圖7 多層級(jí)公共空間

圖8 功能模塊單元

圖9 管道集成節(jié)點(diǎn)

該競賽作品因?yàn)樗奚岬墓δ芎统叨纫蠓浅＿m合模塊建筑，采用這種建造方式，通過建筑方案公共空間的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和做法的創(chuàng)新，取得了不錯(cuò)的成績。但是競賽過程中還是有體量穿插受限、出入口公共空間尺寸受限、難以形成大空間架空等受限制的地方，很多都是因?yàn)槟K這種建筑的特點(diǎn)產(chǎn)生的。因此，也引發(fā)了筆者對模塊建筑局限性及如何突破局限的一些思考。

2 模塊建筑使用局限

模塊建筑高效、高回收率、便捷拆裝等優(yōu)點(diǎn)使其有巨大的發(fā)展空間，在歐美發(fā)達(dá)國家都有許多實(shí)際應(yīng)用，但是在我國實(shí)際應(yīng)用并不多，國內(nèi)主要生產(chǎn)制造企業(yè)的產(chǎn)品主要還是用于出口，這個(gè)現(xiàn)狀說明，具體到實(shí)際應(yīng)用，模塊建筑還有其局限性，主要體現(xiàn)在建造成本、尺寸受限、與使用習(xí)慣沖突等方面。

2.1 建造成本

模塊建筑在國內(nèi)建成的案例少，一個(gè)重要的原因是造價(jià)成本偏高，工廠生產(chǎn)、高運(yùn)輸成本和雙墻板體系材料增加，造成了模塊建筑比同類型裝配式建筑或傳統(tǒng)的建筑造價(jià)高一些。不過在某些程度上，成本的偏高會(huì)因?yàn)槟K建筑的施工周期短和高效的資金利用率抵消一些，國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)和個(gè)人認(rèn)識(shí)到這一優(yōu)勢。另外，如果更多地采用模塊建筑建造，流水線生產(chǎn)的模塊會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)量提升而降低單體生產(chǎn)成本，同時(shí)也會(huì)相應(yīng)降低運(yùn)輸成本，而且隨著傳統(tǒng)建造方式人工成本的增加，也會(huì)進(jìn)一步減小價(jià)格差?？梢哉f，隨著模塊建筑進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的應(yīng)用會(huì)有效降低建造成本。

圖10 波紋鋼板剪力墻

圖11 模塊單元結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)形成高大空間

圖12 模塊變化組合形成高大空間

2.2 尺寸受限

因?yàn)槟K建筑生產(chǎn)拼裝在工廠已經(jīng)完成，運(yùn)輸?shù)木褪且粋€(gè)已經(jīng)建好的單體，難以避免建筑尺寸需要受到運(yùn)輸尺寸限制。拿常規(guī)的陸路運(yùn)輸來說，全國通行的公路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)車貨總高4.2m、車貨總長18m、車貨總寬2.5m，扣除車子本身的尺寸，貨物尺寸基本在高3m、長15m、寬2.5m的范圍內(nèi)。特殊貨物尺寸可以適當(dāng)突破，但尺寸越大突破的代價(jià)越高，而且也遇到運(yùn)輸路徑上有高架、涵洞、隧道等無法突破限制的條件。模塊建筑每一個(gè)單體都是結(jié)構(gòu)獨(dú)立的“盒子”，單體內(nèi)的柱和梁不但要支撐自身結(jié)構(gòu)完整，還要考慮到在建筑整體里的其他荷載及運(yùn)輸和吊裝過程中的完整性。所以，要把單體的某些梁柱取消是難以實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)“盒子”這樣的尺寸限制，使得難以直接用模塊建筑實(shí)現(xiàn)大跨、通高等內(nèi)部高大空間的要求。

2.3 雙墻板系統(tǒng)

每一個(gè)單體都是獨(dú)立完整的單元，這一特征也決定了模塊建筑拼裝完成之后都有雙層的內(nèi)墻和雙梁雙柱并置的情況，通常為了單體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂板和底板都有次結(jié)構(gòu)支撐，所以樓板也是雙層的。這樣的構(gòu)造形式帶來了一定的結(jié)構(gòu)重復(fù)和材料的浪費(fèi)，相比同類型鋼結(jié)構(gòu)建筑，模塊建筑的用鋼量也會(huì)有所增加。這個(gè)局限是模塊建筑這種建造方式帶來的，雙柱雙梁外露的地方還需要做裝飾板蓋住，或者采用特殊的拼縫處理才能保證建筑的密封性和美觀，雙墻雙板的優(yōu)點(diǎn)是增加了建筑的隔熱和隔聲性能，雙層墻板間距的合理控制可以大大增加隔聲性能。

2.4 構(gòu)造方式與使用習(xí)慣的沖突

因?yàn)檫\(yùn)輸和整體吊裝的原因，模塊單元的重量是需要考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)重量輕，是模塊建筑采用最多的結(jié)構(gòu)形式，輕鋼龍骨墻板體系也是隔墻和樓板使用最多的方式。但是這樣的構(gòu)造形式和居民傳統(tǒng)的居住習(xí)慣有一定的偏差，習(xí)慣鋼混結(jié)構(gòu)砌體墻的居住者對于輕鋼龍骨體系有天然的抵觸。許多購房者因裝配式隔墻是“空心”的從而擔(dān)心房子的質(zhì)量，雖然輕鋼龍骨體系的隔墻在隔聲保溫方面有更優(yōu)越的性能。另外，預(yù)制墻板體系難以滿足居民二次裝修在墻上敲敲打打的需求，甚至掛一幅畫釘個(gè)釘子都有困難，而現(xiàn)實(shí)中二次改造的需求又是難免的。

3 模塊建筑設(shè)計(jì)突破

模塊建筑有一些局限是難以避免的，有一些可以通過設(shè)計(jì)手法和材料的改善得到一定突破，結(jié)合本次競賽的一些考慮，筆者對模塊建筑的一些局限做了突破的嘗試。

3.1 尺寸限制的突破

因?yàn)檫\(yùn)輸限制，每個(gè)單元的尺寸受限是難以避免的，通常來說3.3m的寬度（公路運(yùn)輸允許的尺寸）和近15m的長度可以滿足大多數(shù)建筑對面寬和進(jìn)深的要求，但是3m的高度對于多數(shù)公共建筑來說是偏低的。解決建筑高度問題最常用的方式是使用特殊運(yùn)輸車輛，對于常規(guī)道路限高4.5m的要求，采用高度0.8m的低板運(yùn)輸車，模塊的高度可以做到3.7m，這樣可以滿足多數(shù)建筑的層高要求。對于進(jìn)一步滿足突破高度或跨度的要求，是有一些設(shè)計(jì)手法可以嘗試的。

（1）可以把模塊立起來解決高度問題，即把模塊的長度當(dāng)作高度使用，這樣可以有效增加建筑高度，但是這樣拼裝之后的建筑開間和進(jìn)深都只有3m左右，而且這樣的安裝方式，模塊單元要滿足運(yùn)輸時(shí)穩(wěn)定和安裝后立起來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)成本會(huì)相應(yīng)增大。

（2）當(dāng)兩層模塊疊加時(shí)可以取消下一層的頂板，適當(dāng)抬高上一層的底板，這樣可以適當(dāng)增加下層建筑高度，但是這樣的方式增加高度有限，上層模塊的高度也會(huì)降低，而且下層模塊的高度增加范圍也會(huì)限制在模塊的寬度和長度尺寸之內(nèi)，難以滿足大范圍增加高度要求，小范圍增加高度提升空間趣味還是一個(gè)可行的辦法。

（3）可結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，比如酒店建筑，首層用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建造滿足建筑開間和層高需要的功能，二層以上再用模塊單元建造房間。也可以是在兩排模塊單元之間用裝配式鋼結(jié)構(gòu)搭起一個(gè)通高空間，滿足大空間使用要求（圖11）。這樣的組合結(jié)構(gòu)形式可以很好地解決特殊空間要求，是一個(gè)突破尺寸限制比較理想的方式。

（4）可以通過模塊單元拼接方式實(shí)現(xiàn)高大空間要求，本次競賽作品就在公共功能環(huán)首層入口處，通過單元的堆疊方式變化營造出一個(gè)寬6.6m、高6.6m，進(jìn)深9m的較大入口空間。在一二層兩個(gè)疊加的模塊上面橫向疊加長13.2m的模塊，等于抽取了下面四個(gè)疊加的模塊增加空間尺寸（圖12）。類似的方法應(yīng)該還有很多，可以局部放大空間尺寸，突破模塊單元的限制。

3.2 構(gòu)造措施的完善

良好的建筑熱工性能和更好的隔聲構(gòu)造是模塊建筑發(fā)展的重要基礎(chǔ)，通過構(gòu)造措施的完善，可以更好地達(dá)到這個(gè)效果。在保溫隔熱方面，輕鋼結(jié)構(gòu)的模塊建筑防止框架構(gòu)件穿過外墻保溫形成“冷橋”是非常重要的，所以，通常都是外保溫的做法降低冷橋和冷凝的風(fēng)險(xiǎn)。作為外保溫的補(bǔ)充，在輕鋼構(gòu)件之間填充保溫材料也可以進(jìn)一步降低U值。單元模塊通過這種方式可以達(dá)到較好的保溫隔熱性能，單元之間的保溫連續(xù)性也非常重要，確保單元拼接節(jié)點(diǎn)部位的密封性，可以有效防止外部冷熱空氣進(jìn)入單元之間的縫隙之中。

在建筑隔聲方面，模塊建筑具有高水平的隔聲性能，主要是因?yàn)槠涿總€(gè)模塊具有單獨(dú)的樓板、天花板和墻體構(gòu)件，可以防止聲音沿構(gòu)件直接傳播。模塊單元往往在酒店建筑中使用，也是由于酒店一般對房間之間的隔音性能要求很高的緣故。模塊之間的間隙降低了噪音貫穿整個(gè)建筑的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，由于模塊的樓板結(jié)構(gòu)與天花板結(jié)構(gòu)是獨(dú)立的，所以上下模塊之間也有一道間隙。單元之間僅在角部或其他離散點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，在這些位置也會(huì)使用隔聲墊來限制聲音的直接傳遞。另外，在輕鋼龍骨構(gòu)造體系中，通過設(shè)置空腔、安裝多層材料、使用隔音性能好的材料等方式，達(dá)到提高隔音性能的目標(biāo)，增加隔音棉和隔音板便可得到更高的隔音性能。

考慮到室內(nèi)裝飾的需要，在可能需要掛置裝飾物的地方，需要設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮。如果特定區(qū)域的墻有較重的裝飾，例如廚房用具、附加輕鋼板或者壁磚，應(yīng)在模塊設(shè)計(jì)中加以體現(xiàn)?？刹捎米糟@、自攻螺絲來直接將裝飾物固定在鋼龍骨和鋼托梁上。較輕裝飾物的固定可以采用石膏板墻面專用固定件，有很多成品可以選擇直接使用。

3.3 居住體驗(yàn)的提升

針對居民對在心理上不接受“空心”的輕鋼構(gòu)造體系，許多模塊制造商在材料的突破上也做了大量的嘗試。如，底板采用現(xiàn)澆的輕質(zhì)陶?；炷炼o人一種堅(jiān)實(shí)耐用的感受，外墻板也可以采用外掛輕質(zhì)陶土板或者高密度CCA板灌漿外墻板等比較密實(shí)的材料提升居住感受。一次性建造完成內(nèi)裝是模塊建筑的優(yōu)勢，合理的管線安排和適當(dāng)?shù)亩窝b飾考慮，有效避免在墻上開洞等二次裝修的需求，也是提升居住感受的一個(gè)重要方面。材料和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的考慮可以很好地提升居住體驗(yàn)，隨著模塊建筑使用的推廣，居住習(xí)慣的慢慢改變也會(huì)是模塊建筑發(fā)展的進(jìn)一步推動(dòng)力。

4 結(jié)語

模塊建筑進(jìn)一步發(fā)展是工業(yè)化發(fā)展的一個(gè)趨勢，快速施工、受場地影響小等優(yōu)點(diǎn)是其他建造方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，雖然尺寸限制等也是其固有的局限，如何突破局限揚(yáng)長避短是設(shè)計(jì)、建造過程中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。本文結(jié)合競賽作品進(jìn)行了一些思考總結(jié)，也是模塊建筑推廣過程中的一次嘗試。

（2018中國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)主辦的全國高校學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽同濟(jì)大學(xué)參賽作品“四方之舍”獲得特等獎(jiǎng)。指導(dǎo)老師: 陳琛、王彥博；參賽學(xué)生:程?hào)|偉、羅宇、張林鈴、陳紅磊、陸鈺佳、趙逍）