湯朔寧 鄒佳旻

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

3 井岡山大學(xué)

1 簡(jiǎn)介

住宅建筑由于功能相對(duì)固定、建造量大并帶有商品屬性，是所有建筑類型中最接近“產(chǎn)品”的一種類型。二戰(zhàn)之后西方國(guó)家逐漸轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)住宅的設(shè)計(jì)和建造方式，引入工業(yè)化建造思想建造裝配式住宅。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們不但對(duì)住宅的質(zhì)量和功能要求日益提高，同時(shí)也開始重視住宅建筑的建造和使用過(guò)程是否能夠秉承綠色和可持續(xù)的理念。裝配式住宅不僅建造速度快，建造能耗低，而且能使住宅建造質(zhì)量達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)和性能，其方向符合綠色設(shè)計(jì)的基本理念和當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。

目前日本是世界上裝配式住宅最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，每年建造超過(guò)70 000間裝配式住宅；英國(guó)的新建住宅超過(guò)30%是裝配式住宅，在愛爾蘭和蘇格蘭，近年來(lái)房屋的裝配率超過(guò)了70%[1]；荷蘭50%的住宅使用預(yù)制配件；瑞典木質(zhì)獨(dú)立住宅的預(yù)制率已經(jīng)達(dá)到了84%；德國(guó)在2013年頒發(fā)建設(shè)許可的裝配式住宅占新建住宅的9%[2]。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，裝配式住宅已在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，與之對(duì)應(yīng)的裝配式住宅研究也非常充分。下面通過(guò)對(duì)裝配式住宅模塊化體系的文獻(xiàn)綜述以及兩個(gè)國(guó)外案例的介紹，從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度，總結(jié)當(dāng)前裝配式住宅模塊化體系的主要發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)，幫助相關(guān)學(xué)者和從業(yè)人員了解模塊化住宅，以便制定適當(dāng)?shù)牟呗詠?lái)克服已知的挑戰(zhàn)。

2 研究方法

研究采用文獻(xiàn)分析法，即對(duì)不同文獻(xiàn)進(jìn)行回顧和評(píng)價(jià)的一種系統(tǒng)方法。此次研究文獻(xiàn)的種類包括論文、書籍和新聞報(bào)道，所有文獻(xiàn)均為電子文獻(xiàn)。

文獻(xiàn)檢索方式為在SCI和EI數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索與“Modular Residential”“Modular Building”“Prefabricated”“Prefabricated Construction”相關(guān)的文獻(xiàn)，并將其中與住宅設(shè)計(jì)有關(guān)的文章挑選出來(lái)。為保證研究的前沿性，選取的論文均發(fā)表于2010年之后，絕大多數(shù)發(fā)表于2014～2018年。經(jīng)過(guò)篩選，挑選出36篇論文進(jìn)行進(jìn)一步分析。

從論文主題的分析結(jié)果來(lái)看，36篇論文中關(guān)于裝配式住宅在不同國(guó)家的發(fā)展研究共計(jì)15篇（文獻(xiàn)[1-15]），裝配式住宅可持續(xù)性研究相關(guān)11篇（文獻(xiàn)[16-26]），參數(shù)化設(shè)計(jì)相關(guān)7篇（文獻(xiàn)[27-33]），其他類型3篇（文獻(xiàn)[34-36]）。研究選取的36篇論文基本可以囊括當(dāng)下關(guān)于裝配式住宅模塊化體系研究的全部主題，從中可以看出當(dāng)下的研究主要分為三個(gè)方向，即不同國(guó)家的發(fā)展研究、可持續(xù)性研究和參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，下文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 裝配式住宅模塊化國(guó)際前沿研究

3.1 裝配式住宅在不同國(guó)家的發(fā)展研究

裝配式住宅的發(fā)展與每個(gè)國(guó)家的政策、工業(yè)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境水平密不可分，不同國(guó)家的裝配式住宅發(fā)展情況也各有不同，因而部分學(xué)者對(duì)各國(guó)的裝配式住宅進(jìn)行了比較研究。例如在模塊研究方面，Ying-Chang Yu等人使用任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣（TSM）分析美國(guó)和日本建筑模塊設(shè)計(jì)趨勢(shì)的不同，發(fā)現(xiàn)日本的預(yù)制構(gòu)件各部件的相互關(guān)聯(lián)度更高，即日本的建筑模塊傾向于一體化，而美國(guó)的建筑模塊傾向于模塊化[3]。這意味著相比之下，美國(guó)預(yù)制構(gòu)件中的零件更容易被替換和修改。

除比較研究之外，更多學(xué)者選擇針對(duì)單一國(guó)家的裝配式住宅發(fā)展進(jìn)行研究，從各個(gè)國(guó)家學(xué)者的研究?jī)?nèi)容可以看出不同國(guó)家裝配式住宅的發(fā)展程度。日本已經(jīng)有了高度成熟的裝配式住宅體系，因此，健康、長(zhǎng)壽命化成為日本裝配式住宅研究的新方向[7，8]。Kazunobu Minami介紹了日本自2009年起開始實(shí)施的長(zhǎng)期優(yōu)良住宅法令，長(zhǎng)期優(yōu)良住宅是日本裝配式住宅的新方向，其主要指導(dǎo)方針是通過(guò)不斷改進(jìn)住宅的適應(yīng)性以延長(zhǎng)住宅的壽命，其特點(diǎn)是支撐體長(zhǎng)壽化、室內(nèi)空間靈活化和維護(hù)更新簡(jiǎn)便化。

此外，一種創(chuàng)新的模塊化住宅建造方式正在全世界范圍內(nèi)流行，這種建造方式將整間房間包括其內(nèi)部設(shè)備都在工廠預(yù)制，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，在新加坡這種方式被稱為廂式預(yù)制裝配系統(tǒng)（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，PPVC）。Bon-Gang Hwang等人的研究指出了PPVC的關(guān)鍵阻礙和解決措施。在美國(guó)這種方式被稱為永久模塊化結(jié)構(gòu)（Permanent Modular Construction，PMC），PMC的應(yīng)用范圍比PPVC更為廣泛，除了住宅之外，還可以應(yīng)用于學(xué)校、辦公、醫(yī)療和商業(yè)建筑中[9]。Ryan E.Smith和Talbot Rice研究了PMC在施工中的性能表現(xiàn)，分析了17個(gè)案例（主要集中在北美地區(qū)），其結(jié)果表明，永久模塊化結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省16%的施工成本和45%的施工時(shí)間[39]。在歐洲也有很多相關(guān)實(shí)踐，如R.Mark Lawson等人介紹了三個(gè)在英國(guó)建造的高層學(xué)生公寓案例[36]。

中國(guó)的裝配式住宅正在快速發(fā)展中，Jinyue Zhang等人論述了使用BIM系統(tǒng)建立關(guān)于建筑、結(jié)構(gòu)和水電暖通的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，并從中選擇構(gòu)件進(jìn)行再設(shè)計(jì)和建造經(jīng)濟(jì)適用房的過(guò)程[17]。此外，該文獻(xiàn)還介紹了在信息收集過(guò)程中先進(jìn)硬件工具的應(yīng)用方法，包括使用3D激光掃描儀收集原始數(shù)據(jù)，建立點(diǎn)云模型以便更好地協(xié)調(diào)MEP（Mechanical,Electrical and Plumbing）系統(tǒng)，以及使用測(cè)量機(jī)器人（即全站儀）進(jìn)行快速安裝。

3.2 裝配式住宅模塊化體系的可持續(xù)性研究

裝配式的建造方式被認(rèn)為具有高效、安全、可持續(xù)的特點(diǎn)[12]，模塊化施工作為預(yù)制裝配式方法的一種，在美國(guó)、日本和歐洲的一些地方得到了廣泛的應(yīng)用。為充分了解模塊化建造方法與現(xiàn)場(chǎng)施工相比的可持續(xù)性，對(duì)模塊化建造方法的可持續(xù)評(píng)估必不可少?？沙掷m(xù)評(píng)估包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)影響評(píng)估，與建筑學(xué)相關(guān)的研究主要涉及環(huán)境影響評(píng)估。

Lu Aye等人比較了三棟模塊化住宅的全生命周期隱含能耗（Embodied Energy）和運(yùn)行能耗[15]。三棟建筑位于澳大利亞墨爾本，均為3 943m2的8層集合住宅，分別使用了預(yù)制鋼框架、預(yù)制木框架和傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)，假定使用年數(shù)為50年，將全生命周期內(nèi)的材料更換排除在外。結(jié)果顯示鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的隱含能耗分別為14.4，10.5，9.6GJ/m2，鋼結(jié)構(gòu)建筑的總能耗比混凝土建筑高50%，盡管后者的重量是前者的4倍，而這是因?yàn)殇摬氖悄茉疵芗筒牧?，在制造的過(guò)程中能耗更高。此外，研究還表明不同的施工方法對(duì)運(yùn)行能耗影響不大，鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的運(yùn)行能耗分別為21，21，20GJ/m2。

Xinying Cao比較了兩棟住宅的資源消耗、能源消耗和建筑垃圾排放[16]。這兩棟住宅面積相當(dāng)、層數(shù)相同，都為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由同一地產(chǎn)公司在同一地區(qū)（北京市房山區(qū)）建造。其中一棟為全現(xiàn)場(chǎng)施工，另外一棟選用材料的1/3為預(yù)制混凝土。結(jié)果表明，采用預(yù)制結(jié)構(gòu)的住宅與現(xiàn)場(chǎng)施工的住宅相比，總能耗減少了20.49%。預(yù)制結(jié)構(gòu)的使用對(duì)環(huán)境影響較小，減少了資源消耗35.82%、健康損害6.61%、生態(tài)系統(tǒng)損害3.47%。

John Quale等人比較了8個(gè)規(guī)模相同（均為186m2）且在同一地區(qū)建造的2層木框架房屋建造周期的溫室氣體排放量[26]，其中3個(gè)是模塊化施工，5個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)施工。模塊化施工案例的能耗計(jì)算包括材料數(shù)量、材料和勞動(dòng)力運(yùn)輸過(guò)程、工廠消耗的能量、模塊運(yùn)輸以及組裝過(guò)程中消耗的能量?，F(xiàn)場(chǎng)施工案例計(jì)算了材料數(shù)量、現(xiàn)場(chǎng)能耗，還考慮了材料和勞務(wù)運(yùn)輸過(guò)程中消耗的能量。溫室氣體排放的生命周期評(píng)估（LCA）分析結(jié)果顯示，與現(xiàn)場(chǎng)施工方式相比，模塊化施工對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較小，模塊化施工的住宅平均溫室氣體排放量比現(xiàn)場(chǎng)施工住宅減少了近6t的CO2當(dāng)量。

3.3 裝配式住宅模塊化體系的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

參數(shù)化設(shè)計(jì)是信息化時(shí)代建筑設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)，因此也被許多學(xué)者應(yīng)用于裝配式住宅模塊化中。值得一提的是，參考文獻(xiàn)中超過(guò)50%的參數(shù)化設(shè)計(jì)都采用了建筑信息模型（BIM）作為設(shè)計(jì)工具，這也證明了BIM是信息化時(shí)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)最重要的工具之一。

Ana de Almeida等人論述了基于遺傳算法的模塊化住宅自動(dòng)平面設(shè)計(jì)[31]。文章將住宅平面設(shè)計(jì)看作是一個(gè)具有固定尺寸和附加定位約束的二維單個(gè)大型物體布局問(wèn)題，提出了遺傳布局的編碼、算符和參數(shù)，得出了最終的參數(shù)化算法，該算法能夠生成符合所有設(shè)計(jì)和布置規(guī)則的房屋平面圖，可能的布局方案的數(shù)量由功能分區(qū)數(shù)量和它們的邊長(zhǎng)共同決定。

Manav Mahan Singh等人研究了基于模塊協(xié)調(diào)規(guī)則的BIM對(duì)象的開發(fā)方法，該方法允許設(shè)計(jì)者在模塊協(xié)調(diào)（MC）的規(guī)則內(nèi)創(chuàng)建模型[27]。設(shè)計(jì)者使用模塊協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)在模塊化框架中確定建筑對(duì)象的各種參數(shù)，并開發(fā)基于規(guī)則的BIM對(duì)象。模塊協(xié)調(diào)規(guī)則與BIM工具的集成不僅有利于強(qiáng)化設(shè)計(jì)過(guò)程，還可以自動(dòng)生成一些不需要設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的復(fù)雜建?；蛭臋n活動(dòng)。全文以住宅設(shè)施為例，論述了BIM軟件使用模塊協(xié)調(diào)規(guī)則進(jìn)行定制建模的方法。

Alwisy等人探究了借助BIM軟件為住宅構(gòu)件工廠自動(dòng)設(shè)計(jì)和生成構(gòu)件圖紙的方法[28]。第一階段為基于方案設(shè)計(jì)的BIM模型的生成，包括：將生產(chǎn)線分為墻、窗戶、門、連接、陽(yáng)臺(tái)和走廊組；為每面墻設(shè)計(jì)開口和連接，并生成BIM。第二階段為基于模塊化制造BIM的生成，包括：使用內(nèi)墻作為隔離墻將平面劃分為模塊；生成由每個(gè)模塊邊界定義的地面元素和升級(jí)的BIM。第三階段為詳細(xì)的車間圖紙生成，包括：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整墻壁厚度；調(diào)整墻壁長(zhǎng)度以便根據(jù)框架方法生成準(zhǔn)確的連接；分析每個(gè)模塊并構(gòu)建其框架和生成車間的圖紙和估算清單。

4 裝配式住宅模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)踐案例

4.1 曼哈頓堆棧公寓

近年來(lái)紐約出現(xiàn)了不少用PMC方法建造的公寓樓，這其中的主要原因是紐約有著高昂的人工價(jià)格和高密度的城市空間。建造商為了節(jié)省人工成本、減少場(chǎng)地占用和縮短工期，不得不選用這種高效率的建造方式。曼哈頓堆棧公寓是紐約第一個(gè)PMC建筑，是一棟位于紐約曼哈頓上城的7層公寓項(xiàng)目，擁有28個(gè)住宅單元，于2013年竣工。曼哈頓堆棧公寓采用簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的設(shè)計(jì)，在可能的范圍內(nèi)將建筑材料利用率提到最高。

該項(xiàng)目需要制造、運(yùn)輸和組裝56個(gè)模塊，模塊尺寸和重量由運(yùn)輸和起重機(jī)上限決定。模塊由賓夕法尼亞州貝里克的DeLuxe Building Systems建造，之后被運(yùn)往紐約并堆放在鋼架平臺(tái)上。在運(yùn)輸過(guò)程中，需要特別注意模塊的剛性和穩(wěn)定性。模塊之間連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)也非常重要，連接點(diǎn)必須設(shè)置在工人最易接近的位置，最大程度地減少需通過(guò)已經(jīng)安裝好的墻壁和天花板連接位置的可能。當(dāng)模塊被提升到定位好的連接點(diǎn)后，工人用螺栓固定或焊接的方式將兩個(gè)模塊連接起來(lái)。曼哈頓堆棧公寓的56個(gè)模塊使用了19天的時(shí)間安裝完畢，這個(gè)過(guò)程只需要1臺(tái)起重機(jī)和14名工人。

Ryan E.Smith等人的研究顯示，該公寓的模塊制造成本為540萬(wàn)美元，其他費(fèi)用共計(jì)730萬(wàn)美元，從設(shè)計(jì)到建成總共歷時(shí)20個(gè)月，施工總共花費(fèi)了10個(gè)月，其中模塊制作耗時(shí)4個(gè)月。與傳統(tǒng)建造方式相比，節(jié)省成本10%，縮短工期25%。此外，在現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)工期極為緊張的情況下，工程曾因?yàn)楸ｋU(xiǎn)手續(xù)的問(wèn)題造成了延期，這也說(shuō)明在施工中忽略任何一個(gè)小細(xì)節(jié)都有可能導(dǎo)致整個(gè)工程進(jìn)度延遲，因此在模塊化建造過(guò)程中，各參與方的信息交流尤為重要。

4.2 南洋理工大學(xué)北山學(xué)生公寓

近年來(lái)新加坡開始大力推廣廂式預(yù)制裝配系統(tǒng)（PPVC），從2014年開始使用的PPVC施工法成為土地出讓的條件之一，新加坡建筑和建造管理局（BCA）建立了驗(yàn)收框架來(lái)認(rèn)證每個(gè)PPVC供應(yīng)商和制造商，以確保在指定開發(fā)地點(diǎn)使用的不同PPVC系統(tǒng)可靠、耐用[9]。在PPVC施工法中，整間房間的結(jié)構(gòu)與裝修（包括地面、墻面、吊頂?shù)龋┍灰暈楠?dú)立模塊，在工廠預(yù)制之后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝。PPVC模塊分為鋼筋混凝土PPVC模塊和鋼結(jié)構(gòu)PPVC模塊，由于運(yùn)輸需要，PPVC模塊高度必須小于4.5m，寬度不大于3.4m，重量小于80t。這樣的尺度非常適合應(yīng)用于居住單元，新加坡最早建成的PPVC建筑主要是宿舍和酒店。

南洋理工大學(xué)北山學(xué)生公寓于2017年建成，建筑分為6個(gè)組團(tuán)，共計(jì)13層，其中有1 580間單人宿舍和66間公寓。其核心筒以及部分功能空間采用現(xiàn)場(chǎng)施工的方式，大部分居住模塊使用了PPVC模塊。公寓的建設(shè)使用了1 200個(gè)鋼結(jié)構(gòu)PPVC模塊，單人宿舍模塊使用了水泥樓板，公寓模塊使用了輕質(zhì)混凝土樓板。在整個(gè)公寓的施工過(guò)程中，減少了20%的人力需求，提高了40%的生產(chǎn)力。

項(xiàng)目建造使用的PPVC模塊首先在中國(guó)生產(chǎn)，主要包括模塊的框架、地面（包含地磚）、窗戶、內(nèi)門的框架以及內(nèi)隔墻。隨后整個(gè)模塊被運(yùn)送至新加坡的工廠，用1～2周的時(shí)間安裝電線、水管、開關(guān)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、廁所地面和門等。最后模塊被運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)安裝，每天能夠安裝6～8個(gè)模塊，在模塊連接好之后，才能將排水管與下方的模塊進(jìn)行連接。直至所有的水電管線以及機(jī)械設(shè)備都安裝、連接完成，鋪上走廊地磚后，整個(gè)安裝工程才算完成。

PPVC施工法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高資源利用效率，使建筑浪費(fèi)最小化，減少現(xiàn)場(chǎng)承包商，縮短施工工期，節(jié)省勞動(dòng)力。同時(shí)有三點(diǎn)挑戰(zhàn)：1）成本過(guò)高，尚未規(guī)模化生產(chǎn)導(dǎo)致制造成本過(guò)高，而大體積的模塊使運(yùn)輸成本過(guò)高；2）對(duì)設(shè)計(jì)和管理的精確度要求較高，一旦設(shè)計(jì)定稿就很難再任意修改，否則會(huì)造成不必要的構(gòu)件浪費(fèi)；3）由于運(yùn)輸條件的限制，構(gòu)建大跨度模塊仍然具有挑戰(zhàn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著裝配式住宅的推廣和普及，模塊化設(shè)計(jì)作為一種有效的裝配式住宅設(shè)計(jì)方法也在快速發(fā)展。經(jīng)過(guò)對(duì)近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)的綜述和案例分析，梳理當(dāng)下的裝配式住宅模塊化體系研究和實(shí)踐，結(jié)論如下：

（1）從當(dāng)下的研究和實(shí)踐來(lái)看，近年來(lái)PPVC及類似方法被較多地應(yīng)用于集合公寓的建設(shè)上，這是與當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境相匹配的建造方法。我國(guó)目前已經(jīng)具備制造PPVC模塊的能力，同時(shí)也是世界上集合住宅建設(shè)量最大的國(guó)家，采用此類模塊化建設(shè)方法容易形成規(guī)模效應(yīng)，降低成本，工廠化的建造方式也便于質(zhì)量控制。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，PPVC工法比當(dāng)下主流的裝配式住宅建設(shè)模式更適合我國(guó)。

（2）可持續(xù)是裝配式建造的特征之一，也是各國(guó)大力發(fā)展裝配式住宅的原因之一。然而，對(duì)業(yè)界而言，裝配式建造的可持續(xù)性尚需可靠的定量分析和結(jié)果支撐。目前的研究成果表明，相較于傳統(tǒng)施工方法，裝配式住宅在建造階段對(duì)環(huán)境影響較小，但針對(duì)建筑物其他生命周期的研究尚不夠全面和完善，無(wú)法有效地論證裝配式住宅的可持續(xù)性，未來(lái)的研究需要在這些方面進(jìn)一步深入。

1 曼哈頓堆棧公寓外景

2 曼哈頓堆棧公寓模塊結(jié)構(gòu)示意

3 南洋理工大學(xué)北山學(xué)生公寓鋼結(jié)構(gòu)模塊示意

4 南洋理工大學(xué)北山學(xué)生公寓模塊連接點(diǎn)示意

5 南洋理工大學(xué)北山學(xué)生公寓模塊安裝過(guò)程

（3）參數(shù)化設(shè)計(jì)是當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)，在裝配式住宅模塊化設(shè)計(jì)領(lǐng)域也不例外。從現(xiàn)有研究來(lái)看，當(dāng)前的應(yīng)用多為使用系統(tǒng)的方法（算法）處理設(shè)計(jì)深化過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)字化信息。參數(shù)化設(shè)計(jì)中使用的方法（算法）是決定參數(shù)化設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵，要開發(fā)適合的方法（算法）需要設(shè)計(jì)師使用數(shù)學(xué)邏輯剖析模塊化設(shè)計(jì)問(wèn)題，尋找一條與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯完全不同的設(shè)計(jì)思路。

課題組成員：湯朔寧、孫彤宇、許凱

圖片來(lái)源

圖1來(lái)源于文獻(xiàn)[39]，圖5來(lái)源于文獻(xiàn)[38]；圖2～4為作者自繪。