胡向磊 王威

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

模塊化盒子空間是現(xiàn)場(chǎng)吊裝搭接而成的標(biāo)準(zhǔn)化裝配單元，具有裝配集成度高、施工周期短等優(yōu)勢(shì)。加拿大Habitat 67、日本中銀膠囊旅館等都是其早期典型建筑。近年來“模塊盒子”的概念在歐美、新加坡、日本等一些高層住宅項(xiàng)目中繼續(xù)得以運(yùn)用；而我國裝配式高層住宅多為預(yù)制墻板和現(xiàn)澆樓板組合，面對(duì)復(fù)雜的居住需求，急需進(jìn)一步豐富裝配技術(shù)建造方式。本文旨在通過介紹近期國外高層裝配式住宅中模塊盒子空間的實(shí)現(xiàn)方法，提供具有參考價(jià)值的因地制宜的建造思路。

1 兩種模塊概念模式

新加坡Clement Canopy高層住宅和瑞典Norra Tornen高層住宅雖然都是模塊盒子單元的組合重復(fù)，但是建造技術(shù)存在較大區(qū)別。Clement Canopy住宅是典型的“樂高風(fēng)格”模塊化盒子建造方式，而Norra Tornen住宅則更注重盒子立面的變化，通過預(yù)制混凝土板拼裝實(shí)現(xiàn)盒子空間的疊加。

1.1 Clement Canopy住宅

Clement Canopy住宅是位于新加坡的一棟高140m的住宅塔樓，于2019年竣工，是迄今為止用模塊混凝土建造的最高住宅，其運(yùn)用的PPVC（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction）體系是新加坡廣泛采用的模塊化住宅生產(chǎn)建造模式——住宅單元在工廠完成主體結(jié)構(gòu)、固定裝置、內(nèi)裝設(shè)備等模塊安裝，然后現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工（圖1，2）。PPVC工業(yè)化流程分為設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段、運(yùn)輸?shù)跹b階段以及維護(hù)檢修階段三個(gè)階段，每一階段均有完備的規(guī)范要求與技術(shù)要求。其中，設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段的調(diào)控決定了PPVC體系在全生命周期內(nèi)的建造運(yùn)營質(zhì)量。

PPVC主要分為混凝土結(jié)構(gòu)模塊與鋼結(jié)構(gòu)模塊?；炷两Y(jié)構(gòu)模塊的墻板與樓板均為鋼筋混凝土材料；鋼結(jié)構(gòu)模塊由輕鋼框架支撐，墻板與樓板分別為輕型板材與疊合樓板，相較于混凝土模塊單元更為輕質(zhì)，但需考慮結(jié)構(gòu)與墻板防火設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段，單元布局與PPVC模塊化同時(shí)進(jìn)行，單元的結(jié)構(gòu)、尺寸、重量和運(yùn)輸便利性都會(huì)影響模塊化程度，需要通過適當(dāng)?shù)那捌谝?guī)劃，將PPVC模塊整合到設(shè)計(jì)布局中[1]（圖3）。在新加坡，包括Clement Canopy住宅在內(nèi)的很多住宅工程都采用了混凝土結(jié)構(gòu)模塊，模塊化盒子大約85%在建造現(xiàn)場(chǎng)外完成，通過中央材料和物流平臺(tái)，能夠減少現(xiàn)場(chǎng)70%的廢物，較傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式更加環(huán)保[2]。

Clement Canopy住宅由1 866個(gè)PPVC模塊組件現(xiàn)場(chǎng)直接裝配完成，模塊根據(jù)平面布局進(jìn)行配置。為便于生產(chǎn)，模塊幾何形狀進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，其數(shù)量根據(jù)住宅單元類型的不同而調(diào)整，并按照戶型要求產(chǎn)生若干種模塊組合形式，以滿足不同居住需要。建造過程中，模塊單元吊裝與混凝土核心筒建造同時(shí)進(jìn)行，保證結(jié)構(gòu)的整體受力性能。模塊連接對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，連接構(gòu)件直接影響建筑剛度以及風(fēng)、地震荷載等影響下的穩(wěn)定性[3]。由于新加坡并不在地震帶上，模塊之間的連接僅依靠水平或垂直連接構(gòu)件，而對(duì)于多地震國家，此種連接方式是否具有可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)算或試驗(yàn)（圖4，5）。

1 新加坡Clement Canopy 高層住宅

2 新加坡Clement Canopy 高層住宅

3 新加坡Clement Canopy 住宅模塊示意

4 新加坡Clement Canopy 住宅模塊連接構(gòu)造

5 新加坡Clement Canopy 住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面

6 瑞典Norra Tornen 高層公寓

7 瑞典Norra Tornen 高層公寓

8 瑞典Norra Tornen 住宅模塊單元

9 瑞典Norra Tornen 住宅平面與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 Norra Tornen住宅

Norra Tornen住宅位于瑞典，由OMA設(shè)計(jì)，包括高125m的Innovationen和高110m的Helix兩座塔樓，分別在2018年和2020年竣工。住宅由預(yù)制外露的混凝土構(gòu)件拼裝組成小進(jìn)深、大開間的單元盒子模塊，通過向外凸出的居住空間及向內(nèi)凹進(jìn)的戶外空間交替變化布局，形成高低起伏的外觀（圖6，7）。Norra Tornen住宅獨(dú)特的錯(cuò)位疊加空間對(duì)結(jié)構(gòu)提出了很高要求，根據(jù)當(dāng)?shù)毓I(yè)化條件，采用了預(yù)制墻板拼接方案（圖8）。鋼筋混凝土核心筒布置是其抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，作為建筑的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，住宅核心筒從底層一直延伸到頂層，并連接預(yù)制混凝土墻。單元盒子兩側(cè)剪力墻連接到混凝土核心筒，以增加短邊方向的剛度[4]。

Norra Tornen住宅外立面采用懸臂墻的盒形設(shè)計(jì)，周邊墻作為外立面懸臂墻的支撐。結(jié)構(gòu)體系依據(jù)歐洲Eurocode 8規(guī)范，同時(shí)由于瑞典很少發(fā)生破壞性地震，這也為模塊化盒子在高層建筑上的運(yùn)用提供了更多可能性。除了核心筒和剪力墻之外，平面內(nèi)部及周邊柱子也是荷載傳力路徑（圖9）。樓面采用疊合樓板，底部為預(yù)制鋼筋混凝土樓板，上部是現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

2 建設(shè)模式比較

2.1 單元模塊設(shè)計(jì)

Clement Canopy住宅與Norra Tornen住宅在單元模塊設(shè)計(jì)策略上有所不同，反映在模塊實(shí)現(xiàn)手段上的差異。受平面布局及運(yùn)輸尺寸的影響，Clement Canopy住宅對(duì)模數(shù)及尺度的控制更為嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)化房間多以規(guī)則模塊形式吊裝，以實(shí)現(xiàn)合理的單元布局和標(biāo)準(zhǔn)施工；而在北歐住宅日照均衡是設(shè)計(jì)的重要因素，因此Norra Tornen采用板材現(xiàn)場(chǎng)拼裝，通過懸挑墻突出立面箱形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同模塊上下錯(cuò)位搭接，在豐富建筑形態(tài)的同時(shí)，創(chuàng)造出每個(gè)單元的個(gè)性化戶外空間。

2.2 模塊連接設(shè)計(jì)

Clement Canopy住宅模塊之間的連接僅依靠水平或垂直連接構(gòu)件搭接得以實(shí)現(xiàn)，包括外部端板連接、梁端長螺栓連接以及豎向加筋連接等形式，保證了模塊住宅建筑的整體受力性能，避免模塊間的漏水問題等。Norra Tornen住宅的意義更多體現(xiàn)在模塊空間組合上，結(jié)構(gòu)上通過剪力墻、柱子與混凝土核心筒共同組成受力體系。

10 英國Mapleton Crescent 高層公寓

11 英國Mapleton Crescent 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

12 美國461 Dean 高層公寓

13 美國461 Dean 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

14 港南路公租房高層住宅

15 港南路公租房標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

除了以上兩項(xiàng)工程外，其他國家也有高層模塊盒子的建造實(shí)踐。這些項(xiàng)目充分發(fā)揮了裝配模塊建造速度快、對(duì)城市環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)具有挑戰(zhàn)性的建造高度，在設(shè)計(jì)、施工方面提出相應(yīng)的解決辦法，如英美采用模塊化鋼結(jié)構(gòu)盒子與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)合的方法。英國倫敦的27層Mapleton Crescent住宅是歐洲最高的模塊化住宅（圖10，11），采用了鋼結(jié)構(gòu)盒子與鋼筋混凝土核心筒共同組成結(jié)構(gòu)體系，盒子模塊互相支撐而不需框架[5]；美國紐約的32層461 Dean住宅是目前世界最高的模塊建筑（圖12，13），采用鋼框架—混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，模塊化盒子不僅互相支撐，而且與主體結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系。

3 對(duì)我國裝配技術(shù)的啟示

歷史上，我國在模塊化技術(shù)上也積累過一些經(jīng)驗(yàn)，如中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院在20世紀(jì)70年代末就開始研究多層盒子結(jié)構(gòu)住宅體系，并且在北京、南通等地陸續(xù)試建了一些盒子房屋；近些年，長沙新方舟賓館、雄安市民中心等公共建筑實(shí)踐也逐漸完備了模塊化技術(shù)體系。隨著裝配住宅的推廣，高層住宅模塊化技術(shù)在我國也有新的實(shí)踐契機(jī)。2012年鎮(zhèn)江港南路公租房小區(qū)成為我國落地的首個(gè)高層模塊化建筑體系項(xiàng)目（圖14），小區(qū)包括10幢18層公租房，每幢樓由324個(gè)模塊組成，模塊是由鋼密柱墻體和混凝土樓板等構(gòu)件及吊頂、內(nèi)裝等共同組成的三維空間承重結(jié)構(gòu)單元，單元最寬4.5m，最長8m[6]（圖15）。此外也有南京仙林湖11層商品住宅、泰興吾悅廣場(chǎng)17層商品住宅等項(xiàng)目建成，這些項(xiàng)目吸收歐洲專利技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)研發(fā)、體系優(yōu)化、技術(shù)改型等手段，拓展了工業(yè)化住宅技術(shù)類型。

目前，高層建筑模塊化技術(shù)在我國雖然仍會(huì)面臨一些因素的限制[7]，如多數(shù)地區(qū)缺乏管線設(shè)備、內(nèi)裝工程等完善的產(chǎn)業(yè)鏈，模塊化盒子造價(jià)仍較為昂貴，缺乏設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)等，但全社會(huì)對(duì)發(fā)展裝配技術(shù)已形成基本共識(shí)，集成度高、低碳的模塊化體系技術(shù)缺項(xiàng)在不斷補(bǔ)充。如中國建筑設(shè)計(jì)研究院等單位編制《箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑技術(shù)規(guī)程》自2020年4月1日開始施行，規(guī)程旨在規(guī)范箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑設(shè)計(jì)、模塊制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝、質(zhì)量驗(yàn)收、維護(hù)與管理等工程技術(shù)要求。結(jié)構(gòu)體系上，規(guī)程通過對(duì)不同抗震設(shè)防烈度、不同高度等工況下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行分析，提出箱式模塊建筑結(jié)構(gòu)體系適用建筑高度范圍。我國地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、范圍廣，屬于地震活躍地區(qū)，從經(jīng)驗(yàn)來看，高層模塊化建筑主要是鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊與鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)為主，但規(guī)程因箱式模塊—混凝土筒體（剪力墻）結(jié)構(gòu)體系裝配效率與箱式模塊不匹配暫未涉及。

模塊建筑體系代表了世界上最先進(jìn)的住宅設(shè)計(jì)和建造水平，也是目前國際上最先進(jìn)的住宅產(chǎn)業(yè)化建筑模式。國外大多應(yīng)用于非抗震區(qū)，在抗震區(qū)尚存在技術(shù)依據(jù)不足、經(jīng)驗(yàn)欠缺等問題，即使技術(shù)成熟度較高的體系，引進(jìn)我國后仍需進(jìn)行抗震改型和改型后的抗震性能研究。但裝配盒子帶來的資源集約和低碳建造模式，使得其具有很強(qiáng)的競爭力和發(fā)展前景，符合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整大方向，是建筑行業(yè)值得探索的前沿科技。

圖片來源

圖1，2，6，7，10，12 來源于網(wǎng)絡(luò)；其余圖片為作者自繪或自攝。