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        基于箱式房預(yù)制體系的裝配式建筑設(shè)計(jì)與建造教學(xué)實(shí)踐*
        ——以SDC2021參賽作品Aurora為例

        2022-11-11 09:35:46蘇州大學(xué)金螳螂建筑學(xué)院韓冬辰王思寧易予恬劉思潔趙無極
        城市建筑空間 2022年10期
        關(guān)鍵詞:箱式工種表皮

        文/蘇州大學(xué)金螳螂建筑學(xué)院 韓冬辰 王思寧 易予恬 劉思潔 趙無極 葉 凡

        1 競賽與作品概況

        作為國內(nèi)建筑類專業(yè)最高水平的設(shè)計(jì)與建造賽事,中國國際太陽能十項(xiàng)全能競賽(Solar Decathlon China,SDC)要求參賽團(tuán)隊(duì)以大學(xué)生為主體,策劃、設(shè)計(jì)、建造并最終運(yùn)行一棟由太陽能作為唯一供能方式的住宅建筑。SDC競賽規(guī)則要求參賽團(tuán)隊(duì)在3周內(nèi)完成建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖通與智能化等多工種的建造與調(diào)試任務(wù),隨后進(jìn)行包括設(shè)計(jì)、工程、市場、能效、舒適性、太陽能等10項(xiàng)指標(biāo)在內(nèi)的全面評價(jià)[1]。無論是宣傳推廣、贊助談判等前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié),還是設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行測試等正式評比內(nèi)容,對參賽團(tuán)隊(duì)各專業(yè)學(xué)生而言均是一場專業(yè)技能與綜合素養(yǎng)相結(jié)合的全方位考驗(yàn)。

        2021年中國國際太陽能十項(xiàng)全能競賽于8月下旬在河北張家口德勝村正式開賽。經(jīng)過20d緊張的現(xiàn)場作業(yè),“丹麥科技大學(xué)—蘇州大學(xué)”聯(lián)合賽隊(duì)的參賽作品“極光之家Aurora”順利竣工。Aurora是根據(jù)北歐流行的兩代人居所概念設(shè)計(jì)的1層獨(dú)立式住宅(見圖1),建筑面積145m2,共設(shè)有3室3廳2衛(wèi),包含1套青年夫婦與孩子居住的住宅(2室2廳1衛(wèi)),1套老年夫婦居住的住宅(1室1廳1衛(wèi))以及2套住宅共用的戶外休閑平臺(見圖2)。其中較小的第2套住宅可根據(jù)住戶使用需求改造為工作室、娛樂室等其他功能空間。作為由太陽能供能的住宅類建筑,Aurora追求套型設(shè)計(jì)的居住舒適性和功能靈活性,同時(shí)倡導(dǎo)可持續(xù)理念的建筑低碳化。

        1Aurora建成實(shí)景

        2Aurora平面

        2 面向SDC競賽的課程教學(xué)

        根據(jù)聯(lián)合賽隊(duì)兩校間的合作計(jì)劃,Aurora由丹麥科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成前期概念方案設(shè)計(jì),后由蘇州大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成從深化設(shè)計(jì)到建造調(diào)試的后續(xù)所有環(huán)節(jié)。圍繞競賽的具體要求,教師團(tuán)隊(duì)從建筑設(shè)計(jì)與建造的教學(xué)特點(diǎn)出發(fā),定制適配學(xué)生團(tuán)隊(duì)在正常學(xué)期和暑假期間的小組式課程,如圖3所示。

        3面向SDC競賽的課程教學(xué)示意

        1)建筑師負(fù)責(zé)制下的全生命周期管理模式系列課程 旨在讓學(xué)生了解目前建筑業(yè)轉(zhuǎn)型背景與國家推行建筑師負(fù)責(zé)制的行業(yè)政策導(dǎo)向,并從包含策劃與設(shè)計(jì)、制造與建造、運(yùn)營與維護(hù),以及改造與拆除等多階段和設(shè)計(jì)院、施工隊(duì)、供應(yīng)商、開發(fā)商、監(jiān)管部門等多方參與的視角出發(fā),學(xué)習(xí)建筑項(xiàng)目的全生命周期管理模式,從而意識到建筑師職責(zé)轉(zhuǎn)變?yōu)椤绊?xiàng)目設(shè)計(jì)、施工管理和質(zhì)保跟蹤”的重要性[2]。

        2)面向建筑工業(yè)化的預(yù)制裝配技術(shù)系列課程 以主體材料(預(yù)制混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)與膜結(jié)構(gòu)等)與裝配系統(tǒng)(板式、框式、箱體式與復(fù)合式等)所構(gòu)成的預(yù)制裝配體系為主線[3],分工廠預(yù)制與現(xiàn)場裝配2個(gè)方面介紹預(yù)制裝配的工業(yè)化施工方法,讓學(xué)生了解具有成本降低、工期縮短、人力節(jié)省、品質(zhì)提升和環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢的預(yù)制裝配技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

        3)基于BIM技術(shù)的多專業(yè)協(xié)同方法系列課程 建筑信息模型技術(shù)旨在基于構(gòu)件級別的虛擬建造來實(shí)現(xiàn)建筑多階段、多專業(yè)的信息協(xié)同,故其與前兩部分課程全生命周期管理模式與預(yù)制裝配技術(shù)的內(nèi)涵邏輯相契合[4]。課程分別從協(xié)同流程與應(yīng)用軟件2個(gè)方面展開教學(xué),使學(xué)生掌握面向多專業(yè)協(xié)同的工作模式與設(shè)計(jì)方法,以及包括Revit、Navisworks等在內(nèi)的BIM軟件系列,從而為學(xué)生分專業(yè)對接相關(guān)工種的工廠預(yù)制與現(xiàn)場裝配等建造活動奠定基礎(chǔ)。

        3 Aurora的設(shè)計(jì)與建造實(shí)踐

        3.1 深化設(shè)計(jì)

        SDC賽事規(guī)定的20d現(xiàn)場建造工期對Aurora團(tuán)隊(duì)來說是相當(dāng)大的挑戰(zhàn),面向快速建造的預(yù)制裝配技術(shù)已成為必選方案。團(tuán)隊(duì)綜合考慮預(yù)制周期、造價(jià)成本與主贊助商的技術(shù)實(shí)力,決定采用箱式房預(yù)制體系進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。箱式房的全稱為裝配式模塊化箱式房屋,又被稱作集裝箱房或盒子建筑,是以鋼結(jié)構(gòu)箱體為基本模塊組合而成的裝配式建筑[5]。箱式房預(yù)制體系的主要特征是模數(shù)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件與工業(yè)化生產(chǎn)[6]。不同于以標(biāo)準(zhǔn)海運(yùn)集裝箱為模塊的傳統(tǒng)集裝箱房,箱式房預(yù)制體系可根據(jù)定制化設(shè)計(jì)進(jìn)行工廠批量化生產(chǎn),并通過多樣化組合形成豐富的造型與空間。

        建筑師負(fù)責(zé)制導(dǎo)向下的裝配式建筑設(shè)計(jì)與建造需要Aurora團(tuán)隊(duì)承擔(dān)總包職能管理門類繁多的分包體系,對多階段、多供應(yīng)商的協(xié)同提出較高要求。團(tuán)隊(duì)在深化設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑全生命周期管理,基于精細(xì)化建模與可視化模擬對各供應(yīng)商的各類信息進(jìn)行協(xié)同,進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段解決建造階段可能出現(xiàn)的問題(見圖4)。

        4全專業(yè)BIM模型

        團(tuán)隊(duì)將Aurora從下至上分為混凝土基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、箱式房主體、竹屋架及光伏屋面共5個(gè)分系統(tǒng),分別由不同隊(duì)員對接相應(yīng)的供應(yīng)商進(jìn)行深化設(shè)計(jì)以及后續(xù)的生產(chǎn)與安裝。所有分系統(tǒng)均遵循統(tǒng)一的模數(shù)與定位邏輯,不同分系統(tǒng)間設(shè)計(jì)有裝配誤差冗余以解決構(gòu)件形變導(dǎo)致的安裝問題。針對最主要的箱式房主體部分,團(tuán)隊(duì)通過水平向的模塊劃分設(shè)計(jì),將U形體量建筑劃分為5個(gè)模塊,以契合板車運(yùn)輸與現(xiàn)場吊裝對尺寸和重量的要求(見圖5)。

        5箱式房模塊劃分示意

        3.2 工廠預(yù)制

        箱式房分系統(tǒng)作為Aurora工廠預(yù)制的重點(diǎn),集成建筑、結(jié)構(gòu)以及水電暖等諸多工種,在工序安排、人力組織、建材和器械調(diào)配等方面較為復(fù)雜。團(tuán)隊(duì)將箱式房的工廠預(yù)制作業(yè)合理分配給賽隊(duì)學(xué)生和專業(yè)工人,學(xué)生主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)對接、過程監(jiān)督和質(zhì)量校驗(yàn)等輔助工作。在諸多工種的預(yù)制作業(yè)中,考慮到表皮的建造與參數(shù)化設(shè)計(jì)緊密結(jié)合,決定由學(xué)生進(jìn)行竹木飾面板的加工與拼裝。在通過動手實(shí)踐提升學(xué)生對節(jié)點(diǎn)、材料和工具等建造認(rèn)知的同時(shí),也可輔助專業(yè)施工隊(duì)專注于技術(shù)需求更高的工種作業(yè),從而提升箱式房主體的工廠預(yù)制效率。

        為進(jìn)一步縮短箱式房主體的工廠預(yù)制周期,團(tuán)隊(duì)針對箱式房模塊安排“鋼結(jié)構(gòu)→墻體→其他工種”的作業(yè)順序。給排水、強(qiáng)弱電、空調(diào)新風(fēng)、室內(nèi)裝修、門窗幕墻、立面表皮和屋面防水等室內(nèi)外各工種可實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)。同步作業(yè)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是箱式房圍護(hù)墻體與屋面構(gòu)造的一致性。如圖6所示,填塞巖棉的鋼框架與XPS保溫板構(gòu)成墻體核心,內(nèi)外歐松板分別成為室內(nèi)和室外各工種作業(yè)的基礎(chǔ)面。

        6箱式房墻體構(gòu)造示意

        3.3 現(xiàn)場裝配

        針對箱式房體系的模塊化特點(diǎn),團(tuán)隊(duì)不僅設(shè)計(jì)了現(xiàn)場裝配工序,而且合理規(guī)劃了從工廠預(yù)制到現(xiàn)場裝配期間的諸多環(huán)節(jié),包括打包裝車、交通運(yùn)輸與吊裝卸貨等。Aurora的現(xiàn)場裝配同樣強(qiáng)調(diào)學(xué)生的高度參與。除去專業(yè)性較強(qiáng)的水電和暖通工種,學(xué)生廣泛參與到結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝、表皮、光伏、景觀等專業(yè)的施工作業(yè)中,如物料分類與堆放管理、基礎(chǔ)放線與法蘭調(diào)平、參數(shù)化表皮裝配、屋頂竹結(jié)構(gòu)與光伏板安裝等(見圖7~10)。學(xué)生在此過程中充分理解設(shè)計(jì)圖紙與建造實(shí)物的區(qū)別并明確建造手段對于把控設(shè)計(jì)品質(zhì)的重要性[7]。

        7物料分類管理

        8基礎(chǔ)放線與法蘭調(diào)平

        9參數(shù)化表皮裝配

        10屋頂竹木結(jié)構(gòu)與光伏板安裝

        由于工期緊張,參數(shù)化表皮并未在工廠完成全部安裝工作。由不同角度墊塊與不同長度竹飾面板形成的波浪起伏形態(tài)(見圖11),給現(xiàn)場裝配帶來定位和校準(zhǔn)方面的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)采用基于HoloLens設(shè)備的混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality)技術(shù),將參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)模型投影于建筑立面龍骨位置(見圖12),從而實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的定位匹配和場景融合[8]。如圖13所示,得益于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用,若干學(xué)生便可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)表皮的快速裝配。

        11不同規(guī)格墊塊和竹木飾面板形成的立面表皮

        12基于MR技術(shù)的模型與現(xiàn)場施工

        13參數(shù)化表皮的波浪起伏效果

        4 結(jié)語

        在德勝村競賽現(xiàn)場,團(tuán)隊(duì)僅依靠少量專業(yè)工人與十多位本科學(xué)生便完成Aurora的整體建設(shè)。針對SDC賽事特點(diǎn)和團(tuán)隊(duì)技術(shù)能力作出關(guān)于裝配體系的合理選擇,是實(shí)現(xiàn)Aurora低成本、短周期、高品質(zhì)設(shè)計(jì)與建造的關(guān)鍵。箱式房預(yù)制體系可最大程度地實(shí)現(xiàn)各工種作業(yè)的工廠化并減少現(xiàn)場裝配的工程量,高度適配獨(dú)立式住宅的快速建造需求。

        Aurora項(xiàng)目極大提升了學(xué)生的多專業(yè)協(xié)同意識。通過深化設(shè)計(jì)、工廠預(yù)制與現(xiàn)場裝配等環(huán)節(jié)的鍛煉,既使學(xué)生獲得建筑實(shí)踐方面的知識與技能,又使學(xué)生深刻理解制造與裝配環(huán)節(jié)對于前期方案設(shè)計(jì)的重要性。在建筑師負(fù)責(zé)制背景下,基于Aurora的設(shè)計(jì)與建造的教學(xué)實(shí)踐對培養(yǎng)學(xué)生的建筑全生命周期管理能力具有重要意義。

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