李任戈 喬永強(qiáng) 李志禹 溫慶年

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鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑是一種新興的建筑結(jié)構(gòu)體系，具有較高的裝配化與預(yù)制化程度，同建筑行業(yè)的工業(yè)化及綠色發(fā)展要求相符。傳統(tǒng)的建筑業(yè)施工周期長、能耗大、建筑垃圾較多，有待改革，建筑工業(yè)化發(fā)展勢(shì)在必行。當(dāng)前，工業(yè)化建筑主要有預(yù)制混凝體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，其中，鋼結(jié)構(gòu)體系抗震性能良好，材料循環(huán)使用率較高，且空間布置靈活，其應(yīng)用范圍正在不斷拓展[1-2]。比起傳統(tǒng)的建造方式，鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑有著建造速度快、質(zhì)量好、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。本文簡述鋼結(jié)構(gòu)住宅與模塊化設(shè)計(jì)的基本概述，探討鋼結(jié)構(gòu)住宅中模塊化設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用思路，以期為鋼結(jié)構(gòu)模塊化住宅的設(shè)計(jì)提供一定的參考，進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)模塊化住宅的大眾認(rèn)可度。

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本概述

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的概念

模塊化設(shè)計(jì)是一種著眼于建筑系統(tǒng)整體，對(duì)功能進(jìn)行分解和組合、由總而細(xì)且自上而下的設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)能夠借助一系列的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，讓建筑系統(tǒng)整體變得更為靈活、有序，有助于提高住宅品質(zhì)[3-4]。裝配式住宅有著漫長的發(fā)展歷史，形成SAR體系、中國百年住宅體系等多種住宅體系，這些住宅體系中都蘊(yùn)含著明顯的模塊化思想。例如，中國百年住宅體系是一種將全生命周期理念為基礎(chǔ)，以建造可持續(xù)居住的人居環(huán)境為目標(biāo)的一套住宅體系。該住宅體系能夠有效提高住宅的整體價(jià)值，可推動(dòng)建設(shè)產(chǎn)業(yè)化、綠色低碳化、建筑長壽化的實(shí)現(xiàn)。建設(shè)產(chǎn)業(yè)化的核心在于發(fā)展裝配式住宅，利用科學(xué)的管理與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來落實(shí)，想要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需始終堅(jiān)持貫徹落實(shí)模塊化思想[5]。建筑的長壽性受許多因素影響，需注重提高主體耐久性，內(nèi)裝會(huì)因人們的需求轉(zhuǎn)變、時(shí)間推移等原因而發(fā)生變化，想要提升主體耐久性應(yīng)積極研究住宅單一部品，從而提高部品性能，發(fā)揮出部品的可替代性，完成住宅的靈活多變。針對(duì)通用化部品，相關(guān)人員也可通過模塊化手法對(duì)其進(jìn)行拆分研究，以便實(shí)現(xiàn)使用目標(biāo)。

1.2 模塊化建筑思想解析

20世紀(jì)50年代，歐美發(fā)達(dá)國家提出模塊化設(shè)計(jì)這一產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，該方法能夠有效緩解產(chǎn)品需求多樣化、成本控制及批量生產(chǎn)速度間的矛盾。隨著時(shí)間的推移，模塊化設(shè)計(jì)逐漸朝著方法論的方向發(fā)展，并對(duì)建筑、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域形成了一定的影響[6,7]。人們普遍認(rèn)為，模塊化是一個(gè)把復(fù)雜系統(tǒng)拆分為獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)的一個(gè)過程，在遵守共同規(guī)則的前提下，各個(gè)模塊能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)。我國的專家學(xué)者童時(shí)則認(rèn)為：模塊化是一種思維，通過對(duì)系統(tǒng)的特征、規(guī)律進(jìn)行分析，采用分析和綜合、歸納和演繹、抽象和具體等邏輯方法，使其標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、有序化。模塊化設(shè)計(jì)有著廣闊的發(fā)展前景，現(xiàn)代社會(huì)為追求標(biāo)準(zhǔn)與效率，越發(fā)注重標(biāo)準(zhǔn)化建造與工業(yè)化生產(chǎn)，模塊化設(shè)計(jì)時(shí)常被用于建筑行業(yè)。模塊化建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于通過標(biāo)準(zhǔn)的建筑模塊單元，借助多元化的組合方式滿足各類使用需求。模塊化設(shè)計(jì)有著彈性可拓性、功能靈活性的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)本質(zhì)，符合建筑應(yīng)變發(fā)展潮流。對(duì)于建筑，模塊化設(shè)計(jì)能夠從功能、結(jié)構(gòu)、空間等屬性方面對(duì)其實(shí)施層級(jí)化分類，利用特定的組合方式組建為一個(gè)有機(jī)成體，通過組合不同的模塊完成建筑系統(tǒng)的進(jìn)化和升級(jí)，可有效增強(qiáng)建筑的環(huán)境屬性及功能屬性，具有重要意義。

2 模塊化建筑與傳統(tǒng)建筑的區(qū)別

隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，高消耗、低效率、高污染的傳統(tǒng)粗放式建造模式正在朝著建筑產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展[8-9]。模塊化建筑具有明顯的節(jié)能環(huán)保特征，是建筑產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的重要載體。按照結(jié)構(gòu)體系，模塊化建筑可被劃分為全模塊化建筑和復(fù)合結(jié)構(gòu)模塊化建筑。其中，全模塊化建筑全部是由模塊單元組合而成，復(fù)合結(jié)構(gòu)模塊建筑是模塊單元同其他結(jié)構(gòu)形式復(fù)合而成。模塊化建筑所具有的優(yōu)勢(shì)大致可歸納為以下三點(diǎn)：其一，速度快。模塊化建筑從設(shè)計(jì)到施工開展多線程作業(yè)，能夠極大程度縮短項(xiàng)目周期。比起傳統(tǒng)的從設(shè)計(jì)到施工的單線程流程，模塊化建筑的施工效率明顯更高。更快的施工效率意味著更短的資金周期與更為快速的項(xiàng)目回報(bào)，故而模塊化建筑十分適合高周轉(zhuǎn)的項(xiàng)目。其二，質(zhì)量好。模塊化建筑的整體建筑均由集成化的模塊單元構(gòu)成，所有模塊的結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線等均于工廠中進(jìn)行預(yù)制，能夠進(jìn)行更為精細(xì)化的施工，投資者可通過有效的投入獲取性能更高的模塊單元。其三，綠色環(huán)保。比起傳統(tǒng)建筑，模塊化建筑在運(yùn)輸、材料循環(huán)使用等方面都更為環(huán)保。

當(dāng)前，模塊化建筑在技術(shù)層面已然非常接近傳統(tǒng)混凝土住宅，但建造成本相對(duì)更高。但相關(guān)人員在評(píng)價(jià)模塊化建筑的經(jīng)濟(jì)性時(shí)不應(yīng)當(dāng)僅僅考慮建造成本，可從全生命周期角度考量，模塊化建筑在建筑材料回收利用等方面有著十分明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今，模塊化建筑未能得到大規(guī)模的普及，分析其原因，除技術(shù)原因外，還在于公眾對(duì)于模塊化建筑的認(rèn)知程度較低，模塊化建筑受到的社會(huì)認(rèn)可較低。當(dāng)前，模塊化建筑也存在一些不足。模塊化建筑由模塊單元組合而成，若是單一模塊的細(xì)節(jié)處理較為粗糙，將會(huì)影響到建筑的質(zhì)量。比如，如果發(fā)生內(nèi)外梁柱裸露的現(xiàn)象，既影響內(nèi)裝與人們的視覺生理感受，又干擾到室內(nèi)空間的使用率。又比如，若是在拼裝的過程中發(fā)生接縫處理不夠到位、管線布置較為隨意等情況，同樣會(huì)形成不良影響。此種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于許多模塊化建筑項(xiàng)目尚處于前期摸索階段，需要積累經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)積極開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、建筑模塊等方面的相關(guān)研究，使得模塊化建筑的設(shè)計(jì)方法變得更為多元化。模塊化建筑的發(fā)展體現(xiàn)了工業(yè)化住宅技術(shù)正在向著更為精細(xì)化與完善的方向前進(jìn)與發(fā)展，相關(guān)人員需在掌握結(jié)構(gòu)與構(gòu)造后對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行更為縝密細(xì)致的處理，積極探索模塊化建筑的設(shè)計(jì)方案，促使模塊化設(shè)計(jì)理念不斷進(jìn)步，模塊化建筑不斷發(fā)展，以推動(dòng)建筑行業(yè)的變革步伐。

3 模塊化設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)住宅中的具體應(yīng)用

3.1 靈活的大空間技術(shù)

傳統(tǒng)的住宅存在戶內(nèi)剪力墻，管井管線設(shè)施直接入戶，加大了改造與維修的難度，想要進(jìn)行二次裝修也面臨著較大的困難，無法因人們的需求變化而及時(shí)做出應(yīng)變，難以實(shí)現(xiàn)建筑的長壽化[10]。鋼結(jié)構(gòu)可有效避免上述弊端，整個(gè)建筑的構(gòu)成采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由套型模塊與公共交通模塊組成住棟單元，相關(guān)人員可按照市場(chǎng)的需求變化來選擇套型的組合[11]。鋼結(jié)構(gòu)住宅將管井管線等設(shè)施集中設(shè)計(jì)于公共空間內(nèi)，便于出現(xiàn)問題時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行管理維修。在鋼結(jié)構(gòu)住宅的套型模塊中，除衛(wèi)浴、廚房等獨(dú)立模塊，其余空間運(yùn)用輕鋼龍骨隔墻，或是從使用功能的角度出發(fā)，或是由住戶家庭結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行分割，可有效保證分割的靈活性。

3.2 整體廚衛(wèi)

在鋼結(jié)構(gòu)住宅的戶型設(shè)計(jì)中，廚衛(wèi)既是不可或缺的功能區(qū)，也是管線集中的重點(diǎn)區(qū)域，具有位置固定、使用頻率高等特點(diǎn)。因廚衛(wèi)區(qū)域的空間設(shè)計(jì)關(guān)系到上下水與排污，常常會(huì)進(jìn)行降板處理，布置著較為密集的管線，優(yōu)先選取靠近入口處的位置，方便使用公共管井，也可同生活區(qū)進(jìn)行結(jié)合，借助生活陽臺(tái)進(jìn)行管線檢修[12-13]。除此之外，廚衛(wèi)規(guī)格應(yīng)當(dāng)盡可能統(tǒng)一，以便于內(nèi)裝工業(yè)化建造的實(shí)現(xiàn)。對(duì)廚衛(wèi)開展模塊化處理，能夠有效解決部分細(xì)節(jié)處理粗糙的不足之處，提升住戶的居住品質(zhì)，有利于提高住戶的生活質(zhì)量。

3.3 模數(shù)協(xié)調(diào)的應(yīng)用

模數(shù)是模塊化策略的落實(shí)基礎(chǔ)，貫徹于建筑設(shè)計(jì)始終。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅運(yùn)用了模數(shù)協(xié)調(diào)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)模塊系統(tǒng)，能夠組合由80m2至160m2的各類住宅建筑的立面與平面，通常選取以M為基本模數(shù)，1M為300mm。于水平擴(kuò)大模數(shù)數(shù)列方面選取1/2M、1M、2M、4M、5M與10M，運(yùn)用范圍包括開間、進(jìn)深；門窗、洞口等。于豎向擴(kuò)大模數(shù)數(shù)列方面選取1M、1/2M、1/3M，運(yùn)用范圍包括層高、洞口與門窗。于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與構(gòu)配件截面方面選取1/30M。在建立模數(shù)數(shù)列后，只需生產(chǎn)基本模塊形成所需的部分異形板與標(biāo)準(zhǔn)版，便可滿足不同類型的居住要求，進(jìn)而發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并可成為工廠化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

4 項(xiàng)目概況

本文以新西蘭當(dāng)?shù)亻_發(fā)企業(yè)Dialog Fitzroy Limited推進(jìn)模塊化住宅項(xiàng)目Dixon Street為例，分析新西蘭地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)模塊化公寓的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該項(xiàng)目是基于裝配式理念專門研發(fā)的模塊化產(chǎn)品，嚴(yán)格遵守當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?guī)范和抗震設(shè)計(jì)要求，其研發(fā)目的在于期望通過現(xiàn)代建筑方法來實(shí)現(xiàn)開發(fā)高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)適用房和公寓，比傳統(tǒng)建筑更快、更高效的交付。104 Dixon Street是Dialog Fitzroy Limited模塊化住宅的首個(gè)項(xiàng)目，位于新西蘭首都惠靈頓，地塊購置于2018年，該項(xiàng)目計(jì)劃開發(fā)46個(gè)1居室公寓和臨街一層的商業(yè)單元組，綜合公寓將以開發(fā)商名義出售給投資者和首次購房者。

5 新西蘭鋼結(jié)構(gòu)模塊化公寓的設(shè)計(jì)方案

5.1 模塊化總體布局

104 Dixon Street項(xiàng)目由兩棟樓組成，臨街為4層樓體，內(nèi)側(cè)為8層樓體。臨街地面層為商業(yè)模塊和休閑模塊，2-4層為公寓模塊，每層設(shè)有2個(gè)帶陽臺(tái)的住宿單元。內(nèi)側(cè)一棟均為公寓模塊，每層設(shè)有5個(gè)住宿單元。商業(yè)模塊靠近休閑模塊，公寓模塊占比最重，各功能模塊既具有關(guān)聯(lián)性，又具有相對(duì)獨(dú)立性，最終形成了完整且合理的住宅體系。臨街地面層最接近道路，易被噪音干擾，不適合設(shè)計(jì)為公寓模塊，但作為商業(yè)模塊與休閑模塊具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該公寓的設(shè)計(jì)方案以模塊化布局適應(yīng)用地條件，建筑群體內(nèi)外暢通，模塊組合錯(cuò)落有致，空間結(jié)構(gòu)虛實(shí)相間，有效保證了建筑的通風(fēng)與采光的優(yōu)越性。在104 Dixon Street項(xiàng)目中，公寓模塊是設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)與重點(diǎn)，每層設(shè)有帶陽臺(tái)的住宿單元，保證公寓內(nèi)能夠擁有良好的通風(fēng)采光條件。

5.2 模塊化功能組織

104 Dixon Street項(xiàng)目住宿單元由兩個(gè)箱體拼接組成，單個(gè)箱體尺寸（長*寬*高）：8000*3250*3145mm。左側(cè)箱體為廚房客廳間，右側(cè)箱體為住宿間，如下圖所示。該公寓的居住單元模塊采用比較成熟的平面布置形式，對(duì)模塊種類進(jìn)行檢查，同時(shí)將管道集中設(shè)置于兩個(gè)模塊的相鄰部位，有利于共用。該公寓的單元空間標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，有著很強(qiáng)的可復(fù)制性，同模塊化建筑的基本要素特征相符[14]。每一個(gè)箱體都能夠在工廠中進(jìn)行精細(xì)化預(yù)制，而后拼接為一個(gè)住宿單元。該公寓建筑屬于鋼結(jié)構(gòu)住宅，不被室內(nèi)空間柱梁體系所限制，空間布局靈活性較高?；炷凉⒈粦魞?nèi)剪力墻所影響，通常而言無法改變戶型，但本項(xiàng)目的公寓內(nèi)并無承重剪力墻體，居住者能夠自行確定內(nèi)部空間的分隔，隔墻所運(yùn)用的輕質(zhì)隔板想要拆卸也較為方便，無需耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力。

圖1 104 Dixon Street項(xiàng)目住宿單元示意圖

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)需要模塊化的設(shè)計(jì)思想，此類住宅借助對(duì)單元式標(biāo)準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)、制造與組裝，完成住宅建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工，填充體和結(jié)構(gòu)體的分離。將單元模塊當(dāng)作基礎(chǔ)，利用基本模塊的組合形成住戶單元，進(jìn)而組合為單棟建筑完成預(yù)制裝配式住宅。多元化的單元組合方式能夠形成個(gè)性化的功能分區(qū)，且模塊化的分割方式可有效適應(yīng)不同業(yè)主的實(shí)際需求，還可為匹配建筑內(nèi)裝提供便利。模塊化設(shè)計(jì)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅的空間靈活布局與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)有著十分重要的意義。鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑具有工期短、綠色環(huán)保、質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。