個(gè)性化裝配式住宅建筑形式WikiHouse淺析

湯建新 陳冬威 楊 健 宮 婷 潘珠峰

1. 上海市城市建設(shè)工程學(xué)校（上海市園林學(xué)校） 上海 200232；2. 上海外高橋造船有限公司 上海 200137 3. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240

1 預(yù)制裝配式住宅建筑以及WikiHouse介紹

預(yù)制裝配式建筑通過在工廠中生產(chǎn)所需構(gòu)件、運(yùn)輸至施工現(xiàn)場并進(jìn)行安裝，可以大大提高施工效率、優(yōu)化現(xiàn)場管理、減少能耗和施工垃圾，是一種綠色可持續(xù)的建筑形式。隨著國家政策的大力推動(dòng)，與20世紀(jì)50年代早期引入階段相比，我國預(yù)制裝配式建筑的施工技術(shù)不斷創(chuàng)新，建筑質(zhì)量和居住體驗(yàn)也得到了不斷改進(jìn)。

常見的裝配式建筑通常為木、鋼或混凝土結(jié)構(gòu)，在施工中仍具有一定的現(xiàn)場現(xiàn)澆作業(yè)量，需要使用一些中大型機(jī)械，對于施工人員的技術(shù)要求高于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆模式，且建筑造型相對單一。目前的預(yù)制裝配式建筑成本偏高，模塊化程度較低[1]，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸堆放的管理難度較大，構(gòu)件起吊安裝風(fēng)險(xiǎn)較大，構(gòu)件拼裝定位較難[2]。

WikiHouse是一種集自主設(shè)計(jì)、電腦數(shù)值控制（Computer Numerical Control，CNC）機(jī)床和裝配式施工于一體的新型裝配式房屋建筑技術(shù)。用戶可以從開源平臺(tái)上下載免費(fèi)的SketchUp設(shè)計(jì)包，利用WikiHouse的相關(guān)插件編寫程序并由CNC實(shí)現(xiàn)數(shù)字化剪裁，最終通過楔、釘方式簡單高效地在現(xiàn)場組裝個(gè)性化房屋。同時(shí)，用戶可將修改變化后的材料或設(shè)計(jì)上傳WikiHouse，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的分享互動(dòng)。

WikiHouse的個(gè)性化程度高、施工技術(shù)要求低、作業(yè)量少且低價(jià)環(huán)保，具有十分強(qiáng)大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 WikiHouse的建造特點(diǎn)

2.1 WikiHouse的優(yōu)勢分析

2.1.1 個(gè)性化的建造設(shè)計(jì)

WikiHouse最大的吸引力在于擺脫了常規(guī)的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)約了大筆的設(shè)計(jì)費(fèi)用。除了下載平臺(tái)上已有的設(shè)計(jì)模板外，WikiHouse目前正在開發(fā)一種互動(dòng)的房屋設(shè)計(jì)平臺(tái)，用戶可以自主設(shè)計(jì)并下載，同時(shí)獲得完整的成本估算，從而能夠更加直觀地在自己預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。而且即使模板相同，每個(gè)用戶對外觀、功能的不同需求也保證了不會(huì)出現(xiàn)兩棟一模一樣的WikiHouse。隨著越來越多的建筑設(shè)計(jì)被上傳到設(shè)計(jì)庫，可以漸漸形成一些具有區(qū)域特色的設(shè)計(jì)方案，這些設(shè)計(jì)能夠更好地契合當(dāng)?shù)匾?guī)范，為用戶獲得當(dāng)?shù)亟ㄖS可提供極大的幫助。

2.1.2 簡單高效的構(gòu)件加工以及拼裝施工

WikiHouse的建造理念就是可以像拼裝家具一樣建造房屋，所有建筑在設(shè)計(jì)過程中都貫徹“簡化”的原則。在傳統(tǒng)的房屋建造中，人工費(fèi)用一般占總成本的15%～20%[3]，而WikiHouse的現(xiàn)場組裝往往只需要短短幾天。這種裝配簡單、工時(shí)較短的施工方式可以大大減少人工費(fèi)的輸出，從而節(jié)約建筑成本。

此外CNC機(jī)床目前已經(jīng)較為普及，建筑構(gòu)件的加工變得很方便。用戶可以通過購買或租賃機(jī)床的方式在施工現(xiàn)場進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)，其大小最多不超過原膠合板尺寸（比如2.4 m×1.2 m），因此不論是戶外運(yùn)輸還是室內(nèi)搬運(yùn)都非常方便。對于大型的施工項(xiàng)目而言，現(xiàn)場加工可以節(jié)省一筆很可觀的運(yùn)輸費(fèi)用。除了現(xiàn)場加工，也可以將設(shè)計(jì)方案發(fā)送給當(dāng)?shù)氐腃NC工廠進(jìn)行加工，再將構(gòu)件運(yùn)回施工現(xiàn)場。當(dāng)然，隨著WikiHouse的不斷發(fā)展成熟，會(huì)逐漸誕生出專業(yè)的WikiHouse生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，從而進(jìn)一步降低建造施工的難度。

2.1.3 可持續(xù)性表現(xiàn)

建筑所用的結(jié)構(gòu)膠合板是一種價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的建筑材料。環(huán)保級(jí)的膠合板（如PEFC認(rèn)證）在建筑拆除后可進(jìn)行自然降解，從而減少建筑垃圾的產(chǎn)生。如果采取恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施（如隔水、防潮），WikiHouse的使用壽命甚至可以超過普通的磚結(jié)構(gòu)。同時(shí)WikiHouse使用的復(fù)合板材也具有非常好的隔熱、隔聲與防火效果。

2.1.4 WikiHouse與其他新型建筑形式的優(yōu)勢比較

WikiHouse并不是唯一一種采用現(xiàn)場加工、裝配式施工的建筑形式?；炷?D打印[4]、SIPs板式建筑[5]、FACIT木匣建筑和MODCELL稻草建筑就是4種類似的新型建筑形式。

混凝土3D打印是將配置好的混凝土漿體按照預(yù)先設(shè)置的打印程序，由噴嘴擠出，經(jīng)“分層制造，逐層疊加”，最終得到設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件。SIPs板則已在住房及其他建筑中得到廣泛應(yīng)用，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、隔熱的特點(diǎn)，不僅可以現(xiàn)場直接裝配成高性能的房屋建筑，也可以用于維護(hù)材料。FACIT木閘建筑是將木材、數(shù)控機(jī)床運(yùn)到施工現(xiàn)場，生產(chǎn)中空的木匣，內(nèi)部吹填絕緣泡沫塑料，組裝形成建筑構(gòu)件，個(gè)性化程度高，有專門的FACIT 3D設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幫助用戶進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。MODCELL與SIPs類似，只是其墻板由木材和稻草等植物纖維混合形成，意在打造能呼吸的、負(fù)碳排放的房屋建筑。表1對上述幾種建筑形式從價(jià)格、技術(shù)成熟度、用戶吸引力等10個(gè)方面進(jìn)行了評分。表格中0分表示沒有涉及，1分代表對應(yīng)選項(xiàng)程度很低，10分則代表程度很高，依次對10個(gè)評分項(xiàng)目進(jìn)行打分，并結(jié)算出最終得分（滿分100分）。

比較可以看出，混凝土3D打印建筑方式的薄弱項(xiàng)在于其個(gè)性化設(shè)計(jì)程度?？紤]到該種方式側(cè)重于速成、低價(jià)的房屋施工，因此對設(shè)計(jì)的個(gè)性化要求并不高。對于SIPs建筑形式，高達(dá)3 000元/m2的結(jié)構(gòu)成本導(dǎo)致其價(jià)格競爭力較低。同樣的，F(xiàn)ACIT、MODCELL雖然發(fā)展已較為成熟，個(gè)性化程度、建筑質(zhì)量和可持續(xù)性評分都很高，但其高昂的建設(shè)成本拉低了二者的競爭力評分。

WikiHouse簡化設(shè)計(jì)的建筑理念一定程度上局限了“自主設(shè)計(jì)”房屋高端市場領(lǐng)域中的競爭力，因此個(gè)性化設(shè)計(jì)程度的得分并不是最高，但其建造成本、施工效率、建筑質(zhì)量和可持續(xù)性等項(xiàng)目的綜合競爭力評分名列前茅，且其發(fā)展成熟度具有非常廣闊的提升空間。

表1 WikiHouse綜合競爭力評價(jià)

2.2 WikiHouse的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和連接方式

2.2.1 WikiHouse的骨架結(jié)構(gòu)

雙層WikiHouse荷載傳遞路徑與常見的框架結(jié)構(gòu)相似，荷載從屋蓋、樓蓋傳遞到結(jié)構(gòu)骨架并最終傳遞到地面。但與傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)不同的是，WikiHouse的骨架（圖1）是由一系列一定規(guī)格的“骨架薄片”以及骨架連接構(gòu)件現(xiàn)場組裝固定而成。其拼裝構(gòu)件的尺寸小于單片2 440 mm×1 220 mm膠合板。房屋的骨架排列并非均勻分布，且留下合適的空間，方便后期門窗的安裝。

圖1 WikiHouse單個(gè)骨架

2.2.2 WikiHouse的3種連接方式

不同于大多數(shù)裝配式建筑節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆混凝土的連接方式，WikiHouse的構(gòu)件通過楔子和銷釘連接，使用橡皮錘就可以將構(gòu)件敲打定位，隨后可用專用膠水進(jìn)一步固定連接處。膠水本身并不提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但可以防止因噪聲等外界振動(dòng)造成的連接件脫落。WikiHouse連接種類少，方式簡單，可避免施工過程中的混淆和錯(cuò)誤。連接方式主要分為以下3類。

1）骨架連接方式。骨架水平支撐與骨架結(jié)構(gòu)的連接方式（圖2）：將兩端連接構(gòu)件分別插入“骨架薄片”預(yù)留孔后，將銷釘敲打定位并用膠水固定，避免因振動(dòng)造成的松動(dòng)移位。

2）墻體連接方式。由于組裝端墻時(shí)沒有可以用于穿插定位的“骨架薄片”，因此需要專門的端墻支撐系統(tǒng)，橫向與縱向構(gòu)件主要通過插入方式進(jìn)行連接（圖3）。

圖2 骨架連接方式

圖3 端墻連接方式

3）由于構(gòu)件尺寸局限為2 440 mm，因此可以采用將2個(gè)C形連接片分別插入左右兩個(gè)構(gòu)件S形端部的預(yù)留槽中，再將楔子釘入膠水固定的方式進(jìn)行連接加長（圖4）。

3 雙層WikiHouse設(shè)計(jì)案例

WikiHouse目前尚處于發(fā)展的初期階段，設(shè)計(jì)主要局限于單層建筑，本節(jié)將提出一個(gè)雙層WikiHouse的設(shè)計(jì)案例，對其骨架結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接、板材設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工方法及計(jì)算校核進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 建筑設(shè)計(jì)

本案例中房屋總建筑面積為86 m2，雙層設(shè)計(jì)（圖5）。

3.2 骨架設(shè)計(jì)

首先確定房屋骨架的排列方式?！肮羌鼙∑笨梢匝刂课輽M向與縱向兩種方式排列（圖6）。目前較多使用的是圖6中的方式2，荷載可以分布在更多薄片上，從而提供更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和橫向剛度，本設(shè)計(jì)亦采用這種排列方式，并根據(jù)建筑平面圖確定骨架尺寸（圖7）。

圖4 端墻接長連接方式

圖5 雙層WikiHouse住宅建筑平面設(shè)計(jì)

圖6 WikiHouse“骨架薄片”排列方式

WikiHouse的規(guī)范要求每一個(gè)“骨架薄片”都分為兩層（圖8）。構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)避開結(jié)構(gòu)拐角，錯(cuò)開排列，鏡面對稱并且定位孔排列完全一致。將A、B兩層對應(yīng)在一起，用M8低碳鋼螺栓固定，即形成一個(gè)完整的“骨架薄片”。

圖7 雙層WikiHouse骨架薄片尺寸設(shè)計(jì)

圖8 雙層WikiHouse“骨架薄片”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將一系列“骨架薄片”按照建筑平面設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行有序排列，并通過骨架橫向連接構(gòu)件固定，即可形成建筑框架系統(tǒng)（圖9）。

圖9 雙層WikiHouse骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于旋轉(zhuǎn)樓梯的存在，樓梯部位主梁會(huì)有一定撓度，導(dǎo)致其附近的“骨架薄片”內(nèi)力相對其余薄片較差，但考慮到所有薄片都通過骨架橫向連接構(gòu)件進(jìn)行固定，共同抵抗各方向的彎矩，因此幾乎不會(huì)對整體的承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。

3.3 墻板、屋面板和樓面板設(shè)計(jì)

為保證房屋有良好的防水性能，在墻板、屋頂設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮加入密封層和呼吸薄膜。此外，利用防火石膏板和有效的填充材料以保證房屋的抗火性、隔熱性以及隔聲性（圖10）。

對于建筑內(nèi)墻，不需要特別添加密封層和呼吸薄膜，但需要使用防火石膏板保證建筑的防火安全（圖11）。

圖10 WikiHouse外墻板設(shè)計(jì)

圖11 WikiHouse內(nèi)墻設(shè)計(jì)

WikiHouse的屋面設(shè)計(jì)與外墻設(shè)計(jì)類似，但施工時(shí)要注意使密封層和呼吸薄膜形成一個(gè)完整的防潮系統(tǒng)，在從外墻部位到屋面部位的過渡過程中不可產(chǎn)生間隙。由于設(shè)計(jì)中不存在挑檐結(jié)構(gòu)，因此要實(shí)現(xiàn)完整過渡并不難（圖12）。

底層樓板應(yīng)添加防潮層，并與屋面、墻壁的密封層連接形成連貫的防潮系統(tǒng)（圖13）。

圖12 WikiHouse屋面設(shè)計(jì)

圖13 WikiHouse底層樓板設(shè)計(jì)

3.4 施工方法

3.4.1 施工步驟

本設(shè)計(jì)中所有建筑構(gòu)件均由2.4 m×1.2 m的膠合板材數(shù)字化剪裁得到。構(gòu)件上標(biāo)明序號(hào)，由工廠運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行組裝。每一個(gè)構(gòu)件上都有對應(yīng)的編號(hào)，因此專業(yè)技術(shù)要求較低，用具簡單，用戶和幾個(gè)團(tuán)隊(duì)成員一起就可以完成。組裝步驟如下：

1）將所有骨架構(gòu)件堆放在空曠的施工場地，并按照序號(hào)拼接，組裝出12片“骨架薄片”。

2）將橫向連接構(gòu)件按照組別分堆，以便依次安裝“骨架薄片”及骨架橫向連接件。

3）組裝端墻支撐系統(tǒng)，平放于地面，將第1個(gè)“骨架薄片”固定在端墻部位。

4）將第1組骨架水平連接件拼接到第1個(gè)“骨架薄片”上，并用楔子、銷釘連接固定。此時(shí)該部分骨架結(jié)構(gòu)可以起吊直立。

5）起吊第2個(gè)“骨架薄片”并固定于第4步中的骨架連接件上。此時(shí)可組裝第2組骨架連接件，以此類推，最終將另一端的端墻支撐系統(tǒng)安裝固定。

6）骨架搭建好后，先安裝樓板以提供后續(xù)的工作平臺(tái)。

7）安裝呼吸薄膜、防潮層和外部板材，確保整個(gè)建筑的防水性。8）安裝建筑設(shè)備、內(nèi)部板材、天花板等。9）內(nèi)外裝修。

3.4.2 施工設(shè)備

為起吊結(jié)構(gòu)骨架，需要使用1臺(tái)小型起重機(jī)。由于每部分骨架結(jié)構(gòu)可以先在平地上組裝好后再起吊安裝，因此減少了起重機(jī)的使用量。此外，安裝板材和裝修需使用腳手架。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工及常見的預(yù)制裝配式建筑相比，WikiHouse具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。其施工簡單高效，目前已經(jīng)在一些災(zāi)后重建項(xiàng)目中取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。然而現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)大多局限于單層建筑，一方面對土地的利用效率不充分，另一方面也無法滿足用戶日益增強(qiáng)的個(gè)性化需求。

本文針對上述問題提出了一種雙層WikiHouse的設(shè)計(jì)方案，并對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了計(jì)算分析。WikiHouse尚處于發(fā)展的初始階段，一個(gè)符合建筑法規(guī)、結(jié)構(gòu)優(yōu)良、適宜居住、設(shè)計(jì)和使用文件齊全、有規(guī)范的性能標(biāo)準(zhǔn)、符合WikiHouse許可的成熟的建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)尚未完成。因此后續(xù)仍有大量與設(shè)計(jì)師、工程師、政府部門、制造商的溝通工作需接洽，還需不斷完善WikiHouse的可持續(xù)性、安全性、供應(yīng)鏈及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。