基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅設(shè)計模式研究

張 健

（甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

住宅建筑作為一種需求量較大的商品，工業(yè)化的生產(chǎn)模式具有較大的優(yōu)勢。將現(xiàn)代工業(yè)的質(zhì)量管理體系應(yīng)用在住宅生產(chǎn)和建造的全過程中，保證工業(yè)化住宅產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和恒定。

此外，在住宅生產(chǎn)和建造的全過程中，用現(xiàn)代工業(yè)的質(zhì)量管理體系來進(jìn)行質(zhì)量控制，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和恒定。以工業(yè)化生產(chǎn)的方式來建造住宅，即住宅工業(yè)化，是住宅產(chǎn)業(yè)化的核心。文章從“基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅設(shè)計模式” 理論框架的研究出發(fā)，對構(gòu)件體系的分類原則與方法進(jìn)行闡述總結(jié)，探索出基于構(gòu)件體系的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計基本方法，為我國住宅工業(yè)化可持續(xù)的設(shè)計方法提出有益的建議。

1 建筑構(gòu)件體系的定義及重要性

建筑構(gòu)件一般是指構(gòu)成建筑物的各個組成部分，如墻體、樓蓋板、梁柱等，對工業(yè)化住宅而言，建筑構(gòu)件的定義是具有一定獨(dú)立功能的組成部分，而構(gòu)成建筑物某一部分的構(gòu)件、構(gòu)件組合而形成的子體系稱之為建筑體系，是指整個建筑中各個子體系相互之間的組合，如圖1所示?；谏鲜龇治?，工業(yè)化住宅設(shè)計應(yīng)遵循建筑構(gòu)件-建筑構(gòu)件體系-建筑總體系的設(shè)計思路，根據(jù)各種功能屬性、尺寸和層級的建筑構(gòu)件子體系，建立明確的建筑構(gòu)件體系[1-2]。

通過工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化的方式，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的預(yù)制、生產(chǎn)、加工、現(xiàn)場裝配，替代傳統(tǒng)建筑材料的現(xiàn)場砌筑、澆筑，是建筑工業(yè)化最顯著的特征之一。以“搭積木”的建造方式，通過構(gòu)件之間高效的相互組合形成建筑主體，是建筑工業(yè)化水平的重要體現(xiàn)，同時，也使建筑項(xiàng)目的建設(shè)更為高效化、專業(yè)化，綠色化，使得建筑工程在建設(shè)過程中的整體效率得到極大的提高和改善。通過對建筑構(gòu)件的劃分，使建筑在微觀層面實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量管理和質(zhì)量控制，較好的保證了建筑物的整體質(zhì)量，提升了建設(shè)過程中的施工效率，在精細(xì)化管理、節(jié)約資源、減少環(huán)境污染方面優(yōu)勢明顯，可大大加快建筑領(lǐng)域工業(yè)化發(fā)展的步伐[3-5]。

2 構(gòu)件體系的分類原則及方法

2.1 構(gòu)件體系的分類原則

1）體系化原則。構(gòu)件體系的體系化分類原則是指遵循構(gòu)件的性能進(jìn)行系統(tǒng)劃分，建筑構(gòu)件最穩(wěn)定的本質(zhì)屬性或特征是劃分建筑子體系的依據(jù)和基礎(chǔ)。為了方便工業(yè)化住宅構(gòu)件的設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配，從而形成科學(xué)合理的分類體系，一般可將選定建筑構(gòu)件的屬性特征按一定的順序排列，并予以體系化，最終組合形成建筑體系。如圖1所示。

圖1 建筑體系的組成部分

2）同質(zhì)性原則。按照同質(zhì)性原則對建筑構(gòu)件進(jìn)行分類時，應(yīng)充分考慮同一類別構(gòu)件屬性，如化學(xué)、物理、工藝等方面的屬性特征。例如，墻體構(gòu)件一般需要隔音、防火、圍護(hù)方面的性能要求；結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件因需要承擔(dān)一定的荷載，需要達(dá)到一定的受力性能要求。

3）等壽命周期的原則。若建筑構(gòu)件分類不僅考慮其結(jié)構(gòu)性和功能性，還需考慮構(gòu)件從開始設(shè)計，生產(chǎn)、銷售、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng)，一直到回收及處置的全過程，依據(jù)構(gòu)件不同壽命周期進(jìn)行分類的原則稱之為等壽命周期原則。

2.2 構(gòu)件體系的分類方法

1）層級分解法。一般工業(yè)化住宅的總體系具有較大的復(fù)雜性，因此，為了達(dá)到便于設(shè)計、生產(chǎn)、裝配施工、操作的目的，一級子體系需要進(jìn)行多級分解，層層相疊，如圖2所示。通過設(shè)計、生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)，整個建筑體系拆分成具有不同構(gòu)件功能的獨(dú)立性構(gòu)件系統(tǒng)，達(dá)到工業(yè)化住宅構(gòu)件體系靈活組合運(yùn)用的目的。

圖2 建筑構(gòu)件體系的層級框架

2）歸納分類法。一般而言，工業(yè)化住宅構(gòu)件體系的分類歸納就是把同一類型的構(gòu)件或同一類型工廠化生產(chǎn)模具搜集在一起，進(jìn)行統(tǒng)一管理。歸納分類法不僅有助于構(gòu)件及模具的設(shè)計和生產(chǎn)線的組織協(xié)調(diào)，還能加強(qiáng)構(gòu)件的生產(chǎn)及提高設(shè)計效率。目前，工業(yè)化住宅的歸納范圍主要集中在構(gòu)件的形狀、材料、功能及邊界條件等方面，如圖3所示。

圖3 分類歸納法構(gòu)件分類

3）分類步驟。通過對層級式分解法、歸納法的研究分析，本文總結(jié)出建立工業(yè)化住宅構(gòu)件體系的3個主要步驟：

（1）確定建筑功能構(gòu)件體系第一層級。首先，從工業(yè)化住宅的整體進(jìn)行分析，根據(jù)建筑物不同部位及功能要求的不同，以及構(gòu)件體系工業(yè)化制造條件及現(xiàn)場安裝的施工條件，可將建筑物分為多個一級構(gòu)件體系，即整體的第一層級。

（2）構(gòu)建多層級式構(gòu)件子體系：在上一步多個一級構(gòu)件體系的條件下，歸納匯總不同構(gòu)件體系中，構(gòu)件的材料構(gòu)成、功能定位以及所在分區(qū)，以此將第一層的各個功能構(gòu)件子體系分解為多層級式子體系。

（3）劃分基本構(gòu)件：最后，要將上述劃分的多層級子體系依據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)及現(xiàn)場施工的便利性再次進(jìn)行分解，以形成獨(dú)立的或不可再分解的基本模塊或基本構(gòu)件單元，以便工業(yè)化設(shè)計及工廠化生產(chǎn)。

3 基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法

3.1 工業(yè)化住宅構(gòu)件體系的分類

基于前文總結(jié)的構(gòu)件體系的分類原則及分類步驟，并充分考慮構(gòu)件屬性特征及使用壽命情況，對工業(yè)化住宅構(gòu)件體系具體進(jìn)行如下分解：

由結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、內(nèi)分隔、裝修、設(shè)備作為第一層級的五個方面進(jìn)行構(gòu)件體系的劃分，結(jié)構(gòu)體系作為工業(yè)化住宅的主要骨架，形成建筑結(jié)構(gòu)的主體；外圍護(hù)體系承載了工業(yè)化住宅的保溫、美觀及適用性能，在結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上添加圍護(hù)分隔，形成建筑空間；內(nèi)分隔體系則是在上述體系組合形成的建筑空間基礎(chǔ)上，再進(jìn)行室內(nèi)空間的分隔，形成需用的室內(nèi)空間；裝修體系可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化住宅的人性化、宜居性，裝修體系涉及建筑物室內(nèi)及室外兩個部分；設(shè)備管線體系是指在上述體系建設(shè)完備的條件下，利用所需的各種不同設(shè)備、管線布置，達(dá)到整個建筑體系不同位置、區(qū)域的使用功能要求，如圖4所示。

圖4 工業(yè)化住宅體系分類

第二層級的劃分與上述五個第一層級體系密切相關(guān)，根據(jù)結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、內(nèi)分隔、裝修、設(shè)備建立第二層級子體系。

第三個層級是體系分解的末端，分解形成的建筑構(gòu)件作為最后層級構(gòu)件產(chǎn)品進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。

3.2 工業(yè)化住宅構(gòu)件體系的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法

工業(yè)化住宅的建筑設(shè)計不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計，要求建筑設(shè)計師在構(gòu)件體系的基礎(chǔ)上，遵行一定的設(shè)計方法，由單個構(gòu)件拼接、組合為整體建筑的正向設(shè)計，這種設(shè)計的好處顯而易見，不但可以減少流程反復(fù)、提高設(shè)計的精度和生產(chǎn)效率，而且對于建造成本、建筑質(zhì)量、建造難度、建造效率起著決定性的作用，因此，工業(yè)化住宅建筑設(shè)計作為整個產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，起著至關(guān)重要的作用[8-10]。

為了更好地開展構(gòu)件的生產(chǎn)制作、運(yùn)輸裝配、運(yùn)營維護(hù)等全過程工業(yè)化住宅建筑設(shè)計，就需要在設(shè)計之前考慮建筑構(gòu)件體系的分類，根據(jù)構(gòu)件體系的分類原則對工業(yè)化住宅的各類構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)分解，考慮構(gòu)件自身各方面性能，最終形成“少規(guī)格，多組合”模式，能夠更好地體現(xiàn)工業(yè)化住宅效益和優(yōu)勢的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計模式，以便對全部構(gòu)件體系所圍合形成的整體建筑空間開展進(jìn)一步設(shè)計。

工業(yè)化住宅的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法一般包括4方面的內(nèi)容，即基于構(gòu)件的模數(shù)化、通用化、模塊化、系列化，其中模數(shù)化是一切標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。為了使工業(yè)化住宅建筑的設(shè)計組合具有更多方式，使建筑物或建筑的附屬部分具有規(guī)律的尺寸模數(shù)，以便協(xié)調(diào)和相互配合，最終形成標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸體系，需要通過模數(shù)協(xié)調(diào)原理、方法及模數(shù)化設(shè)計，建立統(tǒng)一的建筑模數(shù)，從而簡化構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接，實(shí)現(xiàn)真正意義上的工業(yè)化住宅正向設(shè)計。

工業(yè)化住宅模數(shù)化的設(shè)計方式并不僅僅是為了使構(gòu)件體系之間保證其模數(shù)化，便于必須組合協(xié)調(diào)，更是因?yàn)樽≌ㄖ墓δ苄砸?，需要通過模數(shù)化的設(shè)計思路，使得各個構(gòu)件體系所圍合形成的建筑空間模數(shù)化，將結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、內(nèi)分隔、裝修、管線設(shè)備第一層級的構(gòu)件體系模數(shù)化，通過平面模數(shù)和立面模數(shù)，形成三維立體模數(shù)網(wǎng)格體系，在所提供的模數(shù)化空間中，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的標(biāo)準(zhǔn)化組合。

由于工業(yè)化住宅獨(dú)特的設(shè)計建造模式，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比有很大的不同，前者的節(jié)點(diǎn)連接更多且構(gòu)件體系種類也更加復(fù)雜，因此，通過工業(yè)化住宅的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，模數(shù)化協(xié)調(diào)建立的“體系”就顯得愈發(fā)重要了，不但在平面和立面網(wǎng)格中，更是在形成的三維立體空間網(wǎng)格中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化住宅構(gòu)件體系之間的層級式模數(shù)化設(shè)計和精益建造。

4 結(jié)論

對基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅設(shè)計模式進(jìn)行了分析研究，從構(gòu)件體系的概念、重要性、分類原則及方法出發(fā)，提出了基于構(gòu)件體系的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法，得出以下結(jié)論：

1）梳理國內(nèi)外工業(yè)化住宅的發(fā)展歷程、發(fā)展背景，研究工業(yè)化住宅設(shè)計模式以及相關(guān)技術(shù)體系、理論的演變與發(fā)展，通過比較分析，提出基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅設(shè)計模式，以期解決傳統(tǒng)工業(yè)化住宅設(shè)計模式的不足。

2）對工業(yè)化住宅構(gòu)件體系的概念、分類原則、分類方法等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，通過工業(yè)化建筑構(gòu)件體系的層層分解，總結(jié)形成了工業(yè)化住宅分類的“三大步驟”，該方法可以較好地實(shí)現(xiàn)基于構(gòu)件的工業(yè)化住宅設(shè)計模式。

3）工業(yè)化住宅構(gòu)件體系一般可分解為三個層級，而第一層級一般由結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、內(nèi)分隔、裝修、設(shè)備這五個體系組成；通過研究可以發(fā)現(xiàn)，基于構(gòu)件體系的工業(yè)化住宅設(shè)計模式的核心即是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，通過形成的三維立體空間網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化住宅構(gòu)件體系之間的層級式模數(shù)化設(shè)計和精益建造。