裝配式住宅耐久性建筑設計方法和技術研究*——以SDC2018 C-House為例

文/東南大學建筑學院 劉文輝 張 宏 葉紅雨

1 研究背景

近年來，裝配式住宅得到國家大力推廣和發(fā)展，因其具備工廠制造、現(xiàn)場快速安裝等特點，得到各級政府和建筑行業(yè)的高度關注和推廣應用。因此，在這種新的工業(yè)化生產(chǎn)建造模式下，如何既保證生產(chǎn)建造的高效性，又維持裝配式住宅的長壽命和各構件的高耐久性，成為行業(yè)內(nèi)極具挑戰(zhàn)的研究與實踐內(nèi)容。對于裝配式住宅建筑，耐久性不僅指建筑材料或結(jié)構的耐久性，而且與建筑壽命密切相關，并呈現(xiàn)正向相關的邏輯關系。裝配式住宅的耐久性可通過對其建筑的預期使用壽命反映，包含4個層面的含義，即技術性壽命、經(jīng)濟性壽命、功能性壽命和社會性壽命。

SDC2018（中國國際太陽能十項全能競賽）是以全球高?；蚵?lián)合高校團隊為參賽單位的綠色能源建筑科技競賽, 是一次集合各類裝配式建筑類型和技術體系的綜合型十項全能競賽。此次競賽在山東德州舉辦并集合來自全球9個國家和地區(qū)的37所高校所組成的19支參賽隊。大賽要求每支參賽隊以永久性住宅為設計和建造目標，完成1棟面積為120～200m2的單層或雙層太陽能住宅，并要求在20d內(nèi)建造完成。由東南大學-布倫瑞克工業(yè)大學聯(lián)隊合作設計建造的C-House，基于構件法建筑設計理論和技術，采用超高速建造技術、分級裝配技術及BIPV一體化技術等，在20d內(nèi)建造完成，如圖1所示。

本文對C-House在競賽完成并運營一段時間后的各構件系統(tǒng)進行研究和分析，其中包含結(jié)構構件系統(tǒng)、外圍護構件系統(tǒng)、裝飾景觀構件系統(tǒng)及裝修構件系統(tǒng)的長壽命設計方法和耐久性控制技術。因此，本文可為延長裝配式住宅壽命提供一系列可實踐且便于推廣的技術與方法。

2 C-House建筑各構件系統(tǒng)耐久性概況

2.1 結(jié)構構件耐久性

C-House結(jié)構構件系統(tǒng)采用框-筒結(jié)構技術體系，包含裝配式鋼結(jié)構和設備核心筒。其中，主體受力構件為鋼柱和鋼梁，核心筒為預制模塊，從德國運輸至現(xiàn)場進行一次性組裝成型，因此，核心筒與主體鋼結(jié)構體系受力相對獨立。建造完成后的18個月和30個月對比如圖2所示，核心筒及鋼結(jié)構構件完好，結(jié)構柱和結(jié)構梁及各結(jié)構連接節(jié)點均未出現(xiàn)裂縫、損壞或腐爛銹蝕等情況，整體結(jié)構構件系統(tǒng)展現(xiàn)出較好的耐久性能。

圖2 賽后18,30個月后的結(jié)構體

2.2 分層外圍護構件系統(tǒng)耐久性

C-House外圍護體系包含裝配式外墻板、光伏板及玻璃幕墻，外圍護的各構件系統(tǒng)在C-House建成運營后的30個月后均展示出較好的耐久性能。由多塊標準化光伏板組成覆蓋屋頂和兩側(cè)墻體的光伏系統(tǒng)在拆卸組裝多次之后，目前仍表現(xiàn)出較好的產(chǎn)電性能，展現(xiàn)其由內(nèi)而外的耐久性能（見圖3）。在歷經(jīng)30個月后，玻璃幕墻未出現(xiàn)任何外觀破損且運營良好，如圖4所示。

圖3 運營30個月后的光伏板外墻

圖4 運營30個月后的玻璃幕墻

2.3 景觀環(huán)境構件耐久性

C-House的景觀構件系統(tǒng)較豐富，其中環(huán)境構件包含秸稈磚墻、竹籬笆、室外木地板等，如圖5，6所示。該類構件在經(jīng)歷30個月的風吹雨打后，各部位均未出現(xiàn)破損現(xiàn)象，整體環(huán)境構件呈現(xiàn)較好的耐久性能。此外，C-House擁有眾多藝術裝飾性構件，其中包含從東南大學四牌樓校區(qū)運輸?shù)奖荣惉F(xiàn)場進行二次組裝的鋁管構筑物，如圖7所示，該構筑物由34個雙曲面和96個節(jié)段組成，在賽后歷經(jīng)30個月后，整體和局部均未出現(xiàn)明顯坍塌和破損，仍呈現(xiàn)較好的耐久性能。C-House還采用混凝土手模作為院落中的裝飾構件，該構件在室外放置30個月后，均保存完好，實現(xiàn)藝術性和耐久性能的一致，如圖8所示。

圖5 秸稈磚墻

圖6 鋼框竹籬笆

圖7 鋁管構筑物

圖8 手模裝飾構件

2.4 室內(nèi)裝修構件耐久性

C-House在室內(nèi)設計和建造中采用大量環(huán)保且耐久的材料。其內(nèi)墻和地面采用竹材和木材進行裝飾，如圖9所示。此外，C-House采用可移動家具進行室內(nèi)空間分隔。裝配式地面和墻面系統(tǒng)均呈現(xiàn)較好的耐久性能，未見脫落和損壞。家具和燈具（部分也采用竹材燈具）均未見損壞，僅有部分可變家具出現(xiàn)打開困難的情況，如圖10所示的隱藏式床，由于自身自重較大且長期豎向擱置，對其活動軸的壓力導致變形，因此出現(xiàn)耐久性下降的情況。

圖9 裝配式內(nèi)裝墻體

圖10 可移動家具

3 C-House長壽命設計策略

3.1 高耐久性構件組設計

C-House的恒定體主要包括主體鋼結(jié)構及設備核心筒。主體鋼結(jié)構形成較大跨度空間，使內(nèi)部空間分隔更自由。核心筒內(nèi)部采用設備集成布置的方式，可整體運輸和安裝。鋼結(jié)構體系和核心筒均便于維修與拆裝，在需要異地建造時，拆裝過程中不會增加碳排放，因此可實現(xiàn)在不同生命周期內(nèi)結(jié)構構件的長壽命。

3.2 易更換性構件組設計

C-House可變體包含外墻板、玻璃幕墻、光伏板，以及部分環(huán)境景觀構件和室內(nèi)裝修裝飾構件等?？勺凅w相較恒定體的耐久性略低，可變體應采用標準化構件，便于各構件系統(tǒng)出現(xiàn)損壞時可適配和維修，以此延長整個構件系統(tǒng)壽命。

C-House中各構件系統(tǒng)的連接方式均采用可逆構造連接方式，如螺栓連接等；可逆構造不會對各構件系統(tǒng)尤其是結(jié)構構件產(chǎn)生破壞性傷害，如焊接等連接方式在其需要異地建造時就會破壞結(jié)構構件的完整性。因此，C-House的各構件均可進行重復再利用，在其經(jīng)歷多個完整生命周期后，仍展現(xiàn)較好的耐久性能。

4 耐久性空間設計技術

4.1 大空間結(jié)構體技術

大空間結(jié)構體是實現(xiàn)建筑功能自由分隔的前提，是空間靈活變化的基礎。C-House采用鋼結(jié)構體系形成一個近10m×10m的大空間，除四周和核心筒部分有柱外，其余均為可自由分隔的使用空間。大空間可突破建筑功能限制，不僅可作為居住空間使用，還可作為辦公、展廳等功能空間使用。因此，大空間結(jié)構體是建筑耐久性最重要的設計技術。

4.2 靈活可變分隔技術

C-House除核心筒部分，其余建筑空間的分隔均采用靈活可變的分隔方式。其中包含可移動墻體、可變家具、分隔簾等。可變式分隔技術方法可適應不同時期建筑功能的需求，例如在不同人群居住時，通過可變的分隔形成可適應的套型和房型，以滿足各類人群的居住使用需求。

4.3 空間通用化技術

空間通用化設計考慮相同大小的空間對應不同功能的需求，例如在住宅中，書房和次臥可在不同場景下進行切換。C-House在1層的空間設計中可做到功能疊加，例如在電動汽車停車庫的位置，在不停車期間，可作為小型工作室或儲藏室，在人多的時候可作為一個較大的餐廳。而在2層的設計中采用模糊空間設計理念，例如主臥室和次臥室通過1個可移動的隔斷進行分隔，打開隔斷可形成1個超大且南北通透的臥室，關閉則可形成1個主臥和1個次臥或1間書房?？臻g通用化設計技術在C-House項目設計實踐中得到充分應用，使C-House的空間更具耐久性。

5 結(jié)語

本文通過對C-House的結(jié)構構件系統(tǒng)、外圍護構件系統(tǒng)、景觀環(huán)境藝術構件系統(tǒng)、室內(nèi)裝修構件系統(tǒng)在SDC2018賽后一段時間內(nèi)的耐久性能進行研究，對C-House如何通過恒定體、可變體和內(nèi)部空間設計形成長壽命的設計策略進行闡述和分析。C-House所采用的一系列耐久性設計方法和技術措施，如大空間結(jié)構體技術、高耐久性構件組設計、可逆構造技術等，為裝配式住宅實現(xiàn)長壽命目標提供了一系列可參考的耐久性設計技術與方法。