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

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)隊以大學(xué)生為主體，策劃、設(shè)計、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、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[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)計建造、運(yùn)行測試等正式評比內(nèi)容，對參賽團(tuán)隊各專業(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)計的居住舒適性和功能靈活性，同時倡導(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)合賽隊兩校間的合作計劃，Aurora由丹麥科技大學(xué)團(tuán)隊完成前期概念方案設(shè)計，后由蘇州大學(xué)團(tuán)隊完成從深化設(shè)計到建造調(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)隊從建筑設(shè)計與建造的教學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，定制適配學(xué)生團(tuán)隊在正常學(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、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)計院、施工隊、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、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)計與建造實(shí)踐

3.1 深化設(shè)計

SDC賽事規(guī)定的20d現(xiàn)場建造工期對Aurora團(tuán)隊來說是相當(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)隊綜合考慮預(yù)制周期、造價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。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、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)計與建造需要Aurora團(tuán)隊承擔(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)隊在深化設(shè)計階段應(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個分系統(tǒng)，分別由不同隊員對接相應(yīng)的供應(yīng)商進(jìn)行深化設(shè)計以及后續(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)隊通過水平向的模塊劃分設(shè)計，將U形體量建筑劃分為5個模塊，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)隊將箱式房的工廠預(yù)制作業(yè)合理分配給賽隊學(xué)生和專業(yè)工人，學(xué)生主要負(fù)責(zé)設(shè)計對接、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，也可輔助專業(yè)施工隊專注于技術(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)隊不僅設(shè)計了現(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、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)計的重要性。在建筑師負(fù)責(zé)制背景下，基于Aurora的設(shè)計與建造的教學(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。