新西蘭鋼結(jié)構模塊化公寓設計及案例解析

李任戈 喬永強 李志禹 溫慶年

中建科工集團有限公司 廣東 深圳 518040

鋼結(jié)構模塊化建筑是一種新興的建筑結(jié)構體系，具有較高的裝配化與預制化程度，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)展勢在必行。當前，工業(yè)化建筑主要有預制混凝體結(jié)構、鋼結(jié)構等結(jié)構形式，其中，鋼結(jié)構體系抗震性能良好，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。本文簡述鋼結(jié)構住宅與模塊化設計的基本概述，探討鋼結(jié)構住宅中模塊化設計的具體應用思路，以期為鋼結(jié)構模塊化住宅的設計提供一定的參考，進一步提升鋼結(jié)構模塊化住宅的大眾認可度。

1 模塊化設計的基本概述

1.1 模塊化設計的概念

模塊化設計是一種著眼于建筑系統(tǒng)整體，對功能進行分解和組合、由總而細且自上而下的設計。模塊化設計能夠借助一系列的標準化設計，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，以建造可持續(xù)居住的人居環(huán)境為目標的一套住宅體系。該住宅體系能夠有效提高住宅的整體價值，可推動建設產(chǎn)業(yè)化、綠色低碳化、建筑長壽化的實現(xiàn)。建設產(chǎn)業(yè)化的核心在于發(fā)展裝配式住宅，利用科學的管理與系統(tǒng)的設計來落實，想要實現(xiàn)該目標，需始終堅持貫徹落實模塊化思想[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)裝會因人們的需求轉(zhuǎn)變、時間推移等原因而發(fā)生變化，想要提升主體耐久性應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。針對通用化部品，相關人員也可通過模塊化手法對其進行拆分研究，以便實現(xiàn)使用目標。

1.2 模塊化建筑思想解析

20世紀50年代，歐美發(fā)達國家提出模塊化設計這一產(chǎn)品設計方法，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。隨著時間的推移，模塊化設計逐漸朝著方法論的方向發(fā)展，并對建筑、經(jīng)濟等領域形成了一定的影響[6,7]。人們普遍認為，模塊化是一個把復雜系統(tǒng)拆分為獨立運行的子系統(tǒng)的一個過程，在遵守共同規(guī)則的前提下，各個模塊能夠獨立設計。我國的專家學者童時則認為：模塊化是一種思維，通過對系統(tǒng)的特征、規(guī)律進行分析，采用分析和綜合、歸納和演繹、抽象和具體等邏輯方法，使其標準化、規(guī)范化、有序化。模塊化設計有著廣闊的發(fā)展前景，現(xiàn)代社會為追求標準與效率，越發(fā)注重標準化建造與工業(yè)化生產(chǎn)，模塊化設計時常被用于建筑行業(yè)。模塊化建筑設計的重點在于通過標準的建筑模塊單元，借助多元化的組合方式滿足各類使用需求。模塊化設計有著彈性可拓性、功能靈活性的特點，能夠適應建筑設計本質(zhì)，符合建筑應變發(fā)展潮流。對于建筑，模塊化設計能夠從功能、結(jié)構、空間等屬性方面對其實施層級化分類，利用特定的組合方式組建為一個有機成體，通過組合不同的模塊完成建筑系統(tǒng)的進化和升級，可有效增強建筑的環(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)濟結(jié)構的轉(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)化進程中的重要載體。按照結(jié)構體系，模塊化建筑可被劃分為全模塊化建筑和復合結(jié)構模塊化建筑。其中，全模塊化建筑全部是由模塊單元組合而成，復合結(jié)構模塊建筑是模塊單元同其他結(jié)構形式復合而成。模塊化建筑所具有的優(yōu)勢大致可歸納為以下三點：其一，速度快。模塊化建筑從設計到施工開展多線程作業(yè)，能夠極大程度縮短項目周期。比起傳統(tǒng)的從設計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目回報，故而模塊化建筑十分適合高周轉(zhuǎn)的項目。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成，所有模塊的結(jié)構、設備管線等均于工廠中進行預制，能夠進行更為精細化的施工，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，模塊化建筑在運輸、材料循環(huán)使用等方面都更為環(huán)保。

當前，模塊化建筑在技術層面已然非常接近傳統(tǒng)混凝土住宅，但建造成本相對更高。但相關人員在評價模塊化建筑的經(jīng)濟性時不應當僅僅考慮建造成本，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格優(yōu)勢?，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，除技術原因外，還在于公眾對于模塊化建筑的認知程度較低，模塊化建筑受到的社會認可較低。當前，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，若是單一模塊的細節(jié)處理較為粗糙，將會影響到建筑的質(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目尚處于前期摸索階段，需要積累經(jīng)驗，相關人員應當積極開展標準化設計、建筑模塊等方面的相關研究，使得模塊化建筑的設計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)化住宅技術正在向著更為精細化與完善的方向前進與發(fā)展，相關人員需在掌握結(jié)構與構造后對細節(jié)部分進行更為縝密細致的處理，積極探索模塊化建筑的設計方案，促使模塊化設計理念不斷進步，模塊化建筑不斷發(fā)展，以推動建筑行業(yè)的變革步伐。

3 模塊化設計在鋼結(jié)構住宅中的具體應用

3.1 靈活的大空間技術

傳統(tǒng)的住宅存在戶內(nèi)剪力墻，管井管線設施直接入戶，加大了改造與維修的難度，想要進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做出應變，難以實現(xiàn)建筑的長壽化[10]。鋼結(jié)構可有效避免上述弊端，整個建筑的構成采用模塊化設計方法，由套型模塊與公共交通模塊組成住棟單元，相關人員可按照市場的需求變化來選擇套型的組合[11]。鋼結(jié)構住宅將管井管線等設施集中設計于公共空間內(nèi)，便于出現(xiàn)問題時能夠及時進行管理維修。在鋼結(jié)構住宅的套型模塊中，除衛(wèi)浴、廚房等獨立模塊，其余空間運用輕鋼龍骨隔墻，或是從使用功能的角度出發(fā)，或是由住戶家庭結(jié)構出發(fā)進行分割，可有效保證分割的靈活性。

3.2 整體廚衛(wèi)

在鋼結(jié)構住宅的戶型設計中，廚衛(wèi)既是不可或缺的功能區(qū)，也是管線集中的重點區(qū)域，具有位置固定、使用頻率高等特點。因廚衛(wèi)區(qū)域的空間設計關系到上下水與排污，常常會進行降板處理，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)進行結(jié)合，借助生活陽臺進行管線檢修[12-13]。除此之外，廚衛(wèi)規(guī)格應當盡可能統(tǒng)一，以便于內(nèi)裝工業(yè)化建造的實現(xiàn)。對廚衛(wèi)開展模塊化處理，能夠有效解決部分細節(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)的應用

模數(shù)是模塊化策略的落實基礎，貫徹于建筑設計始終。裝配式鋼結(jié)構住宅運用了模數(shù)協(xié)調(diào)技術和標準模塊系統(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。于水平擴大模數(shù)數(shù)列方面選取1/2M、1M、2M、4M、5M與10M，運用范圍包括開間、進深；門窗、洞口等。于豎向擴大模數(shù)數(shù)列方面選取1M、1/2M、1/3M，運用范圍包括層高、洞口與門窗。于節(jié)點構造與構配件截面方面選取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準版，便可滿足不同類型的居住要求，進而發(fā)展成標準化設計，并可成為工廠化生產(chǎn)的重要基礎。

4 項目概況

本文以新西蘭當?shù)亻_發(fā)企業(yè)Dialog Fitzroy Limited推進模塊化住宅項目Dixon Street為例，分析新西蘭地區(qū)鋼結(jié)構模塊化公寓的設計要點。該項目是基于裝配式理念專門研發(fā)的模塊化產(chǎn)品，嚴格遵守當?shù)氐慕ㄖ?guī)范和抗震設計要求，其研發(fā)目的在于期望通過現(xiàn)代建筑方法來實現(xiàn)開發(fā)高質(zhì)量的經(jīng)濟適用房和公寓，比傳統(tǒng)建筑更快、更高效的交付。104 Dixon Street是Dialog Fitzroy Limited模塊化住宅的首個項目，位于新西蘭首都惠靈頓，地塊購置于2018年，該項目計劃開發(fā)46個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)構模塊化公寓的設計方案

5.1 模塊化總體布局

104 Dixon Street項目由兩棟樓組成，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，每層設有2個帶陽臺的住宿單元。內(nèi)側(cè)一棟均為公寓模塊，每層設有5個住宿單元。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聯(lián)性，又具有相對獨立性，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，不適合設計為公寓模塊，但作為商業(yè)模塊與休閑模塊具有明顯的優(yōu)勢。該公寓的設計方案以模塊化布局適應用地條件，建筑群體內(nèi)外暢通，模塊組合錯落有致，空間結(jié)構虛實相間，有效保證了建筑的通風與采光的優(yōu)越性。在104 Dixon Street項目中，公寓模塊是設計方案的基礎與重點，每層設有帶陽臺的住宿單元，保證公寓內(nèi)能夠擁有良好的通風采光條件。

5.2 模塊化功能組織

104 Dixon Street項目住宿單元由兩個箱體拼接組成，單個箱體尺寸（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，對模塊種類進行檢查，同時將管道集中設置于兩個模塊的相鄰部位，有利于共用。該公寓的單元空間標準化程度較高，有著很強的可復制性，同模塊化建筑的基本要素特征相符[14]。每一個箱體都能夠在工廠中進行精細化預制，而后拼接為一個住宿單元。該公寓建筑屬于鋼結(jié)構住宅，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，隔墻所運用的輕質(zhì)隔板想要拆卸也較為方便，無需耗費大量的時間與精力。

圖1 104 Dixon Street項目住宿單元示意圖

6 結(jié)語

鋼結(jié)構住宅的設計需要模塊化的設計思想，此類住宅借助對單元式標準模塊的設計、制造與組裝，完成住宅建設的標準化設計、生產(chǎn)與施工，填充體和結(jié)構體的分離。將單元模塊當作基礎，利用基本模塊的組合形成住戶單元，進而組合為單棟建筑完成預制裝配式住宅。多元化的單元組合方式能夠形成個性化的功能分區(qū)，且模塊化的分割方式可有效適應不同業(yè)主的實際需求，還可為匹配建筑內(nèi)裝提供便利。模塊化設計對于鋼結(jié)構住宅的空間靈活布局與標準化生產(chǎn)有著十分重要的意義。鋼結(jié)構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，應用前景廣闊。