模块化设计在装配式钢结构住宅中的应用研究

1 引言

近年来,随着人们对生活环境的追求和环保观念的增强，建筑业正逐步向更加绿色环保的工业化建筑方向发展。在传统建筑业能耗更大，施工周期长，施工现场混乱，建筑垃圾较多等因素的背景下，建筑工业化的发展迫在眉睫。现如今，工业化建筑主要有钢结构、预制混凝土结构、木结构等几种主要结构形式。钢结构体系具有空间布置灵活、抗震性能好、自重轻、材料循环使用率高等优点，最近几年国内在钢结构住宅上也有一些实践，为钢结构住宅体系的发展和完善提供了良好的基础。

2 钢结构住宅概述

2.1 钢结构住宅与传统住宅比较

现阶段我国的钢结构住宅在技术上与传统混凝土住宅相比已经十分接近，在人们最关注的防火、隔音等方面已经有明显改善。虽然钢结构住宅仍存在建造成本偏高的问题，但这种说法比较片面，如果基于全生命周期来看，在建筑能耗以及建筑材料回收再利用等方面，钢结构住宅的价格优势将发挥出来。另外，钢结构住宅之所以还没有大规模普及的一个主要原因，还是大众的认知程度不同，相较于传统住宅还需要更大的社会认可。

从住宅的使用上来看，钢结构住宅的得房率约比传统住宅高5%～8%，减小了室内空间柱梁体系的影响，使得空间布局更加灵活。传统住宅由于受户内剪力墙的影响，户型往往不可变，而钢结构住宅户内没有任何承重剪力墙体，业主可以自主决定内部空间的分隔，内部隔墙使用的轻质隔板也为拆卸提供了方便。

2.2 钢结构住宅存在的问题

2.2.1 标准化设计薄弱

在走访住宅产业化工厂的过程中，我们了解到，基本我国的钢结构住宅设计整体上还停留在造房子阶段，简单来说，就是现阶段的建造模式只是将原有的现场生产搬到工厂中进行而已。造成这种现象的主要原因，是大多数项目其实还处于住宅产业化的摸索阶段，同时作为商品房不得不考虑业主的需求，所以很难实现工厂化的批量生产。究其根本，还是因为我们的标准化构件少，在建筑模块、标准化设计方面的研究欠缺，导致装配式住宅不如传统设计方法丰富。但是住宅产业化的关键在于标准化的生产而不是标新立异。因此如何让工厂化生产与设计协调发展，实现工厂化的大生产是我们需要解决的问题。

第二次世界大战后，为尽快解决战争对于我们生活环境的破坏，急需一种快速建造住宅的建造方式，社会大环境为工业化住宅的发展提供了温床，但同时在工业化住宅建设中也存在着标准化与多样化的问题。于是在20世纪60年代中期，哈布瑞肯教授提出了SAR（Stitching Architecten Research）体系，将住宅设计分为支撑体和可分单元可分单元主要包括厨房单元、卫生间单元、楼梯单元、收纳单元等，每一个单元都可以视为一个模块。

在装配式住宅中,经常会出现室内外梁柱裸露的情况,这种现象不仅影响了室内的空间使用率,对内装造成一定的困难和局限,也对住户的视觉生理感受产生了负面的影响。另外还会出现一些管线布置随意，接缝处理不到位等问题。这些不足之处都说明了当前我国的工业化住宅技术需要向更加精细和完善的方向发展，很多细节部分都需要设计师在了解结构和构造后更加缜密的处理。

3 模块化设计

上述问题的原因，究其根本是因为没有一种系统化的设计理念作为装配式钢结构住宅的指导思想，而模块化设计恰好是一种自上而下的设计，它主要着眼于整个建筑系统，由总而细地将功能进行分解与组合。它可以通过一系列的标准化设计，使得整个建筑系统更加有序、灵活，对提升住宅品质具有重要意义。

周 全 中国矿业大学建筑与设计学院 硕士研究生

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3.1 古今模块化设计的演变

从秦砖汉瓦到现代建筑业，其实都蕴含着模块化设计的思想。古时候的砖块由模具制成，作为当时建筑的基本单元。但这一单元跟现代建筑材料相比太过单一，且建筑效率低下，在工匠们长时间的实践里，逐渐演变出“模数”这一概念。正是因为有了模数的协调与统一，才使得建筑从现场施工到工厂化生产成为可能。建筑设计师可以从工厂设计和生产的各个标准模块中，根据居住者的需求，选用和组合模块。

3.2 装配式住宅体系中的模块化思想

3.2.3 中国百年住宅体系

1158分段1#盘区三分层已经回采结束进路15条，这15条进路设计出矿量为66199t，而参考地测室2012年实际验收报表该15条进路共计出矿76925t，比设计出矿量增加10716t。集中拉底在1158分段1#盘区三分层应用取得了成功，可以适用于一期进路中，但需要工区加强管理。集中拉底方法在1#盘区的应用提高了1158分段1#盘区的资源回收率。

3.2.1 SAR体系

2.2.2 细节处理粗糙

这首歌是一般是新娘出门后才会唱的故事歌。此处用的是《红楼梦》中“黛玉葬花”的典故。从前九寨的女子被迫嫁人，内心悲苦，常常引用黛玉葬花来表达自己的无奈与感伤。

SI（Skeleton and Infill）体系是以SAR体系为基础，由日本不断发展而形成的住宅体系。它将住宅分解为支撑体（Skeleton）及填充体（Infill），然后进一步将支撑体系统分解为主体结构系统、公用设备管线以及公共空间部分(图1)；将填充体系统细化为相关公用部分（非承重外墙、分户墙、外窗等）、内装部品、户内设备管线及自用部分（家具等）。SI体系相比于SAR体系，将模块的划分更加精细化，对于建筑部品的研究更加细致，这种灵活性与适应性的模块化设计为住宅的多样化发展以及居住品质的提高提供了可能。

在装配式住宅发展的漫漫长河中，产生过很多优秀的成果，形成了诸如SAR体系、SI体系、百年住宅体系等，在这些住宅体系中，无一例外的都选择对住宅进行拆分，通过对单一部品进行分析研究，来提升建筑的整体品质，这便是模块化设计在工业化住宅里的应用。

钢结构住宅的设计离不开模块化的设计思想，这些住宅通过对单元式标准模块的设计、制造及组装，实现住宅建设的标准化设计、专业化生产及施工，结构体与填充体的分离。以单元模块作为基础，通过基本模块的组合，进而形成住户单元，最后组合成单栋建筑完成预制装配式住宅。多样灵活的单元组合方式也实现了个性化的功能分区。同时模块化的分割方式，很好的适应了不同业主的需求以及便于匹配建筑内装。总而言之，模块化设计对钢结构住宅的标准化生产以及空间的灵活布局具有重要意义。

4 模块化设计在钢结构住宅中的应用

中国的百年住宅体系是以全生命周期理念为基础，是为了提升住宅的整体价值，建设可持续居住的人居环境为目标的一套体系。它以实现建设产业化、建筑长寿化、品质优良化、绿色低碳化为目标。建设产业化的核心就是发展装配式住宅，通过系统化的设计、科学化的管理来实现，为实现这一目标，模块化的思想需贯彻始终。建筑的长寿性牵扯到更多方面，主体耐久性的提升，内装随着时间的推移以及人们需求的改变而改变，实现这些需要依托对住宅单一部品的研究，以达到对部品性能的提升，发挥部品的可替换性，实现住宅的灵活多变。对于通用化部品的研究也需要用模块化的手法将其层层拆分，以期达到使用目标。

4.1 灵活的大空间技术

传统住宅的户内剪力墙多，管井管线设施入户，不利于改造和维修，二次装修也存在着诸多不便，往往无法随着人们生活需要的变化而做出灵活的应变，很难实现建筑的长寿化。而钢结构住宅恰恰可以避免上述问题，整个住栋的构成运用模块化的设计方法，住栋单元由套型模块及公共交通模块一同构成，套型的组合可根据市场需要来灵活选择。在公共空间内设计集中管井管线等设施，方便管理维修。在套型模块中，除了厨房、卫浴等部分作为独立模块置于其中，其他空间均可采用轻钢龙骨隔墙，或从居住者家庭结构出发，或从使用功能出发进行灵活分割。（图1）

  

图1 户型的变化与分隔（图片来源：中南集团钢结构住宅体系）

4.2 整体厨卫

厨房和卫生间是钢结构住宅户型设计中的关键之处，也是管线集中的地方，这两块区域作为每个住宅都必不可少的功能区，有着高使用频率，位置固定的特点。另外由于这两个空间设计到上下水及排污，往往会进行降板处理，管线的布置也较为密集，优先选择临近入口处的位置，便于利用公共管井；或与生活区结合，利用生活阳台检修管线。另外厨房、卫生间规格应该尽量统一，方便内装工业化建造的视线。厨房卫生间的模块化处理，解决了一部分细节处理粗糙的问题，提升了居住品质，对住户的生活带来很大的利好。（图2）

  

图2 整体卫生间、整体厨房(图片来源：网络)

4.3 模数协调的应用

模数作为模块化策略的实现基础，自然贯彻建筑设计的始终。在装配式钢结构住宅中，采用了模数协调技术与标准模块系统。可组合从80m2～160m2的各类住宅建筑的平面和立面，基本选择以M（1M=300mm）为基本模数。在水平扩大模数数列上选择1/2M、1M、2M、4M、5M、10M，使用范围为开间、进深；柱距、跨度；墙板；门窗、洞口。在竖向扩大模数数列上选择1M、1/2M、1/3M，使用范围为层高、门窗、洞口。在节点构造以及构配件截面上选择1/30M。模数数列建立以后，只要将基本模块形成所需要的标准版及部分异形板按照需求生产出来后，即可满足各类居住要求，从而形成标准化设计，并成为工厂化生产的基础。

5 结语

钢结构住宅作为住宅产业化中的一种重要形式，有利于进一步提高我国住宅产业化的水平。而模块化设计对于提升钢结构住宅设计水平，为住户提供一个安全、健康、适用、节能、绿色、环保的居住环境具有重要的意义。通过对建筑模块的不断优化，营造出一个更加宜居的环境，是我们继续努力的目标。

参考文献：

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