建筑模塊化研究進(jìn)展綜述

陳 謙 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

建筑模塊化研究進(jìn)展綜述

陳 謙 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究狀況，從發(fā)展背景、市場(chǎng)需要等角度對(duì)建筑模塊化技術(shù)進(jìn)行了分析，就不同的建筑模塊化研究思路分別提出了其發(fā)展優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)階段存在的一些問(wèn)題，基于各種不足，從成本、設(shè)計(jì)、安全性能等方面提出了改進(jìn)措施。

建筑模塊化，預(yù)制拼裝，集裝箱

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，帶動(dòng)了建設(shè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，其理論和技術(shù)水平也得到了相應(yīng)的提升，日趨成熟。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而帶來(lái)的一系列問(wèn)題也愈加凸顯，例如人口密度增大、資源過(guò)度浪費(fèi)、環(huán)境急劇惡化等，這種以量變求發(fā)展的模式已經(jīng)不能再繼續(xù)了,綠色、可持續(xù)建筑才是今后土建行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

新思維、新理念是土建行業(yè)發(fā)展的源泉。隨著工程類型的復(fù)雜化，施工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化，社會(huì)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的精益程度要求越來(lái)越高。此時(shí)，為了滿足日益增長(zhǎng)的需求，就必須引入一種新的建設(shè)體系，來(lái)解決現(xiàn)階段所存在的這些問(wèn)題，而“建筑模塊化”就是一個(gè)很好的創(chuàng)新體系。

建筑模塊化是指將若干個(gè)在工廠預(yù)制的空間模塊，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后像搭積木一樣地搭建而成的建筑。模塊化技術(shù)集設(shè)計(jì)、制造、搭建和驗(yàn)收為一體，有效的縮短了建設(shè)工期，可以更快的回收資本，是一種新的、有前景的理念，以技術(shù)創(chuàng)新為核心，具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研究狀況

建筑模塊化并不是憑空而來(lái)，它是總結(jié)前人的想法，逐步深入發(fā)展而來(lái)的。在西方和我國(guó)，對(duì)此均有大量的研究探討，以及付諸實(shí)際，尤其是近現(xiàn)代。

1.1 國(guó)外研究狀況

國(guó)外關(guān)于建筑模塊化，主要以可持續(xù)建筑作為發(fā)展和研究的目標(biāo)，其理論和應(yīng)用都有了一定的積累。

20世紀(jì)初，盛行現(xiàn)代主義和極少主義風(fēng)潮，在解構(gòu)主義的“沖突”與“瘋狂”的沖擊下，提出了“少就是多”的原則。早期的建筑模塊化只是一種簡(jiǎn)單而獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)外建筑師主要以盒子體系為主，節(jié)約空間布局，簡(jiǎn)化施工，優(yōu)化建設(shè)工期。

許多著名建筑師都曾提出關(guān)于模塊化的觀點(diǎn)。一戰(zhàn)前，瓦爾特·格羅皮烏斯就提出了自己的觀點(diǎn)：新時(shí)代的建筑應(yīng)該既是科學(xué)的又是實(shí)用的，能夠在工廠的流水線上大批量生產(chǎn)制造。1910年，他主持設(shè)計(jì)的包豪斯校舍，三個(gè)模塊間彼此獨(dú)立，以通路相連，其體現(xiàn)出的模塊特性就是以功能來(lái)劃分模塊[1]。

1947年，勒·柯布西耶提出了“抽斗式住宅”的設(shè)想:用堅(jiān)固的材料做框架，在框架形成的格子中，插入可以隨時(shí)抽出的模塊構(gòu)件，就像在柜子上安放可以隨時(shí)抽出的抽斗一樣。

20世紀(jì)60年代，日本興起了以動(dòng)態(tài)的功能觀來(lái)看待建筑的“新陳代謝理論”。黑川紀(jì)章是其中的代表人物，在其基礎(chǔ)上又提出了“變形”的概念和“點(diǎn)式刺激法”，認(rèn)為建筑作為一種結(jié)構(gòu)，分為穩(wěn)定體和易變體兩部分，前者采用混凝土等永久性建筑材料作為承重結(jié)構(gòu)不再改變；后者則用塑料、木板等輕型材料，根據(jù)不同時(shí)期的功能要求而更替[1]。

20世紀(jì)后期，集裝箱改造房逐漸興起，隨之出現(xiàn)了一系列專利與書籍。如美國(guó)1986年的Modular Container System，針對(duì)建筑功能提出了單個(gè)集裝箱的改造方法。以及Intermodal Shipping Container Small Steel Structure，這本書針對(duì)由2個(gè)～4個(gè)集裝箱模塊組合成的小型集裝箱改造房，從基礎(chǔ)選擇、空間擴(kuò)展、模塊連接等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并提出規(guī)則的建筑造型是最安全的觀點(diǎn)[2]。

隨著科技發(fā)展，對(duì)于模塊化的研究逐漸深入到施工的細(xì)節(jié)方面。英國(guó)薩里大學(xué)的Robert Mark Lawson教授等對(duì)模塊組合結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。加拿大西安大略大學(xué)的C.D.Annan教授等對(duì)多層鋼模塊建筑的連接形式和抗震性能進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究狀況

在當(dāng)代，我國(guó)對(duì)于建筑模塊化的研究起步較晚，理論比較單薄，缺乏多學(xué)科的交叉互補(bǔ)，宏觀層面的論述較多，深入具體研究和有創(chuàng)新突破的較少，在很多方面還是空白。直到近幾年，情況才逐漸改善，進(jìn)行了一些相關(guān)研究。

1.2.1 預(yù)制裝配式建筑

20世紀(jì)90年代以來(lái)，在政府的支持下，一些大學(xué)和科研院所，將模塊化運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)與施工等領(lǐng)域，研究大多以“盒子結(jié)構(gòu)”作為空間單元進(jìn)行組合，體系較為單一。

2010年，崔惶院士發(fā)表《中間建筑》一文，較為完整的解剖了建筑師如何運(yùn)用模塊化策略在設(shè)計(jì)中進(jìn)行功能組合，提到模塊化方法應(yīng)該深入到建筑的每一處細(xì)節(jié)中：幕墻劃分、門窗洞口以及整個(gè)內(nèi)部空間布局，達(dá)到外部形式與內(nèi)部功能的有機(jī)結(jié)合。

1.2.2 拆裝式集裝箱建筑研究

相較于預(yù)制裝配式建筑的研究，我國(guó)對(duì)于拆裝式集裝箱的研究較早，有一定的成績(jī)。

2006年，中國(guó)建筑科研院的申世元、葛學(xué)禮等發(fā)表的論文《拼裝式輕鋼活動(dòng)房結(jié)構(gòu)安全分析及改進(jìn)意見(jiàn)》中介紹了大量輕鋼結(jié)構(gòu)拼裝式房屋現(xiàn)狀，對(duì)這類房屋從承載力和變形的角度采用有限元模型進(jìn)行分析論證，指出了其中的問(wèn)題并提出了改進(jìn)建議。

天津大學(xué)的黃光宏、馮遠(yuǎn)紅等運(yùn)用NASTRAN軟件對(duì)擴(kuò)展集裝箱式房屋建立空間整體模型，對(duì)縱向1/2整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了20 cm雪載和X向10級(jí)風(fēng)載的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的查曉雄教授利用ABAQUS軟件，對(duì)多層集裝箱房屋在十字卡件等節(jié)點(diǎn)連接形式的條件下，進(jìn)行集裝箱房的頂端荷載—位移曲線的模擬，得出十字卡件等節(jié)點(diǎn)連接形式的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)[2]。

2 研究?jī)?nèi)容與框架

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一系列理論研究及施工人員的實(shí)踐總結(jié)，建筑模塊化按照研究?jī)?nèi)容大致可分為兩個(gè)方面：1)預(yù)制裝配式建筑，是采用在工廠預(yù)制的桿件、板塊等，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連接、裝配而成的建筑，主要為多層、高層建筑，見(jiàn)圖1；2)拆裝式集裝箱房屋，是以若干廢棄集裝箱為主體，作為現(xiàn)成的建筑材料，搭建或組裝而成的建筑，多為中低層建筑，見(jiàn)圖2。

2.1 預(yù)制裝配式建筑

預(yù)制裝配式建筑是指將整個(gè)建筑分解為梁、柱、板等基本構(gòu)件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化裝配施工的建筑。構(gòu)件的裝配過(guò)程是將不同構(gòu)件按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組合的過(guò)程，是模塊整合的過(guò)程。根據(jù)不同的預(yù)制程度，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系分為三類，見(jiàn)圖3。

2.2 拆裝式集裝箱房屋

拆裝式集裝箱房屋是指對(duì)既有的廢棄集裝箱進(jìn)行改造，在鉆孔、組裝以及進(jìn)行加固后而成的一種新的建筑。按照空間組合方式的不同，主要可分為兩大類，見(jiàn)圖4。

2.2.1 基本組合

集裝箱處于并置關(guān)系，通過(guò)打通模塊之間的接觸面來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的延伸而形成整體，主要通過(guò)單箱、堆碼、橫向并置、縱向并置等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 拓展組合

充分利用內(nèi)部的空間，通過(guò)平面和立面上的錯(cuò)位使集裝箱模塊之間產(chǎn)生包容空間，這種包容空間屬于有效的使用空間，可以靈活使用。

3 發(fā)展優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題

建筑模塊化作為新興技術(shù)，擁有一系列突出的優(yōu)勢(shì)，其最大特點(diǎn)就是提高作業(yè)效率，縮短施工周期，更早的交付投資方，使其更快回收資本。其次，工業(yè)化生產(chǎn)使模塊單元具有精良的工藝：流水線作業(yè)，機(jī)械精準(zhǔn)切割，保證高品質(zhì)。工廠施工的環(huán)境可控，可對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行全方面檢測(cè)，控制制造誤差。同時(shí)，模塊化建筑有2/3以上的施工過(guò)程在工廠內(nèi)完成，只留少量連接拼裝等工作在現(xiàn)場(chǎng)采用干燥作業(yè)，總用工量少，勞動(dòng)條件有所改善，還可減少對(duì)周圍生活環(huán)境的影響。

不過(guò)，建筑模塊化要想在國(guó)內(nèi)迎來(lái)爆發(fā)式發(fā)展，還有待解決一些問(wèn)題。首先，其成本較高。比如，建造一個(gè)50 m2的公寓，裝配式建造方式的成本大致是傳統(tǒng)建造方式的2倍～3倍。其次，模塊規(guī)格制式化且種類較少，房間尺寸受到了限制，導(dǎo)致樣式設(shè)計(jì)可選擇的范圍有限。然后，預(yù)制構(gòu)件或集裝箱往往體積大、重量大，造成半成品運(yùn)輸、裝卸、吊裝困難，使模塊建筑的建設(shè)、適用范圍受到了限制。另外，建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)和建造可以標(biāo)準(zhǔn)化，但是由它形成的體系很難做到標(biāo)準(zhǔn)化。按層制造，現(xiàn)場(chǎng)靠螺栓連接的建筑，在荷載下螺栓反復(fù)受力產(chǎn)生疲勞和松動(dòng)的可能性很大，安全性能就受到了挑戰(zhàn)[5]。只有解決了上述問(wèn)題，一系列建筑模塊化技術(shù)才能整合起來(lái)，形成新的建筑體系，才能在更廣的領(lǐng)域付諸實(shí)踐，推動(dòng)土建行業(yè)蓬勃發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

建筑模塊化，其實(shí)是建立了一種有效的操作手段，具體的實(shí)施要根據(jù)實(shí)際情況逐步累積經(jīng)驗(yàn)。它是一種創(chuàng)新技術(shù)，現(xiàn)階段擁有巨大的潛力，當(dāng)然也有一些不足，但這些問(wèn)題并不是不能解決的。例如現(xiàn)階段模塊構(gòu)件成本高，可以結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，在工程化比較集中的地方修建模塊構(gòu)件預(yù)制廠，為工程提供模塊構(gòu)件；或者在模板工廠內(nèi)增建生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)模塊構(gòu)件,所需追加投資不多,而受益較大；還可在工廠中生產(chǎn)一些金屬、塑料與混凝土混合的輕質(zhì)材料,既降低構(gòu)件本身成本，也相應(yīng)的減少運(yùn)輸成本。

模塊化的前提是不同實(shí)體之間有合作方式，但每個(gè)模塊內(nèi)部都有自由創(chuàng)作的空間。模塊化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,而非一個(gè)孤立的靜止事物,在生命周期結(jié)束前將一直處于修改、更新?tīng)顟B(tài)。至于安全性能，現(xiàn)階段最有效的方法就是嚴(yán)把審核關(guān)卡，此處我們可以借鑒國(guó)外招標(biāo)過(guò)程中“兩段三審”的方法，透明招標(biāo)過(guò)程,減少人為因素的干擾。同時(shí)，政府部門的監(jiān)管職能要充分發(fā)揮。隨著國(guó)際化進(jìn)程的逐漸加快，我國(guó)將真正的建立健全模塊建筑工程的安全性能體系。

近年來(lái)，我國(guó)處在一個(gè)大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)的時(shí)期，建筑市場(chǎng)潛力巨大，全國(guó)居民住宅還處于一個(gè)供不應(yīng)求的局面中，現(xiàn)在加緊對(duì)模塊化建筑的研究開發(fā)工作，是很有現(xiàn)實(shí)意義的。而且,這種住房最大的優(yōu)勢(shì)不在買房人，而是外來(lái)的尋租戶。尤其是每年流入城市的近2億人的民工大潮，這個(gè)數(shù)以億計(jì)的巨大人群將會(huì)成為模塊化建筑的主要消費(fèi)對(duì)象。

對(duì)于模塊化建筑，采用新技術(shù)、新材料是增強(qiáng)它競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。目前，我國(guó)大量推廣建筑模塊化的條件還未完全成熟，但隨著生產(chǎn)的規(guī)?；蜕a(chǎn)技術(shù)水平的提高，越來(lái)越多新穎設(shè)計(jì)方案的涌現(xiàn)，模塊化建筑將呈現(xiàn)出大規(guī)模的發(fā)展態(tài)勢(shì)。建筑的模塊化是整個(gè)建設(shè)領(lǐng)域工業(yè)化的結(jié)果，是行業(yè)發(fā)展?jié)u進(jìn)的方向。在初始階段，由于存在著一些技術(shù)與管理上的問(wèn)題，模塊化的效益不太明顯。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，解決了上述問(wèn)題后的整個(gè)建設(shè)行業(yè)將擁有巨大的發(fā)展前景，迎來(lái)新一次的騰飛。

[1] 仝非非.建筑設(shè)計(jì)的模塊化探研[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[2] 查曉雄.輕鋼活動(dòng)房計(jì)算理論——靜動(dòng)力、優(yōu)化、性能化防火、集裝箱改造房[M].北京:科學(xué)出版社，2011:265-266.

[3] 王小盾，曲可鑫.模塊化建筑技術(shù)綜述[J].工業(yè)建筑，2013(sup):56-64.

[4] 王 蔚，魏春雨.集裝箱建筑的低碳模式[J].建筑學(xué)報(bào)，2011(S1):130-135.

[5] 郭 菁.可持續(xù)建筑：遠(yuǎn)大集團(tuán)拼裝高樓[J].上海經(jīng)濟(jì)，2013(3):37-39.

Researchsurveyofmodulararchitecture

CHENQianJIAJie

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

On the basis of the current research achievements at home and abroad, this article gives a brief analysis on modular architecture from different perspectives like development background and market demand. Comes up with research ideas strengthes and existing problems respectively, thus gives corresponding improvement proposals from cost, design and safety based on these problems.

modular architecture, precast consolidation, container

1009-6825(2014)33-0093-03

2014-09-17

陳 謙(1993- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，講師

TU741

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