談建筑模數(shù)在低層輕鋼建筑中的應(yīng)用

杜 瑋

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

1 概述

輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系建筑在國(guó)內(nèi)屬于一種新型建筑，這種體系一般適用于低層住宅，該體系結(jié)構(gòu)骨架主要包括冷彎型鋼和小型熱軋型鋼。輕鋼龍骨體系由立柱，梁，天、地龍骨及中間支撐通過(guò)配套扣件和加勁件用自攻螺釘連接組成。立柱間距為400 mm～600 mm，用輕型板材，比如石膏板、OSB板、PC板、水泥纖維板、彩鋼板等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)板材的使用，使室外裝飾在色彩及材料類型選擇上具有更大的靈活性，在設(shè)計(jì)上更易實(shí)現(xiàn)舒適性、美觀性、綠色環(huán)保的理念。樓面系統(tǒng)采用樓面輕鋼龍骨，上鋪OSB板和面層，下設(shè)吊頂，可便于各設(shè)備管線的穿行。

在歐洲、美國(guó)、日本及澳大利亞等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑早已得到廣泛應(yīng)用。比如在美國(guó)一般的低層民用建筑中，采用鍍鋅輕鋼龍骨作為承重結(jié)構(gòu)，此輕鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用在住宅建設(shè)中所占的比例，20世紀(jì)90年代初只占5%，而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到25%左右，且技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。在我國(guó)，雖然低層輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系的研究尚處于起步階段，但是其市場(chǎng)呈迅猛發(fā)展趨勢(shì)，一些國(guó)外的大型鋼構(gòu)公司如巴特勒、美建、博思格已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)建筑市場(chǎng)。根據(jù)《國(guó)家建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)“十五”計(jì)劃和2015年發(fā)展規(guī)劃綱要》，我國(guó)到2015年將達(dá)到每年建筑用鋼量占全國(guó)鋼材總產(chǎn)量的6%。這對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)尤其是輕鋼結(jié)構(gòu)建筑，正是它的發(fā)展機(jī)遇，為它向標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了根本保障。

2 模數(shù)化的重要性

1)基本概念。建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)化的一種表現(xiàn)形式，以使建筑構(gòu)配件和組合件實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑構(gòu)配件、組合件符合一定模數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)到較大通用性和互換性的目的，最終實(shí)現(xiàn)加快設(shè)計(jì)速度，提高施工質(zhì)量和效率，綜合降低建筑成本。

建筑模數(shù)單位即是建筑物及其構(gòu)配件或組合件選定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸單位，并作為尺寸協(xié)調(diào)中的增值單位。在建筑模數(shù)協(xié)調(diào)中其基本模數(shù)的數(shù)值應(yīng)為100 mm，其符號(hào)為M，即1M等于100 mm。整個(gè)建筑物和建筑物的一部分以及建筑組合件的模數(shù)化尺寸，應(yīng)是基本模數(shù)的倍數(shù)。

2)模數(shù)化設(shè)計(jì)理念是低層輕鋼建筑產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)國(guó)家發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步到一定階段所必經(jīng)的過(guò)程，其特征是產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)重心由初級(jí)產(chǎn)品向制造業(yè)轉(zhuǎn)移。即以模數(shù)化構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化，以標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)在古代的建筑中就已經(jīng)有所應(yīng)用。隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，現(xiàn)代建筑的模數(shù)化、產(chǎn)業(yè)化更是建筑業(yè)發(fā)展的必然潮流，尤其是設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿模數(shù)化理念，為建筑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、建筑構(gòu)配件加工機(jī)械化、運(yùn)輸過(guò)程簡(jiǎn)便化、現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代社會(huì)要求建筑走精細(xì)化道路，對(duì)于設(shè)計(jì)伊始不僅要考慮滿足建筑功能的要求，更需要考慮到建筑構(gòu)配件便于工廠化加工，方便運(yùn)輸，盡量使施工難度降低并能夠節(jié)約工期，并且要求綠色環(huán)保。低層輕鋼建筑與此要求非常契合，這就需要我們用模數(shù)化理念去武裝它，以實(shí)現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)化去生產(chǎn)、去建設(shè)，最終達(dá)到像做產(chǎn)品一樣去做房子的夢(mèng)想。

3 模數(shù)化實(shí)施的原則和方法

目前的模數(shù)化更著重于“模數(shù)+協(xié)調(diào)”的原則方法，模數(shù)化也不像過(guò)去般墨守成規(guī)，導(dǎo)致個(gè)性化缺失。住宅部件實(shí)現(xiàn)通用性和互換性是模數(shù)協(xié)調(diào)的最基本原則。就是把部件規(guī)格化、通用化，使部件可適用于常規(guī)住宅建筑，并可滿足各種需求。建筑的模數(shù)協(xié)調(diào)涉及到各個(gè)行業(yè)，所以需要各方通力合作，共同遵守模數(shù)協(xié)調(diào)原則。模數(shù)協(xié)調(diào)原則應(yīng)用就是在滿足建筑基本功能需求的基礎(chǔ)上，實(shí)行參數(shù)系列最少化，可以保證制造加工的簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，安裝快速。為了適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，滿足人們的生活需要和大規(guī)模建設(shè)的需要，建筑部件的加工生產(chǎn)必須同其他加工制造業(yè)看齊，需要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。要實(shí)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)該重視設(shè)計(jì)模數(shù)化，構(gòu)配件加工工廠化，施工簡(jiǎn)便化，建筑材料綠色化等方面的工作。

1)設(shè)計(jì)模數(shù)化。從建筑方案設(shè)計(jì)開始，建筑物的設(shè)計(jì)就遵循一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，盡量做到建筑物及其構(gòu)配件的模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、材料的定型化。這在各國(guó)的建筑工業(yè)化發(fā)展過(guò)程中都作為一條重要原則在遵守。如果在設(shè)計(jì)這個(gè)先行工作中就沒有考慮到標(biāo)準(zhǔn)化，那么在后續(xù)加工制造和施工過(guò)程中就更難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，那實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)就是鏡花水月了。標(biāo)準(zhǔn)化并不是要限制建筑多樣化，而是按照相應(yīng)的規(guī)范原則要求，盡量使標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件規(guī)格少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化，但是通過(guò)細(xì)部裝修個(gè)性化設(shè)計(jì)，使建筑達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化的完美結(jié)合。

2)構(gòu)配件加工工廠化，施工簡(jiǎn)便化。在設(shè)計(jì)模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，構(gòu)配件有一定的規(guī)律可循并且規(guī)格較少，具備工廠化生產(chǎn)的條件。所謂建筑物的工廠化率，主要就是指建筑物的構(gòu)配件及其組合過(guò)程有多大部分是在工廠完成的，是衡量建筑工業(yè)化的主要指標(biāo)。低層輕鋼建筑的工廠化率就非常高，它的所有建筑構(gòu)配件都可以在工廠加工完成，在現(xiàn)場(chǎng)裝配完成，這樣建造房子就像組裝家具、搭積木一樣簡(jiǎn)單方便，符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。建筑工業(yè)化施工方法與傳統(tǒng)施工方式最大的區(qū)別就是現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)配件裝配施工，不需現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)。由于建筑構(gòu)配件均為工廠化加工，精度很高，所以現(xiàn)場(chǎng)施工的精細(xì)化程度也很高，誤差較小，施工效率高，可以大大節(jié)省工期，從而體現(xiàn)出較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。低層輕鋼建筑的現(xiàn)場(chǎng)施工更是非常便利，由于高度不高，并不需要大型施工機(jī)械，通過(guò)人工即可完成。

3)建筑材料綠色化。2013年1月1日，國(guó)務(wù)院辦公廳以國(guó)辦發(fā)［2013］1號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制訂的《綠色建筑行動(dòng)方案》，明確要求:要推動(dòng)建筑工業(yè)化。綠色建筑已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，綠色建筑與以往單純的建筑節(jié)能有著本質(zhì)的區(qū)別。它不僅要考慮節(jié)能，更要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)減排和保護(hù)環(huán)境，這是以往單純考慮建筑節(jié)能的一種升華。低層輕鋼建筑不僅能夠滿足建筑功能要求，滿足承載力要求，而且它節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和保護(hù)環(huán)境，更好的滿足了綠色建筑的要求，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的高效利用和循環(huán)利用。它是綠色建筑的重要代表，在發(fā)達(dá)國(guó)家已被廣泛應(yīng)用。

4 工程實(shí)例

某別墅項(xiàng)目，采用輕鋼龍骨建筑體系，單層建筑，層高3.6 m，是低層輕鋼建筑的代表，是標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的一次客觀實(shí)現(xiàn)，其中采用了一些模數(shù)化設(shè)計(jì)理念。但由于輕鋼龍骨建筑在國(guó)內(nèi)發(fā)展尚屬于起步階段，所以模數(shù)化理念只是做了初步應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)滿足建筑功能使用要求的基礎(chǔ)上，首先，在平面設(shè)計(jì)中考慮了模數(shù)化。在兩種戶型設(shè)計(jì)中，將臥室的開間統(tǒng)一為4 000 mm，起居室開間為6 600 mm，衛(wèi)生間統(tǒng)一為2 400 mm×1 600 mm。這樣窗戶大小位置與入戶門的位置都可以統(tǒng)一，在門窗洞口處的構(gòu)件尺寸可以保持一致，減少了構(gòu)件類型，提高了構(gòu)件加工效率。衛(wèi)生間尺寸的確定考慮了裝修中鋪面磚，可以鋪100 mm×100 mm或者200 mm×200 mm的面磚，以確保地面和墻面均為整磚，不用對(duì)面磚進(jìn)行切割。其次，外墻面采用輕鋼龍骨內(nèi)襯保溫棉，外掛金屬雕花墻板的形式，大大提高了安裝效率，加快了施工進(jìn)度。最后，在水電設(shè)備管線的布置上綜合考慮了使用和布局的合理性，管線均布置在墻面與屋面的輕鋼龍骨內(nèi)，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中均節(jié)省時(shí)間也無(wú)需耗費(fèi)過(guò)多精力。

方便運(yùn)輸、降低施工難度并節(jié)約工期。所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，都在工廠加工完成后，可以按統(tǒng)一編號(hào)裝箱打包，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)。由于輕鋼結(jié)構(gòu)本身自重就比較輕，運(yùn)輸過(guò)程不需要大型機(jī)械，這樣在運(yùn)輸成本方面是比較經(jīng)濟(jì)的。施工現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工，全部為干作業(yè)，工期很短并且受周圍環(huán)境變化影響較小。此例中，建筑面積為210 m2，設(shè)計(jì)、加工完成后，從地基建設(shè)到內(nèi)外裝修整個(gè)工程全部結(jié)束，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，8個(gè)工人30 d即可全部完成，這無(wú)疑是標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的典范。

此例是對(duì)節(jié)能環(huán)保宗旨的契合。一方面在建筑與結(jié)構(gòu)選型及選材上，選用了輕鋼龍骨建筑體系，此建筑體系的特點(diǎn)之一即是綠色環(huán)保，耗能低。鋼材可以回收再利用且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。外掛金屬雕花墻板，不會(huì)分解霉變、無(wú)污染，非常環(huán)保，被拆卸后可以被重新利用，安裝在其他建筑上，在施工過(guò)程中為干作業(yè)，很大程度地減少建筑垃圾，也減少對(duì)周圍土地、水域等自然環(huán)境的污染，符合目前的綠色環(huán)保意識(shí)。另一方面尺寸統(tǒng)一使得構(gòu)件尺寸一致，加工中減少了材料的消耗量，從而節(jié)約了原材料。此外，外墻面采用的是高效節(jié)能的墻體，構(gòu)造做法為:雙層12 mm石膏板+75 mm玻璃保溫棉+C92鋼骨架+12 mm OSB板+25 mm XPS保溫板+外掛板，如圖1所示。外墻面鋼龍骨中不僅填充了保溫棉，具有良好的保溫隔熱效果，且墻體內(nèi)保溫棉與墻面外保溫板共同作用，能有效避免墻體的“冷橋”現(xiàn)象，形成雙保險(xiǎn)，使保溫隔熱性能得到更好的保證。根據(jù)PKPM節(jié)能計(jì)算，此外墻構(gòu)造的傳熱系數(shù)僅為0.4，其保溫性能相當(dāng)于550 mm厚的加壓混凝土砌塊墻。對(duì)整個(gè)建筑整體耗能而言，此輕鋼體系比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系能耗減少約60%，大大降低了使用者的能耗費(fèi)用，是真正意義上的低能耗建筑。

圖1 外墻面的構(gòu)造做法

5 建議與展望

1)建議。針對(duì)模數(shù)化理念在低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，我國(guó)目前存在的問(wèn)題，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議:

教育落后于市場(chǎng)，沒有跟上市場(chǎng)的發(fā)展。院校沒有相關(guān)專業(yè)，國(guó)內(nèi)多數(shù)人對(duì)低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑了解甚少，對(duì)于模數(shù)化理念在其中的應(yīng)用更是認(rèn)知度差。各規(guī)程和規(guī)范跟不上發(fā)展需要，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范相對(duì)落后。目前的研究多數(shù)是針對(duì)低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑或者建筑模數(shù)化各自的領(lǐng)域，而二者交叉的領(lǐng)域研究非常少。因此，在這種情況下，選擇適宜的工程進(jìn)行試點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步向行業(yè)推廣，是必須要做的。

低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑相應(yīng)的配套產(chǎn)品種類少，并且缺乏技術(shù)引導(dǎo)，工業(yè)化程度不高，從材料、設(shè)計(jì)、加工等各環(huán)節(jié)還未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。目前，該技術(shù)未形成完整系統(tǒng)，需進(jìn)一步研究創(chuàng)新并進(jìn)行整合?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)進(jìn)軍這一領(lǐng)域，對(duì)此國(guó)家應(yīng)適當(dāng)予以扶持。

2)展望。以模數(shù)化為基礎(chǔ)的低層輕鋼建筑，在我國(guó)的發(fā)展具有良好的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展非常迅速，2012年我國(guó)鋼產(chǎn)量已達(dá)到7.16億t，占全球鋼產(chǎn)量的46.3%，建筑鋼材數(shù)量、品種、規(guī)格、質(zhì)量均滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑的需要，建筑相關(guān)配套產(chǎn)品也日益齊全，為它的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

模數(shù)化理念在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，雖然我國(guó)的發(fā)展水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很長(zhǎng)一段距離，但可以預(yù)見的是在未來(lái)二三十年甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)以模數(shù)化理念為基礎(chǔ)的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑制造業(yè)市場(chǎng)將會(huì)快速增長(zhǎng)，將成為我國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。這對(duì)我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)來(lái)說(shuō)，也是很好的發(fā)展機(jī)遇，它的大力發(fā)展不但適應(yīng)了國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)代建筑的需求，而且對(duì)調(diào)整我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常重要。因此我們需要在思想上首先重視起來(lái)，再結(jié)合各項(xiàng)目特點(diǎn)去逐漸將這一理念貫穿其中，以達(dá)到逐漸實(shí)現(xiàn)建筑模數(shù)化、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、施工裝配化、房子產(chǎn)品化的夢(mèng)想。

［1］GBJ 2-86，建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB/T 50100-2001，住宅建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］周 藤.建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)的探索與工程實(shí)踐［J］.建筑創(chuàng)作，2006(5):21-22.

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