裝配式模塊建筑的研究與實踐

文/中國建筑設(shè)計研究院有限公司 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 婁 霓

中國建筑設(shè)計研究院有限公司 任祖華 莊 彤 朱宏利 陳謀蒙

1 裝配式建筑發(fā)展

1.1 裝配式建筑概述

裝配式建筑是通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，將工廠預(yù)制的部品、部件通過技術(shù)集成的方法在工地裝配而成，體現(xiàn)了建筑的工業(yè)化建造方式。裝配式建筑包括結(jié)構(gòu)體系、外圍護(hù)體系、內(nèi)裝體系三大組成部分。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系主要由預(yù)制部品、部件裝配而成，外圍護(hù)和內(nèi)隔墻體采用非砌筑方式，并可實現(xiàn)全裝修。

1）裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系可分為裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)、裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)、裝配式模塊鋼結(jié)構(gòu)（俗稱“盒子建筑”）、裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)、裝配式木結(jié)構(gòu)及各類裝配式混合結(jié)構(gòu)等。其中裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)適用于小高層和高層住宅；裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)適用于辦公樓、工業(yè)廠房等建筑；裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)適用于大開間公共建筑及結(jié)構(gòu)規(guī)整的公寓類建筑；裝配式模塊鋼結(jié)構(gòu)適用于酒店、公寓、住宅、辦公樓類建筑（見圖1）；輕鋼結(jié)構(gòu)適用于低多層住宅等；裝配式木結(jié)構(gòu)適用于低層公共建筑和獨棟別墅類建筑。

2）裝配式建筑外圍護(hù)體系可分為裝飾保溫一體化預(yù)制混凝土掛板、裝飾保溫一體化復(fù)合外墻掛板、各類幕墻、組合鋼（木）骨架類等。目前裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅多采用外圍護(hù)與結(jié)構(gòu)一體化的三明治外墻體系，框架類結(jié)構(gòu)建筑可采用各類幕墻及各種輕質(zhì)掛板作為外圍護(hù)系統(tǒng)（見圖2）。

3）裝配式建筑的內(nèi)裝體系可分為隔墻系統(tǒng)、天花系統(tǒng)、地坪系統(tǒng)、廚衛(wèi)系統(tǒng)、集成部品、裝飾材料、設(shè)備管線等七大系統(tǒng)。具體到裝配式內(nèi)裝體系一般涉及裝配式隔墻、架空地面、集成吊頂、集成衛(wèi)生間、集成廚房、集成門窗等產(chǎn)品，以及干式防水技術(shù)、干式地暖技術(shù)、不降板同層排水技術(shù)等。目前在需要全裝修交房及由政府投資建設(shè)的公共租賃用房中多采用裝配式內(nèi)裝，選用骨架類隔墻或條板類隔墻、架空采暖地面、集成吊頂、集成廚衛(wèi)+干式防水等技術(shù)（見圖3）。

1.2 裝配式建筑的優(yōu)點

1）一體化集成設(shè)計，滿足現(xiàn)代化功能需要。裝配式建筑強調(diào)設(shè)計一體化與建造一體化。即通過設(shè)計先行，統(tǒng)籌考慮項目從策劃、生產(chǎn)、運輸、施工、運維等各環(huán)節(jié)需求，協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備、內(nèi)裝部品、成本控制等各專業(yè)技術(shù)要求，通過部品構(gòu)件與系統(tǒng)之間的集成設(shè)計，達(dá)到空間靈活、功能齊備、使用舒適、易于維護(hù)的工業(yè)化建筑產(chǎn)品要求。

2）標(biāo)準(zhǔn)化工廠生產(chǎn)，減少現(xiàn)場人工，安全得到保證。裝配式建筑的部品構(gòu)件大部分在工廠制作完成，通過工廠技術(shù)工人與智能機械相結(jié)合，采用標(biāo)準(zhǔn)化管理和生產(chǎn)流程，可有效確保產(chǎn)品各項性能與品質(zhì)。同時施工現(xiàn)場對勞動力的需求大大降低，也降低了現(xiàn)場施工作業(yè)難度，在提高生產(chǎn)效率的同時，確保了安全。

3）裝配化現(xiàn)場建造，縮短施工周期，提升施工質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式，裝配式建筑的部品構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，減少現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)及澆筑和養(yǎng)護(hù)時間。可通過對各種安裝工藝與工序的施工組織管理，實現(xiàn)現(xiàn)場施工與構(gòu)件生產(chǎn)的同步實施，大大縮短施工工期，提高建設(shè)效率和施工質(zhì)量。

4）降低環(huán)境污染，節(jié)能環(huán)保，綠色可持續(xù)。裝配式建筑注重對環(huán)境、資源的保護(hù)，其施工過程中有效減少了建筑污水、有害氣體、粉塵排放和建筑噪聲污染，降低建筑施工對周邊環(huán)境的各種影響，有利于促進(jìn)設(shè)計、建筑精細(xì)化，提升建筑整體質(zhì)量和節(jié)能減排。同時裝配式建筑選用綠色環(huán)保材料，采用可維護(hù)、可拆卸的工藝安裝，確保材料循環(huán)利用，實現(xiàn)建筑可持續(xù)，促進(jìn)我國建筑業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

2 模塊建筑

2.1 定義

模塊建筑是指采用工廠預(yù)制的集成模塊在施工現(xiàn)場組合而成的裝配式建筑。其中集成模塊是指具有建筑使用功能的三維空間集成建筑單元。該建筑單元在工廠預(yù)制完成，由主體結(jié)構(gòu)、樓板、吊頂、設(shè)備管線、內(nèi)裝部品組合而成具有集成功能的三維空間體，并滿足各項建筑性能要求和吊裝運輸性能要求（見圖4～6）。

由于模塊建筑建造技術(shù)的運用，每個模塊從起吊到安裝僅需8～10個技術(shù)人員，且每個模塊均由同一批技術(shù)人員安裝完成，建筑施工現(xiàn)場所需工人數(shù)量較傳統(tǒng)施工大幅減少，施工建造質(zhì)量更穩(wěn)定可靠。模塊建筑可實現(xiàn)80%～90%的建筑建造和部品安裝工序在工廠完成，在建筑整體質(zhì)量和工業(yè)化程度方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，是一種資源消耗少、環(huán)境影響小的建筑體系。

圖1 裝配式模塊鋼結(jié)構(gòu)建筑項目

圖2 裝配式外圍護(hù)體系項目

圖3 裝配式內(nèi)裝體系項目

圖4 集成模塊工廠化制作

圖5 集成模塊室內(nèi)完成效果

2.2 分類

1）按層數(shù)分類，可分為低層、多層和高層。因不同層數(shù)對應(yīng)的模塊建筑制作精度、建筑防火、結(jié)構(gòu)抗震等均有不同的標(biāo)準(zhǔn)，由此帶來的設(shè)計條件和體系構(gòu)造也有所不同。

2）按建筑性質(zhì)分類，可分為臨時建筑和永久建筑。

3）按模塊單元箱體構(gòu)造分類，可分為鋼密柱體系、鋼框架體系、集裝箱體系、鋼-木體系、混凝土體系等。

4）按模塊建筑結(jié)構(gòu)體系分類，可分為疊箱體系、箱-框體系、箱-筒（剪力墻）體系、框架-填箱體系等。如全部采用模塊搭接而成的建筑，稱之為疊箱體系；由箱體與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻、筒體等組合而成的體系稱之為箱-框體系、箱-筒體系等；將箱體嵌入框架中的可稱之為框架-填箱體系。

2.3 特點

1）建筑空間模塊化 建筑設(shè)計中，可將建筑物按照模塊特點進(jìn)行空間模塊化拆分，類似于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件拆分。但模塊建筑的模塊化拆分需考慮的問題更多，或者說需要進(jìn)行建筑一體化和集成化設(shè)計的需求更高。在進(jìn)行空間模塊化拆分時，不僅要考慮建筑功能，還要考慮設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置、運輸條件限值、現(xiàn)場吊裝場地限制、吊裝順序、吊裝裝置、防水抗?jié)B措施等多種因素?？臻g模塊化是設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，對后期建造速度、成本節(jié)約均有較大影響。

2）生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化 模塊建筑的大部分構(gòu)件和部品為生產(chǎn)線上生產(chǎn)，所以工藝標(biāo)準(zhǔn)化對成本和效率均有較大影響。同時，大部分主體結(jié)構(gòu)加工、裝修和部品安裝等均在流水線上采用工業(yè)制造技術(shù)生產(chǎn)，建筑質(zhì)量均好性能得到充分保證。

3）建筑施工裝配化 模塊建筑的優(yōu)勢在于速度，因此現(xiàn)場的裝配化施工非常重要，其中核心是連接。模塊建筑連接涉及2方面：①模塊與現(xiàn)場工程之間的連接 因為一般情況模塊建筑的地下室和交通核是在現(xiàn)場完成，所以模塊如何與現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行連接，以及現(xiàn)場精度如何滿足模塊安裝精度，需要整體考慮和解決。②模塊與模塊之間的連接 這個連接的受力性能對結(jié)構(gòu)體系的抗震性能有較大影響，同時其便捷性與精度要求又對建筑體系的建造速度和建造質(zhì)量有較大影響，另外連接構(gòu)造還需考慮后期維修檢查的便捷性及可更換、拆除的問題。

2.4 優(yōu)勢

模塊建筑的優(yōu)勢包括質(zhì)量優(yōu)、速度快、綠色環(huán)保。因為該建筑體系的大部分工序是在工廠完成，因此質(zhì)量有保證。同時在工廠中可把許多在現(xiàn)場施工難度很大的工作轉(zhuǎn)變成簡單的工作流程，如現(xiàn)場的仰焊可變成工廠的機器人焊接，現(xiàn)場吊頂設(shè)備安裝可變成工廠的平面作業(yè)等，既方便施工，又可提高質(zhì)量。在速度方面，因為模塊部分可在工廠與現(xiàn)場施工同步開展制造，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場交叉作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橥?、獨立進(jìn)行，一般情況下模塊吊裝可實現(xiàn)1～2d/層。在綠色環(huán)保方面的優(yōu)勢，不僅體現(xiàn)在材料的節(jié)約和現(xiàn)場的干凈整潔上，模塊建筑還可實現(xiàn)模塊單元的可拆除、異地重建、重復(fù)再利用等。

3 模塊建筑的國內(nèi)典型案例——雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時辦公區(qū)

雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時辦公區(qū)總建筑面積36023m2，提供企業(yè)辦公用房、酒店、公共服務(wù)等設(shè)施。項目由6棟辦公樓、1棟酒店和若干商業(yè)、服務(wù)設(shè)施組成，設(shè)計過程中遵循本土化綠色設(shè)計理念。在空間布局方面，汲取中國傳統(tǒng)文化的營城造園思想精髓，結(jié)合公共活動區(qū)域，創(chuàng)造豐富的院落空間和宜人的綠蔭空間；在景觀設(shè)計方面，設(shè)計結(jié)合白洋淀地域環(huán)境特色，形成微地形建筑景觀，收集雨水，局部形成自然的生態(tài)濕地，踐行海綿城市理念。豐富的院落空間布局、雨水花園生態(tài)濕地、垂直綠化爬藤種植等設(shè)計均體現(xiàn)綠色生態(tài)的建筑設(shè)計理念（見圖7）。

3.1 創(chuàng)新的集成模塊建筑技術(shù)

為滿足快速建造要求，響應(yīng)推廣裝配式建筑的國家政策，企業(yè)臨時辦公區(qū)采用中國建筑設(shè)計研究院有限公司與中集模塊化建筑投資公司合作研發(fā)的全裝配化、集成化的箱式模塊建造技術(shù)，裝配率達(dá)95%。結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝、外裝、設(shè)備管線等全部在工廠生產(chǎn)，整體運輸至施工現(xiàn)場統(tǒng)一吊裝，最大限度減少建造垃圾，實現(xiàn)綠色施工（見圖8，9）。

圖7 雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時辦公區(qū)實景

圖8 模塊單元運輸

圖9 模塊建筑現(xiàn)場吊裝施工

3.2 可生長的模塊化設(shè)計理念

辦公樓與酒店設(shè)計以4.0m×12.0m×3.6m的箱式模塊作為基本單位，拼接成1000～1200m2的“十字”單元組合?！笆帧眴卧M合建筑向四周開放，有良好的采光與自然通風(fēng)，并最大化融于自然環(huán)境。單元布局組合靈活，可生長性強，適于根據(jù)發(fā)展需求變化（見圖10）。

3.3 可拆除再利用的綠色建設(shè)理念

企業(yè)臨時辦公區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)化的具有建筑使用功能的模塊化空間單元組合。外圍護(hù)幕墻體系、內(nèi)裝修和設(shè)備管線均可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，隨著模塊單元運至現(xiàn)場，進(jìn)行簡單的裝配式連接即可投入使用（見圖11）。模塊單元間的拼接在現(xiàn)場通過螺栓在節(jié)點處進(jìn)行裝配式連接。由于高集成度和高裝配化的技術(shù)手段，為項目在后期使用中進(jìn)行快速拆除，甚至是異地快速重建提供了可實現(xiàn)性和可操作性，真正體現(xiàn)了全生命期的綠色建設(shè)理念。

3.4 工廠化全裝修實現(xiàn)高品質(zhì)辦公環(huán)境

得益于全裝配化、集成化的建造技術(shù)，箱式模塊實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，內(nèi)部裝修與設(shè)備管線安裝均同步到位。運至施工現(xiàn)場后，只需經(jīng)過簡單安裝即可完成。模塊單元適合運輸，便于靈活組合，避免了濕作業(yè)，減少施工的季節(jié)限制。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑的現(xiàn)場裝修技術(shù)，工廠化全裝修既可避免冬季施工帶來的質(zhì)量與保養(yǎng)問題，又可通過工業(yè)化的流水線生產(chǎn)方式提高房屋的裝修與設(shè)備安裝質(zhì)量，為項目的使用提供高品質(zhì)的辦公與生活環(huán)境（見圖12）。

圖10 雄安市民服務(wù)中心辦公樓與酒店設(shè)計

圖11 現(xiàn)場吊裝與箱體堆疊

圖12 內(nèi)裝實景

4 實踐思考

模塊建筑體系是一種集成度高、建設(shè)速度快的工業(yè)化建筑體系，在很多海內(nèi)外工程建設(shè)中，可充分利用裝配式模塊建筑的優(yōu)勢，滿足工程在建設(shè)速度、人力節(jié)約、高品質(zhì)保障、快速拆建等方面的特殊需求，尤其在公寓、酒店、宿舍、辦公樓、政策性住房、營地建筑、海外援建等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。模塊建筑本身功能空間為單元式，建造標(biāo)準(zhǔn)相對固定，非常容易實現(xiàn)通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的集成模塊建筑，既可保證建筑品質(zhì)的優(yōu)良化，又可提高建設(shè)速度、降低成本。同時模塊建筑可與EPC總承包組織管理模式相結(jié)合，為裝配式建造方式提供保障，避免常規(guī)建設(shè)模式存在的問題。