基于模數(shù)協(xié)調(diào)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計研究*

文/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團城市建設(shè)投資集團有限責任公司 翟 皓

0 引言

自2009年起，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團將裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅作為兵團新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的突破點，有意做大做強該產(chǎn)業(yè)。新疆德坤實業(yè)集團有限公司以自主研發(fā)的“DSC鋼結(jié)構(gòu)鑲嵌復合保溫板建筑體系”為主，在新疆建設(shè)了多個項目，共完成棚戶區(qū)改造和新農(nóng)村建設(shè)試點項目30余萬m2[1]。筆者通過對新疆地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅示范工程的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計人員對模數(shù)體系認知和實踐方面的不足，導致建筑構(gòu)配件等缺少整體尺寸配合，建筑部品標準化及通用化程度低，難以實現(xiàn)工廠批量生產(chǎn)和現(xiàn)場拼裝，影響鋼結(jié)構(gòu)快速裝配優(yōu)勢的發(fā)揮，無法有效減少房屋綜合建造成本。本文旨在總結(jié)分析裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計存在的問題，提出相關(guān)建議，以期為設(shè)計人員提供參考。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅存在的突出問題

1.1 缺乏模數(shù)協(xié)調(diào)的柱中心線軸線定位法

新疆地區(qū)由于缺乏專業(yè)的裝配式建筑設(shè)計團隊，設(shè)計人員設(shè)計理念較陳舊，仍沿用傳統(tǒng)的建筑設(shè)計思路，表現(xiàn)為：設(shè)計以結(jié)構(gòu)為中心，建筑功能次之，內(nèi)部裝修基本不考慮。在進行鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計時，平面定位軸線沿用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的定位方法，采用以結(jié)構(gòu)承重柱、梁為主的中心線定位法，導致柱距雖然滿足模數(shù)要求，但柱間排板無法滿足模數(shù)要求，造成板材大量浪費（見圖1）。很多設(shè)計單位片面強求降低鋼結(jié)構(gòu)用鋼量，造成梁、柱、支撐等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件不統(tǒng)一，規(guī)格過多，室內(nèi)露柱露梁現(xiàn)象普遍，以犧牲住宅使用功能換取結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，導致居民對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅認同度和滿意度均較低。

1.2 缺乏模數(shù)協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格多，板材制品裝配率低

新疆地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計未實行標準化、模塊化，既未強調(diào)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模數(shù)化、系列化，導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格過多，又造成外圍護墻板的規(guī)格在水平、豎直方向排布不統(tǒng)一，導致工業(yè)化板材運到施工現(xiàn)場后裁切量巨大，現(xiàn)場工人勞動強度并未降低，房屋成品觀感粗糙，同時也造成材料、人工浪費，建筑成本增加。

1.3 缺乏模數(shù)協(xié)調(diào)的部品互換性較低

因未遵循模數(shù)協(xié)調(diào)原則進行設(shè)計，在前期方案設(shè)計和中期訂購住宅部品等環(huán)節(jié)中又未進行嚴格論證，造成部品進場隨意性較大，品種繁多、規(guī)格雜亂，嚴重影響安裝質(zhì)量。如部品尺寸規(guī)格多，互換性較低，與原建筑設(shè)計無法匹配；下游產(chǎn)業(yè)構(gòu)件預(yù)制場因缺失模數(shù)協(xié)調(diào)，造成構(gòu)件預(yù)制類型多，每種構(gòu)件加工量少，生產(chǎn)效率低，構(gòu)件產(chǎn)品定型在新疆地區(qū)多年無法完成，對部品系列化、通用化發(fā)展造成嚴重影響。

1.4 接口技術(shù)缺乏研究，住宅成品觀感粗糙

新疆地區(qū)由于住宅設(shè)計構(gòu)件規(guī)格尺寸隨意性較大，建筑與部品、構(gòu)件與構(gòu)件間缺少固定模式的接口配合，造成住宅成品質(zhì)量不高，觀感檔次低。不成熟的接口技術(shù)與不配套、不齊全的接口配件是降低最終成品質(zhì)量的主要原因（見圖3）。細節(jié)決定成敗，好的建筑設(shè)計作品若無精良的住宅構(gòu)件、部品相配合，將是空中樓閣；好的部品若無很好的配合接口技術(shù)，就是粗劣制造。

圖1 施工現(xiàn)場板材浪費嚴重

圖2 缺乏模數(shù)協(xié)調(diào)，板材規(guī)格不統(tǒng)一

圖3 施工細節(jié)不到位，觀感粗糙

2 解決方案與策略

標準化是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，而模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一是實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的重要前提，若缺失模數(shù)化技術(shù)對全產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的約束和協(xié)調(diào)，住宅產(chǎn)業(yè)化將無從實施。注重發(fā)揮模數(shù)協(xié)調(diào)的最大效能，需對住宅空間部位和住宅部品的參數(shù)系列進行優(yōu)化選擇，因此新疆地區(qū)必須用標準化理念指導設(shè)計，用工業(yè)定制化方式實施生產(chǎn)。

2.1 基于模數(shù)協(xié)調(diào)的雙軸線平面定位法

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是采用框架柱承重，輕質(zhì)條板填充墻體的一種工業(yè)化住宅類型，鋼結(jié)構(gòu)體宜采用擴大模數(shù)數(shù)列3nM[2]，考慮到柱、梁結(jié)構(gòu)體系與墻板圍護體系是兩個大類，為減少部品構(gòu)件規(guī)格，均應(yīng)執(zhí)行模數(shù)標準化設(shè)計，可采用復合定位法滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件和圍護構(gòu)件的雙重定位要求。在鋼結(jié)構(gòu)住宅平面?zhèn)鹘y(tǒng)的柱中心線定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再設(shè)置1套柱間凈距排板的定位軸線系統(tǒng)，即雙軸線定位法，既考慮承重構(gòu)件柱、梁的定位，又顧及墻板排板的模數(shù)要求。采用結(jié)構(gòu)柱和圍護墻板雙軸線定位法更科學，該定位法提示設(shè)計人員進行預(yù)排板時，應(yīng)充分考慮住宅門窗位置、門斗入口和拐角等構(gòu)造因素對排板尺寸的影響，以盡量減少現(xiàn)場裁切板材。

2.2 基于模數(shù)協(xié)調(diào)的剖立面層高、凈高線定位法

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅層高或凈高是控制住宅建筑垂直方向外墻墻板高度定位的主要因素，層高通常不變，采用同樣的外墻墻板，根據(jù)外圍護體系墻板施工安裝方法的不同，剖立面的定位方式有2種：①層高線模數(shù)定位當采用外掛墻板構(gòu)成的圍護系統(tǒng)時，層高就是墻板選取的高度，模數(shù)網(wǎng)格線位于上下層樓板上或下表面上，通過樓層的建筑層高進行定位，層高線就是垂直模數(shù)定位線；②凈高線模數(shù)定位 當采用嵌入式墻板構(gòu)成的圍護系統(tǒng)時，凈高就是墻板選取的高度，即層高減去梁的高度就是凈高，凈高線就是模數(shù)定位線。住宅層高宜采用基本模數(shù)和擴大模數(shù)nM。

2.3 基于模數(shù)協(xié)調(diào)的廚房、衛(wèi)生間二級模數(shù)網(wǎng)格

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅部品密集區(qū)域，如廚房、衛(wèi)生間等小尺寸空間功能區(qū)，空間凈尺寸先采用300mm為進級基數(shù)的一級模數(shù)網(wǎng)，再嵌進30mm為基數(shù)的二級模數(shù)網(wǎng)。采用二級模數(shù)對住宅套內(nèi)小空間和多種部品設(shè)計可在一級模數(shù)標準化前提下，按設(shè)計意圖或居住者需求更深層次調(diào)整并選擇最佳的適配方案，從根本上消除空間與部品、部品與部品尺寸不協(xié)調(diào)的情況。另外，限定內(nèi)裝部品尺寸進級的模數(shù)，能更好地控制主要部品尺寸，形成規(guī)范化系列標準，方便設(shè)計者選擇更多的部品組合功能，提高部品的互換性。對于小尺寸產(chǎn)品，可使用二級模數(shù)系統(tǒng)的分模數(shù)進行設(shè)計，如以模數(shù)3mm為進級基數(shù)的加密網(wǎng)格，使設(shè)計更加精細化[3-5]。

2.4 基于模數(shù)協(xié)調(diào)的工業(yè)化部品體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅由一系列功能相對獨立的模塊部品組成，因此建立工業(yè)化模塊協(xié)調(diào)體系的關(guān)鍵是建立并實施部品系列化和通用化。住宅不同部品的使用壽命各異，隨著現(xiàn)代居民生活品質(zhì)的提高和對居住質(zhì)量的重視，住宅部品維修與更換頻率加快，因此部品的系列化和通用化尤為重要，因此應(yīng)在滿足基本需求的基礎(chǔ)上，推行最少化，以實現(xiàn)多種住宅部品和組合品種簡量化，保證工廠制造的簡易、經(jīng)濟及施工現(xiàn)場安裝的方便和高效。在目前住宅工業(yè)化初期，強調(diào)工業(yè)化部品協(xié)調(diào)體系面面俱到并不現(xiàn)實，特別是如新疆等偏遠地區(qū)，首先應(yīng)該做的是鋼結(jié)構(gòu)支撐體部品的定型化和模塊化，以大量減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件和圍護墻板的規(guī)格，使構(gòu)件可高度復制生產(chǎn)，提高裝配化率。其次是住宅廚房、衛(wèi)生間的定型化和模塊化，考慮到廚房和衛(wèi)生間漏水或現(xiàn)場設(shè)計問題可能對鋼結(jié)構(gòu)后期圍護造成的影響，需強調(diào)盡可能采用整體式廚房和衛(wèi)生間，這要求在設(shè)計時廚房和衛(wèi)生間盡可能模數(shù)化，能高度復制。最后才是內(nèi)裝體系的定型化、模塊化設(shè)計，內(nèi)裝體宜采用基本模數(shù)或M／2、M／5的分模數(shù)。

3 結(jié)語

裝配式住宅建筑設(shè)計系統(tǒng)性較強，與施工建造組織設(shè)計密切相關(guān)，標準化和多樣化并不對立，二者的有機協(xié)調(diào)配合能實現(xiàn)標準化前提下的多樣性和個性化。新疆地區(qū)地廣人稀，經(jīng)濟相對落后，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計應(yīng)突出以少而精的套型和少量的標準化構(gòu)件規(guī)格，組合出多樣化建筑形式的設(shè)計原則。在滿足使用功能和空間靈活性與可變性的前提下，強調(diào)標準化設(shè)計的易建性和高效性要求，從而獲得居民可接受的經(jīng)濟性和舒適性，使新疆地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)進入新階段。