多層模塊化鋼結構學生宿舍設計初探
——2018全國高校鋼結構創(chuàng)新競賽特等獎“四方之舍”設計解析

羅宇 程東偉 LUO Yu，CHENG Dongwei

1同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

2同濟大學

隨著我國經濟結構轉型，高消耗、高污染、低效率的“粗放”式建造模式將逐步向建筑產業(yè)化過渡，具備節(jié)能環(huán)保特征的裝配式建筑是我國建筑產業(yè)化進程中的主要載體之一，而模塊化建筑是其中預制裝配率最高的一種。根據結構體系的不同，模塊建筑又可分為全模塊化建筑與復合結構模塊化建筑，前者為建筑全部由模塊單元組成，后者則是模塊單元與其他結構形式復合。相比傳統(tǒng)的建造方式，全模塊化建筑具有如下優(yōu)勢：

（1）速度快：從設計到施工多線程作業(yè)，縮短項目周期。相比傳統(tǒng)單線程從設計到施工的流程，模塊化建筑在時間上可節(jié)約高達50%。這意味著更短的資金周期和更快速的項目回報，尤其適用于高周轉的項目。

（2）質量好：整體建筑將由集成化的模塊單元組成，每個模塊的結構、圍護墻體、設備管線、內外裝修都在工廠內預制，施工更精細化，有限的投入能帶來更高性能的模塊單元。

（3）綠色環(huán)保：鋼結構模塊化建筑在整個運輸、建造與材料循環(huán)使用等方面比傳統(tǒng)建筑更環(huán)保（圖1）。

多層大學生公寓單元空間標準化程度高、可復制性強，符合模塊化建筑的基本要素特征。單個宿舍房間可以作為一個模塊在工廠進行精細化預制，完成后再運輸至場地進行拼接。因此，模塊化建筑在學生宿舍這一類型建筑中有非常廣闊的應用前景。近年來，國外陸續(xù)建成大量模塊化宿舍項目，例如新加坡南洋理工大學學生宿舍、美國天普大學學生宿舍等，但國內暫時未見此類項目建成。

中國鋼結構協(xié)會舉辦的2018年度“津西杯”全國高校學生鋼結構創(chuàng)新競賽，試圖探討裝配式鋼結構建筑形式在大學生公寓上的應用前景及相關技術要點，參賽項目“四方之舍”正是探索多層全模塊化鋼結構學生宿舍設計的一次嘗試。

1 模塊化建筑優(yōu)點

1 模塊化鋼結構宿舍的模塊單元設計

首先需要對模塊化、標準化的空間單元進行一系列的精細化設計。模塊單元是一種高度集成化的體系，單個模塊需要在工廠完成全部裝修與管線安裝，以避免在現(xiàn)場進行模塊內的二次裝修，從而將現(xiàn)場安裝量降到最小。

通過對理想的學生宿舍空間的暢想，“四方之舍”預先設計了3類6種基本模塊單元，分別為：居住單元模塊——標準宿舍模塊（無障礙宿舍模塊）、公共空間模塊——露臺模塊（服務用房模塊和架空模塊）、交通空間模塊。同時綜合考慮功能、模數(shù)、運輸?shù)纫蛩?，將基本模塊單元尺寸定為3.3m×9.9m×3.0m，其他衍生模塊均在此基礎上進行恰當?shù)某叽缯{整。

居住單元模塊：標準宿舍設計為雙人間，采用較成熟的平面布置形式，同時將走廊設計在模塊單元內部，簡化模塊的種類。單元內結構考慮以角柱支承，單元各面根據需要設計相應的圍護墻體。管道井集中設置在兩個模塊相鄰部位，便于共用。無障礙宿舍因為輪椅的存在，使標準宿舍只能改為單人居住。但從人文心理關懷的角度來看，將其設計為成套雙人間的形式，既可以滿足輪椅尺度，也可將它兼作青年教師公寓。

公共空間模塊：利用露臺模塊為學生提供半露天的公共空間。它以涼亭的形式呈現(xiàn)，在模塊內設計有直跑樓梯，形成某種垂直相連的空間關系。服務用房模塊是指在基本模塊的基礎上去掉不必要的內部分隔，簡化為單個空間，為公共活動提供空間載體；而架空模塊則將基本模塊的圍護結構全部去除，僅用鋼結構框架支撐上部模塊，形成一些架空的灰空間，兼作風雨連廊等功能（圖2）。

交通空間模塊：主要為樓電梯間模塊，每個模塊的內部都進行了精細化設計，以便于工廠預制。模塊單元的外立面設計盡量簡潔統(tǒng)一，整體建筑立面效果通過最大化利用各種模塊本身的立面差異，呈現(xiàn)出豐富的立面效果。

2 模塊化鋼結構宿舍的單元組合設計

筆者認為全模塊化建筑最大的設計難點是模塊單元的組合方案設計。一方面需要在組合中控制模塊種類，恰到好處地應用基本模塊，減少基于基本模塊修改的衍生模塊；同時又要避免建筑形式的單調，而通常模塊種類的限制容易導致組合設計變?yōu)橐晃兜膯卧獜椭?，空間層級過于單一。面對這一難題，筆者受阿爾多·凡·艾克的構型原則的啟發(fā)，試圖基于以上模塊單元，將1 500人的宿舍看作一個微型城市，進行一次宿舍“建筑城市化”的嘗試。

2 模塊單元設計

3 模塊單元的組織方案

4 總平面圖

5 公共功能與居住功能的相互滲透關系

6 模塊可持續(xù)性建設

居住模塊單元的組織是整個方案的基礎。國內大部分學生宿舍的空間組織多采取內廊式，該方式產生的空間層級過于單一。通過對比研究學生宿舍各類單元空間的組織方式，決定采用院落式，該模式存在多空間層級的潛力。通過將院落建筑旋轉45°，居住單元都被調整至南面，保證每個宿舍都擁有均好的通風采光條件。同時將每個院落式宿舍單元角部的居住單元模塊解放出來，以適應靈活的居住人數(shù)要求，也在側面反映出建筑可動態(tài)生長的特點。

在此基礎上，對公共空間模塊進行組合設計。根據任務書中容納1 500名學生的要求，院落式宿舍單元共設計有4個。方案將服務用房模塊組織成一個環(huán)狀結構，以容納大部分的公共功能。然后用架空模塊將該“環(huán)”架設在三層的高度，并與4個院落式宿舍單元緊密聯(lián)結在一起，形成一個“五環(huán)”結構（圖3，4）。該結構使得許多與大學生有關的公共活動直接滲透到了宿舍單元內部——通過在平面與空間上將院落式宿舍單元的角部解放出來，讓公共空間模塊從這里嵌入到宿舍單元的內部，兩類功能形成一個相互交織的狀態(tài)，既聯(lián)系緊密又相對獨立（圖5）。

“五環(huán)”結構的模塊組合方案本質上表達了一種圍繞公共生活空間設計個人生活居室的基本設想。這種形制下的宿舍建筑就如同一個“大房子”，中間環(huán)狀空間是房子的客廳、書房、茶室、健身房等，宿舍的學生便組成一個“大家庭”，可以在臥室以外的空間展開社交活動?！拔瀛h(huán)”結構同時也是網狀空間結構的一個基本構成單元。在該組合模式下，建筑的形式是一個可持續(xù)變化的狀態(tài)，可以根據實際使用人數(shù)進行模塊單元的增減來達到動態(tài)平衡，但這一過程的形式結果仍能夠保證居室圍繞公共空間這一設想的相對完整性（圖6）?！拔瀛h(huán)”結構的模塊單元組合設計的另一優(yōu)點是空間層級的豐富性。建筑中包含了圍合庭院、公共功能環(huán)、屋面退臺等各類公共空間，充分考慮了學生從室外、半室外再到室內的多樣化活動的可能。

7 公共功能環(huán)剖面圖

8 公共功能環(huán)鳥瞰圖

9 宿舍單元角部的露臺模塊

10 宿舍鳥瞰圖

各個“環(huán)”內部的庭院是使用者最主要的室外活動空間，也是建筑內部自然景觀的載體。服務用房模塊組成的公共空間環(huán)包含閱覽室、自習室、茶室、討論室、會客室、社團工作室等多種功能，屋頂則為運動休閑區(qū)。“環(huán)”被架空模塊支撐，位于三層，下面兩層的架空空間則成為學生的風雨走廊與半室外活動場所（圖7，8）。

在宿舍單元的角部安放露臺模塊，形成退臺式公共涼亭。連續(xù)的樓梯將各層涼亭相連，學生們可以在此停留、小憩（圖9）。同時將宿舍單元局部掏空放入架空模塊，形成宿舍單元內部的公共陽臺，提高利用率，豐富公共功能空間的層次。

“五環(huán)”結構這一模塊單元的組合方案恰當?shù)貞昧嘶灸K，在控制模塊種類的同時，形成了層級豐富的空間結果。多種功能空間有組織地混合與交織，使得學生可以在這里找到各種生活場景，宿舍成為學生們的一個“大家庭”，甚至是一座“小城市”（圖10）。

3 模塊化鋼結構宿舍的結構設計

11 結構計算單體

12 波紋鋼板墻

13 宿舍角部連接

14 外墻豎縫連接節(jié)點

15 模塊吊裝方案

模塊單元組合方案完成后，便可進行結構設計。根據整體方案的空間特點，決定采用角柱支撐模塊為主，整體結構為全模塊化的建筑結構體系。為了簡化計算，設置了抗震縫將整體結構分割為5類單體（圖11）。經過計算，在保證梁柱截面經濟合理的前提下，會存在單體抗側能力不足的問題。針對這個問題，傳統(tǒng)鋼框架結構一般采用鋼支撐，但會在一定程度上影響建筑模塊在功能上的靈活性和適應性。設計中巧妙地在體系中添加波紋鋼板墻作為輔助抗側力構件，波紋鋼板墻一般由波紋鋼板以及兩側的豎向邊緣構件組成，具有截面尺寸小、抗側剛度大和消能減震好等優(yōu)勢。將它們布置在模塊中能自然地與圍護墻體融為一體，同時不影響空間的靈活適應性（圖12）。

結構設計的另一大難點是如何將這些積木般的模塊單元有效、牢固地連接成一個整體。由于整體的梁柱并不是貫通的，相鄰的模塊需要通過角部的連接節(jié)點傳遞荷載和協(xié)調變形，使多個單元形成整體結構。模塊間連接節(jié)點對保證最終結構的整體性、穩(wěn)定性和適用性起著非常重要的作用。

綜合考慮傳力的可靠性和施工的便捷性，“四方之舍”在模塊間采用梁端蓋板螺栓連接。以宿舍角部連接為例，在梁端和柱端預先焊有連接件，連接件內設有加勁肋，連接板位于上下連接件之間，通過高強度螺栓連接。連接板上巧妙地布置有L形抗剪定位雙功能鍵，在施工時能保證安裝的精度，在服役時又能起到抵抗剪力的作用（圖13）。同理，為了便于宿舍模塊側面連接，在長模塊端部與短模塊中部等部位設計了一系列相似的連接節(jié)點。

4 模塊化鋼結構宿舍的圍護體系設計

單個模塊單元的圍護體系均可在工廠內預制完成，技術成熟。但由于建筑整體的建造特性，各個模塊單元相互獨立，單元間的圍護體系呈現(xiàn)雙板雙墻的特點，這樣就會導致每兩個模塊之間各個接觸面都有空氣隔層，整個建筑的縫隙眾多，因此如何滿足防水、防火和密閉性要求是模塊化建筑整體圍護體系最重要的問題。方案充分考慮到模塊建筑圍護體系這一特點，設計了一系列的密封節(jié)點，以保證模塊間的橫豎縫隙都能有效地密閉（圖14）。此外，在屋頂增設一層整體輕鋼樓板，以保證屋頂?shù)恼w性。

5 模塊化鋼結構宿舍的吊裝規(guī)劃

設計為模塊的吊裝進行了施工規(guī)劃。吊裝通常在模塊頂部進行，一般有4種方式，分別是單點提升、借助次級框架提升、借助橫梁提升和借助重型框架提升。單點提升方法施工操作相對簡單，但由于水平分力較大，且實際吊裝中容易出現(xiàn)角部應力集中，梁可能發(fā)生失穩(wěn)破壞等情況。通過驗算，采用借助框架或一對橫梁的提升方式相對會更為安全（圖15）。

吊裝施工按照減少施工誤差、方便吊裝的原則進行規(guī)劃。吊裝亦按照結構設計中劃分的5類單體分別同時進行，為由內到外兩邊對稱吊裝，模塊連接均在建筑長邊方向的外立面完成。連廊部分存在模塊間交接，也是先吊裝中部的長模塊再吊裝兩邊的短模塊。

6 結語

綜上所述，結合“四方之舍”的設計，探討了多層模塊化鋼結構學生宿舍的相關設計要點，可總結為以下幾點。

（1）模塊化學生宿舍設計之初就應合理地根據使用需求和運輸條件等因素確定模塊單元的基本平面和尺寸，同時不應忽視公共空間模塊的設計。

（2）模塊化建筑的單元組合設計應避免單一的建筑空間，同時限制模塊種類來控制加工成本。案例提出圍繞公共生活空間設計個人生活居室的設想，探索出“五環(huán)”空間模式，對于在學生宿舍類型建筑中化解這一矛盾具有借鑒意義。

（3）對于全模塊化建筑結構形式，往往因為結構構件沒有上下貫通帶來結構抗側和整體連接的問題。在結構設計中應提出可靠的抗側措施，并設計連接節(jié)點以保證結構的整體性。

（4）全模塊化建筑的圍護體系存在雙板雙墻特點，需要合理設計防水保溫連接節(jié)點，以保證其圍護體系的基本性能。

（5）模塊單元的吊裝需要經過驗算，采取合理的方式，同時進行相應的吊裝規(guī)劃以保證現(xiàn)場安裝效率。

模塊化建筑具有可縮短工期、節(jié)約資源、綠色環(huán)保、品質精良等優(yōu)點，符合我國對于建筑的綠色可持續(xù)發(fā)展要求，需進行不斷探索與應用?！八姆街帷钡脑O計為其在多層學生宿舍這一建筑類型中的應用提供了經驗，促進了多層全模塊化學生宿舍的發(fā)展。