百年住宅的模塊化設(shè)計

朱小軍 施濤濤

關(guān)鍵詞：百年住宅;住宅產(chǎn)業(yè)化;模塊化設(shè)計;SI 體系

1 相關(guān)概念解析

1.1 百年住宅概述

百年住宅是一種符合現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的高品質(zhì)住宅，主要具有兩方面含義：優(yōu)秀的品質(zhì)保障滿足100 年的居住使用，同時還能適應(yīng)不斷增長及變化的居住需求。1980 年日本建設(shè)省開始實施“住宅功能高度化推廣項目”，建立了百年住宅CHS（CenturyHousing System，以下簡稱CHS）建設(shè)體系。CHS 內(nèi)涵有兩方面：一是耐久性，建筑結(jié)構(gòu)具有100 年的壽命;二是功能性，可以容納100 年內(nèi)幾代家庭的生活。因為它的高耐久特性，不僅是社會的穩(wěn)定資產(chǎn)，更能實現(xiàn)舒適安穩(wěn)的住居生活[1]。隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對于高品質(zhì)住宅設(shè)計的需求逐漸增加，經(jīng)過不斷的探索與創(chuàng)新形成了符合我國特色的中國百年住宅CLS（ChinaLonglife-Housing System，以下簡稱CLS）建設(shè)體系[2]。本世紀以來，我國百年住宅的發(fā)展以下三個階段：（2006 年至2010 年）創(chuàng)建與探索期、（2011 年至2015 年）研發(fā)與實踐期、（2016 年至2020 年）多樣化發(fā)展時期。

1.2 模塊化設(shè)計概述

模塊化設(shè)計是以標準化理論為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品本身轉(zhuǎn)化為若干部品的組合物，追求使用盡可能少的部品形成盡可能多的組合物的設(shè)計技術(shù)[3]。模塊化設(shè)計可以控制設(shè)計、生產(chǎn)、運營成本，從而使建筑行業(yè)快速發(fā)展，使行業(yè)產(chǎn)能大大提升。

1.2.1 模塊化設(shè)計的原理與步驟

模塊化通過系統(tǒng)分解，形成不同層級的標準模塊，通過標準模塊的選擇性組合，實現(xiàn)多樣化的組合輸出。模塊化的本質(zhì)，就是將系統(tǒng)分解為相對獨立的標準模塊，通過統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)則，規(guī)范各模塊通用的邊界條件，使各模塊在獨立演進的同時能夠通過統(tǒng)一的邊界條件，按照系統(tǒng)規(guī)則的要求組成新的系統(tǒng)的過程[4]。面向住宅的模塊化設(shè)計步驟為：分解、分級、規(guī)劃、選擇、組合（圖1）

1.2.2 模塊化設(shè)計的“三化”要求

模塊化設(shè)計是通用化、組合化、系列化等標準化形式綜合的設(shè)計方式，使系統(tǒng)在符合標準化條件的同時，具有很強的應(yīng)變能力。模塊化設(shè)計下的住宅將空間模塊化，使得空間功能進行疊加，不再像傳統(tǒng)居住空間那樣功能分區(qū)單一化，而是伴隨著居住者居住時長的疊加，使得居住環(huán)境也可以隨之變化[5]。因此，模塊化設(shè)計下的住宅可以滿足一個人出生到老年全生命周期中對于住宅空間的生活需求與使用習(xí)慣。

2 中日百年住宅的模塊化設(shè)計現(xiàn)狀

2.1 中國百年住宅的模塊化設(shè)計現(xiàn)狀

黨的十九大報告指出：“我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾?！迸c此同時，對于住宅的需求已經(jīng)實現(xiàn)從“量”到“質(zhì)”的追求的根本性轉(zhuǎn)變，中國急需建立起自己的高品質(zhì)住宅體系，加之日本先導(dǎo)性的百年住宅研究經(jīng)驗，中國發(fā)展高品質(zhì)的住宅十分迅速[6]。

中國百年住宅CSL 體系是以SI（Skeleton- 支撐體，Infill- 填充體，以下簡稱SI）住宅體系為基礎(chǔ)，通過住宅支撐體與內(nèi)裝體分離，以支撐體耐久性技術(shù)、填充體適應(yīng)性技術(shù)、分離性集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)為手段，通過集成化、模塊化的部品運用，提出綜合性整體解決方案，全面實現(xiàn)建設(shè)產(chǎn)業(yè)化、建筑長壽化、品質(zhì)優(yōu)良化和綠色低碳化四大目標，涵蓋了經(jīng)濟、社會、環(huán)境、文化等多個方面。

中國百年住宅的模塊化設(shè)計與內(nèi)裝體系的提升息息相關(guān)[7]。建國以來，我國的住宅產(chǎn)業(yè)化首要任務(wù)是解決住房短缺問題，并隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展而發(fā)展，經(jīng)歷了漫長而曲折的發(fā)展道路;在此過程中，我國住宅裝修也逐步升級換代，居民的居住條件逐漸得到改善。在住宅產(chǎn)業(yè)化的影響下，我國住宅裝修發(fā)展經(jīng)歷了PC 大板的啟蒙、內(nèi)裝產(chǎn)業(yè)化的萌芽、民企精裝修時代、內(nèi)裝產(chǎn)業(yè)化體系的形成和發(fā)展的四個時期[8]。

此外，中國百年住宅模塊化設(shè)計中的部品體系發(fā)展是從上世紀90 年代才開始，部品發(fā)展滯后，種類少，質(zhì)量不高，遠不能滿足住宅建設(shè)的要求。近年來，中國百年住宅在發(fā)展部品體系上取得了初期進展，但相較于發(fā)達國家，中國住宅的部品系統(tǒng)仍有許多不足之處，因而，中國百年住宅CSL 體系更應(yīng)在模塊化設(shè)計方面進行深入地研究與探索[9]。

2.2 日本百年住宅的模塊化設(shè)計現(xiàn)狀

日本的建筑工業(yè)化發(fā)展道路較為獨特，得益于日本在內(nèi)裝部品方面成熟的產(chǎn)品體系，日本的內(nèi)裝工業(yè)化發(fā)展迅速，形成了主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化與內(nèi)裝部品工業(yè)化相互協(xié)調(diào)發(fā)展的完善體系（ 圖2） [10]。

日本發(fā)展百年住宅是逐步遞進的，從KEP （Kodan ExperimentalHousing Project， 以下簡稱KEP） 開放性體系到KSI（KikouSkeleton Infill，以下簡稱KSI）適應(yīng)性體系，日本逐步做到完善提升建筑質(zhì)量、滿足多樣化需求、構(gòu)建開放式體系等內(nèi)容，最后形成了完整而系統(tǒng)的日本百年住宅CHS 體系，并且經(jīng)由CHS 百年住宅體系逐步凝練了日本建筑的“百年住宅”理念。日本百年住宅體系CHS 的終極目標是為日本居住者提供更加舒適的居住生活環(huán)境。CHS 是包括生產(chǎn)供應(yīng)、建造施工、維護管理等全過程的綜合性住宅建設(shè)體系，通過確保住宅在功能與物理層面上的耐久性實現(xiàn)長壽化住宅建設(shè)的目標。同時，日本百年住宅CHS 體系目的有兩方面，一方面，是住宅在功能上的靈活性與適應(yīng)性，滿足成長中家庭需求變化發(fā)展的條件;另一方面，是針對住宅主體耐久性的要求，使其能夠在百年內(nèi)持續(xù)使用。日本地處環(huán)太平洋地震多發(fā)地帶，對于主體結(jié)構(gòu)的要求較于其他國家要高很多，因此耐久性高的住宅主體結(jié)構(gòu)是日本住民資產(chǎn)的構(gòu)成基礎(chǔ)。

另外，日本的住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展是從部品生產(chǎn)和流通開始的。1959 年，日本制定了KJ（Kokyo Jutaku，以下簡稱KJ）規(guī)格部品認證制度[11] ;1974 年，日本建設(shè)省成立了住宅部品開發(fā)中心，制定了BL（Better Living，以下簡稱BL）優(yōu)良住宅部品認證制度，并開發(fā)BL 部品[13]。日本將先進的住宅部品作為工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的載體，從而徹底改變住宅面貌，提高住宅質(zhì)量。

3 百年住宅的模塊化設(shè)計思路

3.1 實現(xiàn)住宅長壽化

實現(xiàn)住宅長壽化，需要通過應(yīng)用SI 體系的技術(shù)、提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量、應(yīng)用管線外置技術(shù)等措施，提升住宅的耐久性和安全性，同時應(yīng)注意后期維護時減少對主體結(jié)構(gòu)的破壞。

3.1.1 構(gòu)建中國特色的CSI 體系

SI 體系是一個開放的建筑理念，在20 世紀60 年代由荷蘭學(xué)者N. JHON Habraken 提出[13]。SI 包括Skeleton（承載結(jié)構(gòu)骨架）和Infill（內(nèi)部空間填充體），二者共同構(gòu)成一種可變的和不可變的關(guān)系，將之分離考慮部品的模塊化設(shè)計，對于住宅彈性使用來說極具拓展性。目前，我國SI 住宅結(jié)構(gòu)體系分為大開間多功能建筑體系、預(yù)應(yīng)力板柱體系和鋼筋砼巨型結(jié)構(gòu)體系，進一步提出了符合中國國情的CSI 體系（China Skeleton&Infill System，以下簡稱CSI）。CSI 體系貼合中國國情和住宅建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀，也是一種具有中國特色的“普適型”SI 體系。當前我國住宅建設(shè)大多采用傳統(tǒng)施工方式，導(dǎo)致建筑耗能大，使用壽命短，住戶的二次裝修帶來資源浪費等問題。但在《CSI 住宅建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》指導(dǎo)下，CSI住宅的結(jié)構(gòu)體系可以有效延長住宅的使用壽命，通過特色化的SI體系介入，可對住宅進行分解、分體、分級控制，減少裝修與維護期間的破壞，讓住宅產(chǎn)品的生命更加長壽，使用更加安全。

3.1.2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量

住宅的長壽主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，這就要求在進行設(shè)計時對住宅的現(xiàn)場情況與住宅建設(shè)的需求進行深入了解，在進行住宅設(shè)計時根據(jù)需求選擇合適的結(jié)構(gòu)與材料。例如：風(fēng)荷載采用100 年基本風(fēng)壓;活載設(shè)計系數(shù)按100 年年限設(shè)計為1.1 ;一般工程所用混凝土為C20，改為使用C30 等措施。

3.1.3 應(yīng)用管線外置技術(shù)

管線外置技術(shù)即將管線等需要多次維修的設(shè)備放置在墻體外側(cè)的技術(shù)。管線外置技術(shù)使得管線后期的維修和保護工作更具便捷性，因為管線本身就已經(jīng)設(shè)置于住宅中可直接接觸的部位，在維修中不會破壞住宅裝飾或者墻面，使住宅的管線維修更具效率。與此同時，在進行管線維修或者改造中，住宅的主體結(jié)構(gòu)也不會受到破壞。

3.2 實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化

首先，住宅設(shè)計模塊化可提升設(shè)計效率。應(yīng)用BIM（BuildingInformation Modeling，以下簡稱BIM）系統(tǒng)進行建筑設(shè)計具有很大便利性，是建筑行業(yè)的一種偉大嘗試，它標志著我國的建筑行業(yè)已經(jīng)走向了數(shù)字化的方向。目前傳統(tǒng)住宅設(shè)計方式存在許多弊端，由于設(shè)計和施工之間的溝通不順暢、信息不對稱，使得設(shè)計意圖不能在施工期間完全實現(xiàn)，建筑質(zhì)量也不好，但應(yīng)用BIM 技術(shù)可以強化多方溝通，使得住宅設(shè)計更加貼合用戶需求，施工更加順利。對后期生產(chǎn)、施工來說，效率大為提升。

其次，構(gòu)件生產(chǎn)預(yù)制化可提高生產(chǎn)效率。在百年住宅體系中，實現(xiàn)構(gòu)件工廠的開發(fā)與生產(chǎn)過程，預(yù)制化構(gòu)件通常涵蓋了預(yù)制式剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻結(jié)構(gòu)、疊合板部分、預(yù)制梁結(jié)構(gòu)、預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)、預(yù)制陽臺結(jié)構(gòu)幾個部分，使工廠的預(yù)制組件更加規(guī)范和匹配。在這個過程中，由工廠產(chǎn)生的輸出部件是更精致的、標準化的，并且比傳統(tǒng)的現(xiàn)場的組件效率。

最后，現(xiàn)場施工裝配化可提高施工效率。傳統(tǒng)的施工方式是現(xiàn)場調(diào)配混凝土現(xiàn)場澆筑，施工效率低且質(zhì)量不能保證。以構(gòu)件預(yù)制化為前提，實現(xiàn)現(xiàn)場施工裝配化，大大減少了施工時間，造房子就像造一輛汽車一樣，將工廠預(yù)制的構(gòu)件搬運到現(xiàn)場組裝起來，這使得施工效率提升，住宅的生產(chǎn)周期大大縮短。

3.3 實現(xiàn)住宅品質(zhì)化

人類對于住宅的需求從最初的安身立命之所，逐漸過渡到了個性化的追求，住宅的品質(zhì)成為了時代對百年住宅的要求之一，模塊化設(shè)計有助于實現(xiàn)住宅的品質(zhì)化目標。

第一，室內(nèi)裝修組合靈活。住宅室內(nèi)裝修模塊化是指能裝配形成住宅內(nèi)裝系統(tǒng)，由工廠批量化生產(chǎn)，具有特定功能和接口結(jié)構(gòu)，具有通用性，并符合模數(shù)的住宅室內(nèi)裝飾裝修部件、分部件或連接件。住宅內(nèi)裝模塊化對形式單一的內(nèi)裝模塊而言，可以通過不同的排列組合方式，形成各種各樣的空間與界面，以滿足用戶的個性化需求。比如，基于模塊化設(shè)計的多功能空間收納系統(tǒng)，采用大板結(jié)構(gòu)體系，室內(nèi)無豎向構(gòu)件，根據(jù)家庭的生命周期，可以調(diào)整房間類型以滿足每個階段的需要，以便實現(xiàn)住戶生活需求和使用習(xí)慣的多樣化。內(nèi)裝模塊化設(shè)計的特點主要包括獨立性、系統(tǒng)性、通用性與互換性、組合方式多樣性、標準化與精密性。同時，內(nèi)裝模塊化，可以使得室內(nèi)格局、室內(nèi)裝修可以根據(jù)人的需求、空間使用時長的變化靈活改變，將空間模塊化，空間功能進行疊加。因此，住宅內(nèi)裝模塊化可以滿足不同消費人群和同一消費者在不同時期的需求。

第二，實現(xiàn)智能家居環(huán)境。智能家居是一個以住宅為平臺，整合家庭有關(guān)的設(shè)施，綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)等，建立高效的住宅設(shè)施和家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)。它可以提高家居舒適性與藝術(shù)性，并營造環(huán)保和節(jié)能的居住環(huán)境。

第三，開展人性化設(shè)計。人性化設(shè)計是百年住宅不可缺少的部分，保證住戶對于住宅個性化需求的滿足。人性化設(shè)計最大的特色就是能夠極大程度地提高人們生活的舒適性。例如，當前的分離式衛(wèi)生間，就是一種非常好的設(shè)計思路。在家庭生活中，常會面臨不同家庭成員間同一時刻在同一空間內(nèi)的需求不同，這就需要進行功能的分離，才能夠滿足人們的需求，因此人性化部品是實現(xiàn)住宅品質(zhì)化非常重要的一步。

第四，實現(xiàn)自適應(yīng)設(shè)計。在一個家庭的成長過程中，對住戶的需求不斷變化，建筑本身的材料結(jié)構(gòu)也很長。這需要為家庭提供完整的生命周期設(shè)計，在設(shè)計開始時全面預(yù)測模塊化組合的可能性，充分考慮住宅內(nèi)部空間的多種布局轉(zhuǎn)換可能性，以及在特定空間區(qū)域內(nèi)探索更大的可變性。自適應(yīng)類型的住房允許公寓根據(jù)家庭人口模式的變化而增長，從而滿足不同生活階段家庭生活模式的變化。

綜上，模塊化設(shè)計能夠滿足人們對住宅品質(zhì)化日益增加的多樣性需求，使居住環(huán)境質(zhì)量進一步提升。

3.4 實現(xiàn)住宅低碳化

人類對于住宅的需求從最初的安身立命逐漸轉(zhuǎn)向個性化的追求，除了長壽化、智能化，人們也來越多地關(guān)注住宅設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展。綠色低碳化不僅僅是百年住宅設(shè)計的要求，也是當前時代的需求，是時代發(fā)展背景下人類對于環(huán)境保護的極大呼吁。實現(xiàn)設(shè)計模塊化，構(gòu)件預(yù)制化和施工裝配化，在住宅生產(chǎn)過程中，能夠大大降低能耗，減少碳排放，節(jié)約資源。比如，使用SI 技術(shù)體系，在住宅使用過程中可實現(xiàn)不破壞主體承重結(jié)構(gòu)的情況下進行住宅改造，可以減少能耗;管線分離技術(shù)可降低管道維護中對住宅主體的損耗;通過水凈化系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，還可提升住宅用水效率。

4 結(jié)語

模塊化設(shè)計與百年住宅體系的內(nèi)涵與目標相契合，是住宅產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟保障。模塊化設(shè)計是建筑實現(xiàn)長壽化的具體途徑。模塊化建筑的建造，從前期設(shè)計到后期維護，都體現(xiàn)出對于全生命周期設(shè)計的尊重，建筑所用的構(gòu)件是標準化、精細化的預(yù)制構(gòu)件，性能安全可靠。模塊化設(shè)計是營造多樣化建筑空間的品質(zhì)保證。室內(nèi)空間的模塊化設(shè)計大量性地解決了住戶對于住宅的多種功能性需求，同時也提供了多樣性的設(shè)計解決手段。模塊化設(shè)計同時也是實現(xiàn)低碳化的有效途徑，主要通過內(nèi)裝產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和住宅使用過程兩個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。我國百年住宅建設(shè)體系的迅猛發(fā)展，帶來住宅模塊化設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用。豐富百年住宅理念，在實踐中不斷探索深化模塊化設(shè)計的方法，才能進一步為中國住宅產(chǎn)業(yè)化進程提速。