支撐體住宅理論在裝配式農(nóng)宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王舒揚(yáng)， 岳曉鵬， 李娟

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 天津 300401；2. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 天津 300401)

1961年，荷蘭的約翰哈布瑞根教授在歐洲工業(yè)化住宅向質(zhì)量追求轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，提出支撐體住宅(SAR)理論，從兩方面對(duì)工業(yè)化住宅設(shè)計(jì)給予修正.1) 人性化.在工業(yè)住宅以模數(shù)及定位體系的通用性、建筑空間及形式的應(yīng)變性按照標(biāo)準(zhǔn)化建造的同時(shí)，又滿足個(gè)性化的使用需求.2) 可續(xù)化.將住宅拆解為支撐體、填充體兩部分，通過(guò)延長(zhǎng)支撐體的耐久年限、提高填充體的應(yīng)變更新性能，從而提高住宅的物理及功能使用壽命[1].1979年,清華大學(xué)張守儀教授將SAR理論引入我國(guó)后，除用于無(wú)錫支撐體住宅、北京雅世合金公寓、上海綠地南翔百年住宅、濟(jì)南魯能領(lǐng)秀城公園世家等試點(diǎn)項(xiàng)目外，發(fā)展并不迅速，主要有以下3點(diǎn)原因.1) 發(fā)展時(shí)機(jī)不成熟.我國(guó)在2016年《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]發(fā)布以前，工業(yè)化住宅的發(fā)展被忽視.2) 需求基礎(chǔ)薄弱.我國(guó)市民習(xí)慣以賣舊購(gòu)新的方式改善居住條件，SAR理論的可續(xù)更新優(yōu)勢(shì)對(duì)市民缺少吸引力.3) 發(fā)展空間受到抑制.受限于我國(guó)城市緊張的用地條件和剛性的套型面積，城市支撐體住宅項(xiàng)目對(duì)應(yīng)變性的探索僅局限于套型內(nèi)部[3].

鑒于SAR理論應(yīng)用于裝配式農(nóng)宅設(shè)計(jì)的巨大潛力，本文構(gòu)建實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)模型，從模數(shù)軸線體系設(shè)定、支撐體與填充體設(shè)計(jì)、空間模塊設(shè)計(jì)3個(gè)方面探析裝配式農(nóng)宅的設(shè)計(jì)手段.

1 調(diào)研地區(qū)的農(nóng)宅概況

2017-2018年調(diào)研了石家莊城郊藁城區(qū)、欒城區(qū)的農(nóng)村住宅，以及河北裝配式農(nóng)宅生產(chǎn)企業(yè)和試點(diǎn)項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)SAR理論在裝配式農(nóng)宅建設(shè)中應(yīng)用潛力巨大，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面.1) 應(yīng)用時(shí)機(jī)成熟.農(nóng)宅建設(shè)由數(shù)量向質(zhì)量追求轉(zhuǎn)型，而傳統(tǒng)的農(nóng)宅自建方式積累了大量問(wèn)題，生產(chǎn)方式的工業(yè)化轉(zhuǎn)型迫在眉睫.國(guó)務(wù)院推出發(fā)展裝配式住宅政策以來(lái)，裝配式農(nóng)宅建設(shè)也備受關(guān)注，SAR理論作為重要的工業(yè)化住宅設(shè)計(jì)理論，應(yīng)用時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟.2) 破解實(shí)踐難題.生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化水平低，致使構(gòu)件尺寸多、模具種類多、設(shè)備攤銷費(fèi)用高，從而令生產(chǎn)成本居高不下，同時(shí),農(nóng)宅產(chǎn)品的空間及形式僵化，當(dāng)前試點(diǎn)項(xiàng)目難以市場(chǎng)化，完全依靠政府推進(jìn).SAR理論兼具通用性和應(yīng)變性的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，可破解上述實(shí)踐難題.3) 與農(nóng)村生活契合.調(diào)研地區(qū)的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)處于轉(zhuǎn)型期，引發(fā)村民生活模式及居住需求的多元化轉(zhuǎn)變，但農(nóng)宅受宅基地位置約束而宅址穩(wěn)定[4]，村民居住需求的多樣性與居住地的穩(wěn)定性為SAR理論發(fā)揮可續(xù)更新優(yōu)勢(shì)創(chuàng)造了條件，且得益于農(nóng)村相對(duì)充足的用地資源、寬松的居住面積、由血緣、地緣而柔性化的戶際空間關(guān)系，農(nóng)宅設(shè)計(jì)可基于SAR理論有更大的探索空間.4) 準(zhǔn)入門檻低.由于支撐體住宅為一開(kāi)放體系，加之農(nóng)宅較低的居住密度、相對(duì)簡(jiǎn)單的建房技術(shù)，獨(dú)立于支撐體的填充體可通過(guò)“分散建材→單項(xiàng)部品→集成型部品”方式更新升級(jí)[5].

2 實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)模型及模數(shù)軸線定位體系的構(gòu)建

2.1 實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)模型

圖1 實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)模型及軸線定位體系分析圖Fig.1 Experimental design model and axis positioning system

提出以家族集合體為單位的集約化合住方式(此做法當(dāng)前已有法律依據(jù)[6])，集合體總用地為家族的共有建房用地，其在進(jìn)深上尺寸固定，但在開(kāi)間上可依據(jù)選取的段數(shù)(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，…)進(jìn)行增減.基于調(diào)研考察的實(shí)際需求及前期預(yù)設(shè)計(jì)，初步擬定集合體總用地進(jìn)深控制在20～23 m，開(kāi)間向的每段尺寸控制在3.3～4.5 m.以家族居住環(huán)境單元(家族建筑單元+共享庭院模塊)為裝配式支撐體農(nóng)宅的實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)模型及軸線定位體系分析圖，如圖1所示.圖1中：αγ，α北，β，α南，αδ，δ分別表示北陽(yáng)臺(tái)、靠窗室內(nèi)北區(qū)、室內(nèi)過(guò)道區(qū)、靠窗室內(nèi)南區(qū)、南陽(yáng)臺(tái)和室外庭院區(qū).

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化的模數(shù)軸線定位體系

現(xiàn)行的模數(shù)定位體系在實(shí)踐層面較多關(guān)注室內(nèi)空間，并未滲透到室外場(chǎng)地層級(jí)(外部大尺寸層面)和建筑構(gòu)件及內(nèi)裝部品層級(jí)(內(nèi)部小尺寸層面)[7]，既不利于農(nóng)宅建筑單體設(shè)計(jì)與村規(guī)劃的有機(jī)嵌接，也有礙其工廠化生產(chǎn)及裝配式建設(shè).裝配式支撐體農(nóng)宅設(shè)計(jì)須重構(gòu)模數(shù)軸線體系，打通村規(guī)劃、農(nóng)宅建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)件部品設(shè)計(jì)間的設(shè)計(jì)壁壘，在室外場(chǎng)地、室內(nèi)空間、建筑構(gòu)件及內(nèi)裝部品間建立統(tǒng)一的尺寸、定位關(guān)系，并由此令農(nóng)宅的設(shè)計(jì)方式與其標(biāo)準(zhǔn)裝配化的建造方式相契合.

1) 模數(shù)體系設(shè)定.選取室外場(chǎng)地、室內(nèi)空間、構(gòu)件及內(nèi)裝部品3類尺寸具有較好兼容性的數(shù)值為基本模數(shù)，為了與現(xiàn)行模數(shù)制(以M為基本模數(shù))相區(qū)別，本研發(fā)體系的基本模數(shù)符號(hào)設(shè)為N，由此，擴(kuò)大模數(shù)為3N及分模數(shù)為1/10N.其中，N，3N，1/10N可分別作為室內(nèi)空間、室外場(chǎng)地、構(gòu)件及內(nèi)裝部品的尺寸進(jìn)級(jí)單位.

2) 定位方式設(shè)計(jì).基于農(nóng)村使用需求，改良并簡(jiǎn)化SAR理論的區(qū)帶劃分體系(圖1)，具體做法如下:將集合體總用地沿進(jìn)深方向分為α南(靠窗室內(nèi)南區(qū))、α北(靠窗室內(nèi)北區(qū))、β(室內(nèi)過(guò)道區(qū))、δ(室外庭院區(qū))等不同的區(qū)，以及αδ(南陽(yáng)臺(tái))、αγ(北陽(yáng)臺(tái))兩個(gè)界，陽(yáng)臺(tái)可自由選裝以調(diào)配室內(nèi)面積；沿開(kāi)間方向分為段數(shù)為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，…；將“區(qū)、界、段”劃分體系沿垂直方向延展，形成基于整個(gè)集合體總用地的三維定位體系；確定家族建筑單元在此體系中所占的三維區(qū)域，采用雙軸線定位法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的空間定位.其中，2組雙軸線的間距為室內(nèi)空間的邊界尺寸；雙軸線之間的間距為建筑構(gòu)件的邊界尺寸；上述邊界尺寸分別滿足空間及構(gòu)件的凈模數(shù)要求.

圖2 鋼框架結(jié)構(gòu)農(nóng)宅構(gòu)件分解圖Fig.2 Decomposition diagram of rural house components of steel beam-column frame structure

3 支撐體與填充體的設(shè)計(jì)

裝配式農(nóng)宅由支撐體與填充體構(gòu)成，前者包括主體承重構(gòu)件、廚衛(wèi)、管道、交通豎井，后者包括無(wú)受力作用的外圍護(hù)構(gòu)件和室內(nèi)空間分隔構(gòu)件.

3.1 主體承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)

推薦裝配式農(nóng)宅選用的2種結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).鋼框架結(jié)構(gòu)農(nóng)宅構(gòu)件分解圖，如圖2所示.鋼框架結(jié)構(gòu)自重輕、安裝技術(shù)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方式如下：立柱和地頂圈梁選用16#C型鋼(截面高度×截面寬度×彎頭長(zhǎng)度×截面厚度為160 mm×70 mm×20 mm×3 mm)；柱間密肋選用10#C型鋼(100 mm×50 mm×15 mm×2.5 mm)，密肋間距為400 mm，可根據(jù)需要設(shè)置斜向抗側(cè)力構(gòu)件；鋼框架樓板的密肋選用14#C型鋼(140 mm×60 mm×20 mm×3 mm)，間距為400 mm，以便于與墻體密肋相對(duì)應(yīng)；柱下混凝土(或毛石)為獨(dú)立基礎(chǔ).鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)造價(jià)不高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，空間分隔較靈活，如當(dāng)柱間距大于5.4 m(或7.8 m)時(shí)，可分隔出2個(gè)或3個(gè)房間，使用扁梁(與低空間吊頂結(jié)合)和異形柱，可令空間表面更為完整.此外，在農(nóng)宅建設(shè)中推廣上述結(jié)構(gòu)形式，有助于緩解石家莊地區(qū)當(dāng)前面臨的鋼鐵、水泥產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題.

3.2 廚衛(wèi)空間、管道和交通豎井的設(shè)計(jì)

近些年，城市的支撐體住宅項(xiàng)目嘗試通過(guò)架空(或局部降低)樓板的方式實(shí)現(xiàn)同層排水，由此可根據(jù)空間劃分的需要隨意定位廚衛(wèi)空間[8].但該做法也帶來(lái)一些問(wèn)題，如排水橫管過(guò)長(zhǎng)令排污不暢、室內(nèi)凈高降低等.農(nóng)宅的居室面積較為寬裕，建議固定廚衛(wèi)空間的位置，而采用下述手段增加空間布局的靈活性:1) 將廚衛(wèi)空間作為一個(gè)整體沿北向外墻(或鄰近公共交通盒一側(cè))設(shè)置，由此預(yù)留出相對(duì)完整的居室空間[9]；2) 在較少涉及管線及樓板設(shè)備留洞位置變化的前提下，適當(dāng)擴(kuò)大廚衛(wèi)空間的面積，如僅固定1～2片廚衛(wèi)隔墻，其余隔墻可隨廚衛(wèi)面積的變化而調(diào)整位置，以備日后的適老性空間改造及設(shè)備擴(kuò)充[10]；3) 較大的農(nóng)宅套型可預(yù)留1～2套獨(dú)立的管道豎井，為日后分解為幾套小戶型創(chuàng)造條件[11].此外，為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的農(nóng)村老齡化、空巢化問(wèn)題，躍層式農(nóng)宅應(yīng)有預(yù)留電梯空間的潛伏性設(shè)計(jì)，如三開(kāi)間躍層式單元，其旋轉(zhuǎn)樓梯中部的儲(chǔ)藏室可改作電梯空間，將套型升級(jí)為帶電梯多代居式.

3.3 填充體的設(shè)計(jì)

裝配式農(nóng)宅的填充體由外圍護(hù)構(gòu)件和空間分隔構(gòu)件組成.在外圍護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，外墻可采用OSB板+水泥纖維板(或石膏板)+擠塑聚苯板+金邦板的輕質(zhì)復(fù)合外墻，鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯墻大板(或EPS輕質(zhì)混凝土復(fù)合夾芯條板)+保溫裝飾一體板則更厚重，隔聲性能好，吊掛力大.上述兩種外墻形式均具有靈活可拼接、表面無(wú)拼縫的優(yōu)點(diǎn).屋面做法為輕鋼龍骨樓板上鋪設(shè)增強(qiáng)纖維硅酸鈣板+保溫防水飾面一體板.

圖3 以秸稈廢料為建材的輕鋼龍骨隔墻Fig.3 Light steel keel partition with straw waste as material

空間分隔構(gòu)件由分戶墻和戶內(nèi)隔墻構(gòu)成.分戶墻建議預(yù)留洞口(暫以加氣混凝土砌塊、粉煤灰砌塊等隔聲且易拆卸的輕質(zhì)建材填充)，以便鄰戶間的套型合并；戶內(nèi)隔墻分為現(xiàn)場(chǎng)施工型和預(yù)制組裝型兩類.現(xiàn)場(chǎng)施工型隔墻在無(wú)錫支撐體住宅、北京翠苑支撐體住宅實(shí)踐中均有應(yīng)用，主要形式有半磚隔墻、空心磚墻、灌漿墻等.該類隔墻的技術(shù)難度小、造價(jià)低，但不易拆換，且施工精度難以保證，建議在實(shí)踐初期的準(zhǔn)工業(yè)化階段采用.在實(shí)踐成熟期推薦使用輕鋼龍骨隔墻，方便住戶自主調(diào)節(jié)居室空間，本課題組研發(fā)的一種以秸稈廢料為建材的輕鋼龍骨隔墻形式，如圖3所示.

該隔墻由上導(dǎo)框、下導(dǎo)框、輕鋼龍骨、緊固件、抱框、秸稈纖維板等預(yù)制部品構(gòu)件組裝而成.組裝步驟為:1) 確定隔墻位置，將上、下導(dǎo)框用膨脹螺栓固定于樓板和地板上；2) 在下導(dǎo)框上以正反螺紋的雙頭螺栓連接地龍骨(雙頭螺栓可調(diào)節(jié)墻板高度，并使墻板與樓板擠壓緊密)；3) 于上導(dǎo)框安裝頂龍骨，并完成龍骨框架其余部分的安裝；4) 安裝強(qiáng)弱電線(上、下導(dǎo)框內(nèi)和龍骨空腔中均可走線)；5) 在龍骨框架上安裝秸稈纖維板(纖維板需預(yù)留如開(kāi)關(guān)、插座、門窗等洞口)；6) 安裝門、開(kāi)關(guān)、插座及抱框等配件；7) 補(bǔ)裝隔墻兩側(cè)的吊頂板材.其中，秸稈纖維板的寬度有100，200，400 mm 3種基本規(guī)格，通過(guò)板材邊緣的凹凸槽彼此拼接，拼接時(shí)宜在墻體中部使用400 mm寬的板材，兩側(cè)以200，100 mm寬的板材找齊墻寬余數(shù).為提高墻體的隔聲性能，龍骨兩側(cè)宜安裝厚度不同的秸稈纖維板，并在兩板空腔中以攪碎秸稈末、巖棉、玻璃棉等多孔吸聲材料填充.此隔墻拆除后的多數(shù)預(yù)制構(gòu)件可循環(huán)使用，且殘留痕跡易于修補(bǔ)(地面的施工痕跡可用與地磚顏色相似的填縫劑修補(bǔ)，樓板的施工痕跡可被補(bǔ)裝上的吊頂板遮蓋).

4 裝配式農(nóng)宅的空間模塊設(shè)計(jì)

裝配式農(nóng)宅的空間模塊族群分為內(nèi)裝集成部品模塊、室內(nèi)空間模塊(行為模塊、房間模塊、套型模塊、戶間交通模塊)、室外庭院模塊3大類型.根據(jù)人體工學(xué)及使用者的行為規(guī)律，對(duì)上述模塊進(jìn)行逐級(jí)的量化研究，并通過(guò)空間模塊在支撐體框架內(nèi)的選擇性組合，形成多樣化的空間布局及建筑形態(tài).設(shè)計(jì)方式有如下5種.

1) 內(nèi)裝集成部品模塊及行為模塊設(shè)計(jì).對(duì)家居行為進(jìn)行分類，以1項(xiàng)家居行為對(duì)應(yīng)1～2個(gè)內(nèi)裝集成部品模塊的方式，從空間占用角度設(shè)計(jì)各類內(nèi)裝集成部品模塊，模塊外輪廓盡量規(guī)整，僅從空間占用層面對(duì)其進(jìn)行總體的尺寸控制，未來(lái)的部品升級(jí)可在其內(nèi)部解決[12]；以“行為模塊=家居活動(dòng)空間+內(nèi)裝部品模塊”的方式對(duì)各行為模塊進(jìn)行設(shè)計(jì).

2) 房間模塊設(shè)計(jì).以“房間模塊=行為模塊1+行為模塊2+…”的方式設(shè)計(jì)房間模塊.在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，60歲以上的老人為農(nóng)村重要的人口構(gòu)成，故需關(guān)注該類人群的空間使用需求，如老人使用的房間模塊可采用1+X的方式增加空間使用的靈活性[13]，滿足未來(lái)子女陪護(hù)、輪椅通行、部品的適老性更新等使用需求.廚衛(wèi)等房間模塊還可通過(guò)低限尺寸、舒適尺寸、老年人使用尺寸的方式進(jìn)行尺寸細(xì)化.

3) 共享庭院模塊設(shè)計(jì).以庭院的活動(dòng)類型及各行為所占空間尺寸為依據(jù)，分類設(shè)計(jì)共享庭院模塊.

4) 套型模塊及家族建筑單元設(shè)計(jì).以行為模塊、房間模塊的選擇性組合，在節(jié)2.2場(chǎng)地的“區(qū)、界、段”劃分體系下，形成供不同家庭結(jié)構(gòu)住戶使用的套型模塊.再以套型模塊、戶間交通模塊組合生成家族建筑單元，如圖4所示.

5) 組構(gòu)家族居住環(huán)境單元.以“家族建筑單元+室外庭院模塊”的方式組構(gòu)家族居住環(huán)境單元，未來(lái)其可用于組合生成聯(lián)立、聯(lián)排等多形式的農(nóng)宅建筑.

5 結(jié)束語(yǔ)

推動(dòng)量大面廣的裝配式農(nóng)宅建設(shè)必須堅(jiān)持政府扶持、市場(chǎng)主導(dǎo)的發(fā)展原則[2]，只有物美價(jià)廉的農(nóng)宅產(chǎn)品，才能以市場(chǎng)化方式在廣大農(nóng)村生根繁衍.以SAR理論為指導(dǎo)的裝配式農(nóng)宅具有標(biāo)準(zhǔn)化、人性化、可續(xù)化、集約化的優(yōu)點(diǎn).即以尺寸及定位方式的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的通用化生產(chǎn)，以規(guī)模效應(yīng)降低產(chǎn)品價(jià)格，以空間模塊的多樣化組拼滿足不同住戶的使用需求，以支撐體、填充體分離的設(shè)計(jì)方式賦予農(nóng)宅可續(xù)更新潛力，以家族聚居方式實(shí)現(xiàn)土地資源的集約化利用.河北城郊農(nóng)村受京津冀協(xié)同發(fā)展政策的帶動(dòng)，經(jīng)濟(jì)快速提升，村民收入持續(xù)增加，對(duì)優(yōu)質(zhì)農(nóng)宅需求旺盛，加之河北省政府下發(fā)《河北省人民政府關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見(jiàn)》[14]對(duì)城郊農(nóng)宅工業(yè)化建設(shè)方式的大力扶植，該地區(qū)裝配式農(nóng)宅的建設(shè)時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，且其實(shí)踐成果未來(lái)還可向遠(yuǎn)郊、腹地農(nóng)村衍生推廣.