IFD+DfD：具有干作特征的適變構(gòu)造設(shè)計策略

MENG Gang

0 引言

當(dāng)前，國內(nèi)正大力推廣以工業(yè)化建造為特征的裝配式建筑，新技術(shù)為老問題的解決提供了新方法。例如，針對建筑的適變性，國內(nèi)外工業(yè)化領(lǐng)域的研究者早已展開大量實(shí)踐，IFD和DfD便是其中較為體系化的理論。

IFD，即工業(yè)化（industrial）、靈活可變（flexible）和可拆改（demountable）。它在制造商、客戶、社會之間形成了一個平衡協(xié)調(diào)的體系，最初由荷蘭政府部門推動，將其作為解決社會和環(huán)境問題的手段之一。

DfD，即design for disassembly，可拆改設(shè)計。目的在于充分發(fā)揮材料性能，在設(shè)計階段就考慮全生命周期的拆卸問題，使得構(gòu)件易于拆卸并可以最大限度地回收利用，有效提高其綠色性能[1]。

1 建筑適變

建筑作為不動產(chǎn)，側(cè)面說明它天生在靈活可變方面具有局限性。但建筑面向的使用者卻具有個體差異，他們對空間的需求不同。即便是同樣的使用者，也會隨著生命和日常周期的不同，而產(chǎn)生不同需求。再加上政策要求、技術(shù)規(guī)范等的變動，使得建筑建成后會面對許多不確定因素。因此，長期以來建筑適應(yīng)需求變化一直是熱門課題，至于應(yīng)對手段，在建成前體現(xiàn)為多樣化，在建成后體現(xiàn)為適變性。

隨著人類的環(huán)境問題日益突出，延長建筑壽命、減少材料浪費(fèi)等低碳措施越來越具有必要性，怎樣以拆解（disassembly）取代拆毀（demolition），這是值得研究的問題（圖1）。

事實(shí)上，自現(xiàn)代主義建筑誕生以來，擁有良好適變性的可變住宅吸引了大量建筑師嘗試，其中也不乏各時代的翹楚。比如柯布西耶、密斯等現(xiàn)代派大師，都有這方面的實(shí)踐。

2 構(gòu)件拆分與界面連接

剛建成的建筑可以視作未完成產(chǎn)品。它完成了從無到有這個階段，投入使用后，這個階段產(chǎn)品還可能遭遇應(yīng)需改造，而整個壽命周期結(jié)束后，又將被拆除。

在這個從無到有，再從有到無的過程中，不同建筑對改造和再利用的適應(yīng)性能各不相同。良好的適變性意味著建筑改造時以拆解取代拆毀，所以拆分技術(shù)是一個關(guān)鍵。拆分即對連接的反向操作，追根溯源，適變性構(gòu)造仍然取決于構(gòu)件連接方式，屬于建筑師可控的設(shè)計內(nèi)容，也是DfD關(guān)注的重點(diǎn)。

拆分后材料的再利用，本質(zhì)上取決于構(gòu)件界面的完整性，即重新利用的構(gòu)件界面是否獨(dú)立。傳統(tǒng)建造中，大量濕作業(yè)及其他化學(xué)連接方式在各構(gòu)造層次之間形成一體化建造結(jié)果，即兩個相鄰部分共界面（圖2）。面臨拆分時，共界面構(gòu)件因界面損失而無法重新利用，因而這類節(jié)點(diǎn)不利于獨(dú)立拆分。

常見的現(xiàn)代連接方式中，膠接、焊接都會使得不同構(gòu)件界面一體化，無法獨(dú)立拆分；而鍵連接、銷連接、螺紋連接、型面連接則保持構(gòu)件原有的獨(dú)立性，利于拆分。鉚接情況比較特殊，因?yàn)閷?shí)施過程中出現(xiàn)構(gòu)件塑性變形，雖然保持著獨(dú)立異界面，但仍然難以拆分和重新利用。

圖1 從建造到拆解和拆毀示意圖

對于可能出現(xiàn)的復(fù)雜連接節(jié)點(diǎn)，建筑師可以借鑒DfD理論模型，從設(shè)計建模、拆卸序列生成與優(yōu)化、可拆卸性評價等方面，綜合分析改進(jìn)。

3 干作節(jié)點(diǎn)

圖2 共界面與異界面

針對獨(dú)立拆分問題，IFD體系以快速安裝與無損拆卸（damage-free detachment）為響應(yīng)，明確提出了干作節(jié)點(diǎn)（dry joints）的訴求，且對象包含了結(jié)構(gòu)構(gòu)件而不僅僅局限于圍護(hù)構(gòu)件。干作節(jié)點(diǎn)保證了構(gòu)件連接的異界面特征，從而可以實(shí)現(xiàn)自由拆分。如荷蘭代爾夫特的某辦公樓（圖3）為IFD體系，其設(shè)計壽命為20年，承重體系主要使用鋼木構(gòu)架，樓板使用木質(zhì)三明治板，屋面使用混凝土纖維板，管線空腔在工廠預(yù)制樓板時預(yù)留[2]。它同時也體現(xiàn)了DfD原則。

鋼結(jié)構(gòu)及其與混凝土構(gòu)件的連接，也可以采用干作方式。比如，使用螺栓連接而不是焊接或者膠接（如混凝土現(xiàn)澆），同樣是將干作方式應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而不僅僅是圍護(hù)分隔體系（圖4）。

干作機(jī)械連接保證了構(gòu)件的獨(dú)立性，可以做到拆解還原。事實(shí)上，DfD原則+IFD體系就是通過工業(yè)化生產(chǎn)與干作建造方式，達(dá)到無損或低損拆改目的的適宜路線。

4 構(gòu)造幾何

圖3 荷蘭代爾夫特某辦公樓[2]

圖4 蘇黎世某住宅樓板結(jié)構(gòu)

圖5 構(gòu)件連接方式改良示意圖

在滿足結(jié)構(gòu)、構(gòu)造需要的前提下，干作構(gòu)造為無損拆卸提供了最大可能。除此之外，還有一個必要工作，就是在設(shè)計初期考慮各部件恰當(dāng)?shù)慕M合方式，即幾何形式問題。如圖5所示，位于斷面中心的連接件不具有沿紙面方向的自由度，而移至外側(cè)后就獲得一個方向的自由度。

從幾何角度看，干作節(jié)點(diǎn)的可拆卸性是由配合面形式?jīng)Q定的。復(fù)雜配合面容易造成構(gòu)件之間的空間約束增加，拆卸方向的選擇就會比較有限。在這種復(fù)雜構(gòu)造的裝配中，構(gòu)件之間的空間約束關(guān)系可以通過層級關(guān)系圖分析與優(yōu)化（圖6）。

5 設(shè)備即插即用

在某些傳統(tǒng)施工方式中，設(shè)備管線經(jīng)常被迫成為濕作業(yè)的一部分；而適應(yīng)工業(yè)化干作構(gòu)造的設(shè)備及管線遵循即插即用的原則，必須能夠快速安裝，靈活拆卸。

為達(dá)到這個目的，從最早誕生于荷蘭的SI體系開始，管線獨(dú)立一直是工業(yè)化建筑的追求。從已有經(jīng)驗(yàn)來看，設(shè)備管線的構(gòu)件化、腔體化是適變構(gòu)造設(shè)計的必由之路[3]。荷蘭馬圖拉體系是較早的范例，它通過在地板模塊中預(yù)留空腔，讓管線與建筑構(gòu)件之間保持干式連接（圖7）。近年來，IFD體系在相似思路下開發(fā)出了一些新產(chǎn)品，比如容納各種設(shè)備管線及終端的醫(yī)院隔墻系統(tǒng)（圖8），基本手段仍然是讓管線以構(gòu)件的形式參與建筑組合，并可獨(dú)立安裝與拆卸，以最大限度地接近即插即用的目標(biāo)[4]。

6 人力資源

為減少現(xiàn)場作業(yè)，工業(yè)化建筑將大量工作放在工廠中完成，在建造前即解決了構(gòu)件連接組合問題。雖然理想的施工條件應(yīng)當(dāng)是高度機(jī)械化的，但技術(shù)發(fā)展難免存在不均衡，人力與機(jī)械的比例在不同項(xiàng)目中可能會不同。況且，即便是機(jī)械化施工，仍然需要人力輔助完成干作安裝。因此，非常有必要在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)就考慮人力資源因素。比如工業(yè)化建筑的先驅(qū)富勒（Richard Buckminster Fuller），在設(shè)計著名的Dymaxion住宅（圖9）時，考慮到建造方便，將所有構(gòu)件的重量限定在25 kg以內(nèi)，以不超出人的負(fù)重能力，保證一個人就可以完成操作。

預(yù)制住宅常見的全預(yù)制、模數(shù)化、板材、預(yù)切割等類型，一方面,以不同機(jī)械化程度為出發(fā)點(diǎn)，另一方面，也是對人力資源的考慮[5]。

人力資源問題同時也是針對DfD理論所看重的構(gòu)件拆解，因?yàn)椴鸾獗炔饸Ц枰斯ぜ?xì)致作業(yè)。相對于建造階段，拆改過程中使用大型機(jī)械設(shè)備的可能性降低，現(xiàn)場人工作業(yè)比重增大。因此，構(gòu)件大小控制是產(chǎn)品設(shè)計階段必須考慮的工作，必要時，需使用中小構(gòu)件組合以兼顧建筑改造需要。

圖6 層級關(guān)系圖開放優(yōu)化實(shí)例[2]

圖7 荷蘭馬圖拉體系模塊

圖8 IFD體系管線腔體實(shí)例[4]

7 結(jié)語

圖9 富勒的Dymaxion住宅

工業(yè)化建筑不僅在速度、精度方面相對于傳統(tǒng)建筑具有明顯優(yōu)勢，還為建筑改造提供了便利。在國外取得成功的IFD體系與DfD理論，一個側(cè)重于全壽命周期的前段，一個側(cè)重于后段，為我們裝配式建筑的適變設(shè)計提供了良好參照。綜合來看，在填充體和部分支撐體的構(gòu)件連接中采用螺栓、銷、型面連接等干作節(jié)點(diǎn)，是保證后續(xù)變化的有效前提，需要作為構(gòu)造原則加以明確；而對于重在滿足適變要求的建筑，相關(guān)建筑設(shè)計及產(chǎn)品設(shè)計人員必須付出額外工作量，用于對拆改階段人力資源的適應(yīng)研究，以及構(gòu)件本身組合形式的優(yōu)化改良。

回顧歷史，人們對建筑可變性的研究活動可謂長盛不衰，比如著名的開放建筑理論（Open Building），對后來的適變建筑影響深遠(yuǎn)。今天，技術(shù)與社會環(huán)境都發(fā)生了變化，新的理論體系是對這些變化的及時響應(yīng)，像IFD與DfD等理論的研究目標(biāo)更為細(xì)致化、精益化，成為建筑可變性研究領(lǐng)域升級版的有力武器。