裝配化盒子建筑的發(fā)展思考

■ 周 寬 ZHOU Kuan 楊 麗 YANG Li SARAh A.Salah 張 帥 ZHANG Shuai

0 引言

盒子建筑是具有高度工業(yè)化特點(diǎn)的裝配式建筑。該建筑由工廠預(yù)制的盒子狀建筑構(gòu)件組裝而成。當(dāng)下，在建筑能耗占到我們所獲取的自然原材料50%的背景下[1]，盒子建筑的出現(xiàn)和發(fā)展無(wú)疑為建筑節(jié)能研究提供了新的方向。不同于僅限的建筑使用中所需能量狹義的建筑能耗概念，廣義的建筑能耗則涵蓋了建筑材料、建筑施工乃至于城市環(huán)境等多方面的能量損耗[2]。裝配式盒子建筑正是在這些方面有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從而成為新時(shí)代建筑業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

1 盒子建筑概念的提出與發(fā)展

盒子建筑的原型最早可以追溯到1901 年，當(dāng)時(shí)，俄國(guó)在世界上率先嘗試用木頭建造盒子狀的房屋[3]。伴隨著20 世紀(jì)建筑思想以及工業(yè)技術(shù)的巨大突破，盒子建筑的材料、結(jié)構(gòu)、建筑類(lèi)型都有了一定程度的發(fā)展和變化。第二次世界大戰(zhàn)以后，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的破壞，許多城市迫切地需要重建大批住宅，大大推動(dòng)了建筑工業(yè)化以及裝配式盒子結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。到20 世紀(jì)50 年代，瑞士也較早地形成了盒子建筑的結(jié)構(gòu)體系。1952 年，柯布西耶設(shè)計(jì)的馬賽公寓落成，這棟建筑也是體現(xiàn)他建筑工業(yè)化思想的代表作品。在他的“功能性插入”草圖中，對(duì)馬賽公寓的設(shè)想已經(jīng)與盒子建筑的內(nèi)涵十分接近（圖1）。1959 年，蘇聯(lián)納霍德卡地區(qū)建成了第一棟4 層的盒子結(jié)構(gòu)房屋。隨后，這種新型的多層盒子結(jié)構(gòu)的建筑工藝在蘇聯(lián)各地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，索契、莫斯科、羅斯托夫等地都相繼建造了很多多層盒子住宅、公寓等民用建筑[4]。但整體而言，盒子建筑尚未在世界范圍內(nèi)引起足夠重視。

圖1 馬賽公寓結(jié)構(gòu)插入草圖

變化出現(xiàn)在1967 年，在當(dāng)時(shí)的蒙特利爾世博會(huì)上，建筑師莫瑟·薩夫迪的作品“67 號(hào)棲息地”，以其奇特的外觀轟動(dòng)一時(shí)（圖2）。在這棟建筑作品中，所有的住宅單元都被建筑師設(shè)定為統(tǒng)一的盒子模塊，提前進(jìn)行預(yù)制建造，隨后參差錯(cuò)落地堆疊，形成獨(dú)特的整體造型。建筑充分表現(xiàn)了“盒子”這一單元結(jié)構(gòu)形式和造型作用。自此，特別是在隨后的20 世紀(jì)70 年代，盒子結(jié)構(gòu)建筑得到了更為迅速地發(fā)展，除了早有基礎(chǔ)的歐洲，美國(guó)、日本都有相關(guān)的建筑實(shí)例出現(xiàn)?？傮w上看，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)盒子建筑構(gòu)件最多的要屬美國(guó)、蘇聯(lián)、德國(guó)等國(guó)，其產(chǎn)量約占到世界總產(chǎn)量的90%。

圖2 67 號(hào)棲息地

最早出現(xiàn)盒子建筑的蘇聯(lián)，更是著重發(fā)揮其工業(yè)化特點(diǎn)，研制和生產(chǎn)高層盒子建筑體系。1969 年，首先在克萊斯諾達(dá)爾建成了一棟9 層高的盒子住宅。隨后在索契的此類(lèi)結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)合混凝土的部分現(xiàn)澆，又建成了一棟足有24 層高的公寓。同時(shí)，盒子結(jié)構(gòu)在建筑類(lèi)型上也逐漸有所突破，陸續(xù)出現(xiàn)了應(yīng)用該技術(shù)的療養(yǎng)院、商店、辦公樓等公共建筑。在1981年—1990年的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃中，前蘇聯(lián)甚至將盒子建筑的發(fā)展作為要點(diǎn)納入其中。

但關(guān)于盒子建筑的相關(guān)建筑理論則主要出現(xiàn)在法國(guó)、美國(guó)、日本等資本主義陣營(yíng)國(guó)家。最早在20 世紀(jì)50年代，法國(guó)先鋒建筑師尤納·弗萊德曼就提出了“移動(dòng)建筑”“空中城市”等一系列理論和構(gòu)想（圖3）。在他的理論中，十分強(qiáng)調(diào)建筑使用者的參與性和可變性，認(rèn)為居民應(yīng)當(dāng)是建筑的設(shè)計(jì)師，而建筑應(yīng)當(dāng)隨社會(huì)的改變而改變。在他的很多草圖中，盒子建筑的形態(tài)多次出現(xiàn)，表明了這一結(jié)構(gòu)形式廣泛的應(yīng)對(duì)性和可塑性。此后的60 年代，日本建筑師磯崎新也針對(duì)“空中都市”這一主題做出了他的構(gòu)想。他同樣也是運(yùn)用盒子建筑的形式，對(duì)建筑未來(lái)的發(fā)展做出了探討（圖4）。同時(shí)代，在對(duì)外來(lái)建筑發(fā)展進(jìn)行的構(gòu)想中，英國(guó)的電訊小組也提出了他們的看法。其中，建筑的單元化和可移動(dòng)性是其理論精華。在他們著名的“插入城市”概念中，每個(gè)住宅都成了一個(gè)個(gè)居住的箱體單元，可以被自由地插入到建筑結(jié)構(gòu)中。同時(shí)，箱體本身也是可以被自由運(yùn)輸，且整體安裝的。

圖3 弗萊德曼的空中城市構(gòu)想

圖4 磯崎新的“空中都市”

1970 年，在大阪國(guó)際博覽會(huì)上，日本建筑師黑川紀(jì)章創(chuàng)作出了盒子式的TB 實(shí)驗(yàn)性住宅，為其“新陳代謝”的理論張本。其核心思想主要認(rèn)為建筑不應(yīng)是靜止而一成不變的，而應(yīng)該具有一定的活力，像生物一樣，始終處于新陳代謝的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。而盒子建筑能充分表現(xiàn)建筑所應(yīng)具有的發(fā)展可能性。由于其預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化模塊的形式，不改變?cè)镜慕Y(jié)構(gòu)支撐體，只需要適當(dāng)替換部分構(gòu)件，或是調(diào)整盒子本身的數(shù)量或位置，就能實(shí)現(xiàn)建筑的生長(zhǎng)和代謝。1972 年，在其著名的中銀艙體大樓的設(shè)計(jì)中，同樣也是運(yùn)用了盒子結(jié)構(gòu)的建筑形式，將140 個(gè)規(guī)則的長(zhǎng)方形艙體作為居住單元插在中心兩個(gè)筒體上（圖5）。這些艙體可以隨時(shí)進(jìn)行更換、增加或者減少。而這正是利用了盒子結(jié)構(gòu)建筑在模塊化、靈活性方面的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了建筑進(jìn)行“新陳代謝”的設(shè)計(jì)初衷[5]。

圖5 中銀艙體大樓

到1983 年，模數(shù)化的集裝箱建筑理論體系被美國(guó)的John M Di Martino 首次提出，該體系將閑置廢舊集裝箱的再利用與建筑設(shè)計(jì)理念巧妙結(jié)合，并申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利，至今仍是很多建筑實(shí)踐中常用的手段。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍為解決戰(zhàn)俘和軍隊(duì)臨時(shí)住宿與辦公的問(wèn)題，投入了大量的集裝箱型模塊建筑，這也是集裝箱建筑首次大規(guī)模實(shí)踐應(yīng)用[6]。

此后，各國(guó)對(duì)盒子建筑的研究也逐步深入，相關(guān)技術(shù)手段也逐步走向成熟，而其市場(chǎng)也逐年擴(kuò)大。在建筑應(yīng)用的功能類(lèi)型上，也逐漸從單一的住宅領(lǐng)域，拓展到文旅、商業(yè)、辦公、住宅、酒店等功能。

而在我國(guó)，關(guān)于盒子結(jié)構(gòu)建筑的學(xué)習(xí)和研究則相對(duì)起步較晚。20 世紀(jì)70 年代，北京、青島、天津、南通、西安、杭州等地陸續(xù)建造了一批盒子結(jié)構(gòu)體系的建筑，做出了相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)性探索。1979 年起，我國(guó)開(kāi)始了對(duì)鋼筋混凝土箱型房屋的有關(guān)研究。北京中建建筑科學(xué)研究院研發(fā)了能進(jìn)行整體澆筑的盒子建筑[7]，模塊間采用了有利于抗震的滑動(dòng)鉸安裝節(jié)點(diǎn)，不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單，且能有效減震。近年來(lái)，清華大學(xué)也對(duì)可拼裝式的鋼混盒子建筑進(jìn)行了研發(fā)，該種類(lèi)型的盒子建筑可調(diào)節(jié)尺寸，同時(shí)在施工上也比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式更為便捷。固然我國(guó)的盒子建筑在技術(shù)結(jié)構(gòu)層面上有所突破，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，盒子建筑在我國(guó)市場(chǎng)所占份額仍然較小，且在現(xiàn)實(shí)推廣上也并不順利。

2 盒子建筑的性能特點(diǎn)

盒子結(jié)構(gòu)建筑是建筑工業(yè)化的高級(jí)形式，其核心在于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的預(yù)制裝配，因而具有高度的工業(yè)化特征。首先，表現(xiàn)在其迅捷的施工建造周期。由于盒子建筑本身的搭建工作大部分已經(jīng)在工廠中直接完成，在施工現(xiàn)場(chǎng)只需要負(fù)責(zé)盒子的置入和連接工作，基本上為干作業(yè)，因而大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量，降低了施工建造的時(shí)間。而相關(guān)部件也能適應(yīng)現(xiàn)代交通方式，如公路、鐵路、水路的迅速運(yùn)輸，但由于構(gòu)件形體較大，可能需要相關(guān)設(shè)備的輔助。其次，出于工業(yè)化生產(chǎn)的緣故，盒子結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件相對(duì)而言標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，工廠的大機(jī)器生產(chǎn)流程減少了人工建造中所容易出現(xiàn)的疏漏和誤差，因而更能保證整體的質(zhì)量。

從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，盒子建筑具有整體性強(qiáng)、安全性能高的特點(diǎn)。由于每個(gè)盒子都是獨(dú)立的支撐體，其力學(xué)性能高。而盒子的統(tǒng)一澆筑或拼裝也保證了單個(gè)個(gè)體的整體性。即便是作為填充體插入的盒子，也會(huì)具有盒子本身和框架體的兩重結(jié)構(gòu)保障，確保了總體的穩(wěn)固，具有很強(qiáng)的抗震、防風(fēng)性能。

盒子建筑的靈活性尤為值得稱(chēng)道，這也是其成為很多建筑構(gòu)想乃至實(shí)踐中主角的原因。無(wú)論采用盒子結(jié)構(gòu)的建筑物本身是臨時(shí)性的還是永久性的，只要需要調(diào)整或是改造，都可以方便地更換相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件或是改變建筑的整體拼插形態(tài)。即便受到城市規(guī)劃建設(shè)等要求需整體搬遷時(shí)，也可以迅速地化整為零再異地重建，而并非只能不可逆地拆除，從而增強(qiáng)了循環(huán)利用，較為經(jīng)濟(jì)。

盒子結(jié)構(gòu)建筑在空間塑造上則具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等特點(diǎn)，這也導(dǎo)致了空間形式重復(fù)性較大。因而在實(shí)際功能上，對(duì)住宅、宿舍、酒店、學(xué)校、辦公樓等空間要求較統(tǒng)一的建筑類(lèi)型適應(yīng)性較強(qiáng)。但是對(duì)于大跨度空間，或是對(duì)于功能要求較復(fù)雜、空間變化多的建筑功能類(lèi)型而言則較難適應(yīng)，因而具有一定的局限性。

從經(jīng)濟(jì)的角度上看，納入人工、材料耗費(fèi)量等因素的建筑安全造價(jià)，單就小高層住宅而言,利用傳統(tǒng)施工建造方法的建筑約為1 569.77 元/ m2，而采用盒子結(jié)構(gòu)的建筑則約為2 179.21 元/ m2，二者之間的建安造價(jià)相差609.44 元/ m2。因而忽略后期相關(guān)的維護(hù)成本,傳統(tǒng)建筑的建造成本更低。但若將后期維護(hù)成本一并考慮，傳統(tǒng)建筑需要各種構(gòu)件安裝以及墻體澆筑等費(fèi)用，但盒子建筑只需承擔(dān)盒子與整體的安裝費(fèi)用。因而總體來(lái)講,盒子建筑建造成本較低[8]。

至于盒子建筑的節(jié)能性則是個(gè)復(fù)雜的話題。從建造能耗上看，同一地塊上的建筑采用盒子構(gòu)建手段，由于受到形狀、材料、連接構(gòu)造方式等多方面的影響，產(chǎn)生的能耗可能會(huì)比通過(guò)針對(duì)性設(shè)計(jì)的建筑方案為多。但如果從普適性的角度來(lái)看，大規(guī)模的量化生成模式同樣也能減少材料浪費(fèi)、降低人工資源和成本，并同時(shí)能促進(jìn)建筑用材的回收利用，因而相對(duì)來(lái)說(shuō)反而更加節(jié)能。但由于這些裝配式盒子建筑的建造往往伴隨提高施工和設(shè)計(jì)速度的目的，導(dǎo)致其內(nèi)部設(shè)計(jì)不夠精細(xì)，缺乏詳細(xì)的考慮，因而在建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)和節(jié)能上還存在很大的空白。而建筑節(jié)能研究則是個(gè)具有時(shí)代性的范疇[9]。隨著時(shí)代的進(jìn)步，材料和建造方式的進(jìn)步都可能帶來(lái)節(jié)能技術(shù)的突破，而建筑中可再生清潔能源的應(yīng)用也愈加突出[10]。如何在盒子建筑逐漸流行的當(dāng)下，找出適應(yīng)其特點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)和手段，則是仍需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

此外，盒子結(jié)構(gòu)建筑在實(shí)際的應(yīng)用推廣中也受到了一定的阻力。首先，盒子結(jié)構(gòu)的構(gòu)件制造與其他種類(lèi)建筑相比花費(fèi)不菲，預(yù)制工廠需要進(jìn)行大額的資金投入，但實(shí)際應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目還并不多，容易使工廠面臨較大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而使很多企業(yè)望而卻步；其次，相關(guān)構(gòu)件和材料的運(yùn)輸、安裝需要特定大型設(shè)備，也導(dǎo)致了總體價(jià)格負(fù)擔(dān)的增加。而在建筑空間感受上，由于我國(guó)相關(guān)的研究和設(shè)計(jì)工作還處于試驗(yàn)階段，整體上還不夠成熟，再考慮到建筑本身的限制性，使得目前的居住體驗(yàn)和感受都還有待進(jìn)步一地提高。再加上大眾對(duì)盒子結(jié)構(gòu)建筑缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和了解，社會(huì)認(rèn)同度較低，對(duì)此普遍抱有保守的觀望態(tài)度。

3 總結(jié)與展望

盒子結(jié)構(gòu)建筑作為建筑工業(yè)化的代表，以其獨(dú)特的工業(yè)特點(diǎn)和建造優(yōu)勢(shì)，自20 世紀(jì)出現(xiàn)后就逐漸被全球所接納、推廣。截至20 世紀(jì)60 年代，盒子結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)被大量地嘗試并應(yīng)用于蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)家的住宅建筑中。

隨后，盒子建筑以其靈活、可變、模式化的特點(diǎn)被許多建筑師、建筑理論家所重視。尤納·弗萊德曼借此發(fā)展了他的“移動(dòng)建筑”和“空中城市”構(gòu)想；英國(guó)的“電訊派”建筑師們提出了“插入城市”的概念，將盒子作為建筑的“硬件”自由地插入到巨構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)中，完美地詮釋了城市移動(dòng)居所的特征。日本的“新陳代謝派”建筑師們也利用盒子建筑宣傳他們的主張，希望以此去創(chuàng)造可以自然生長(zhǎng)、適應(yīng)社會(huì)變化的建筑。隨著工業(yè)化水平的提高和科技的進(jìn)步，盒子建筑的形式也在逐漸發(fā)展，近年來(lái)流行的集裝箱建筑就是其中一例。

從技術(shù)發(fā)展層面來(lái)看，盒子建筑目前還是主要強(qiáng)調(diào)其裝配化的特點(diǎn)及工業(yè)化的施工建造優(yōu)勢(shì)。但如何強(qiáng)化其建筑舒適性的特點(diǎn)，如何在進(jìn)一步保證其舒適性的前提下，發(fā)揮它的節(jié)能技術(shù)潛力[10]，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少建筑運(yùn)營(yíng)時(shí)的能耗，則成為了需要繼續(xù)研究和挖掘的內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，剛剛度過(guò)了建筑業(yè)粗放發(fā)展的時(shí)期，國(guó)家大力推進(jìn)建筑工業(yè)化的發(fā)展，但總的來(lái)說(shuō)，對(duì)裝配式建筑的研究和實(shí)踐應(yīng)用還處于起步階段。隨著城市空間、土地資源的日益緊張，高效率、高產(chǎn)業(yè)成了追求的目標(biāo)，因而，建筑產(chǎn)業(yè)對(duì)集約化、規(guī)?；?、模式化的要求越來(lái)越高。盒子建筑作為裝配式建筑的典型代表，其前景會(huì)越來(lái)越廣闊。