低碳建造模式在高層建筑的應用
——以當代裝配盒子住宅為例

胡向磊 王威

1 同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室

2 同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院

模塊化盒子空間是現(xiàn)場吊裝搭接而成的標準化裝配單元，具有裝配集成度高、施工周期短等優(yōu)勢。加拿大Habitat 67、日本中銀膠囊旅館等都是其早期典型建筑。近年來“模塊盒子”的概念在歐美、新加坡、日本等一些高層住宅項目中繼續(xù)得以運用；而我國裝配式高層住宅多為預制墻板和現(xiàn)澆樓板組合，面對復雜的居住需求，急需進一步豐富裝配技術建造方式。本文旨在通過介紹近期國外高層裝配式住宅中模塊盒子空間的實現(xiàn)方法，提供具有參考價值的因地制宜的建造思路。

1 兩種模塊概念模式

新加坡Clement Canopy高層住宅和瑞典Norra Tornen高層住宅雖然都是模塊盒子單元的組合重復，但是建造技術存在較大區(qū)別。Clement Canopy住宅是典型的“樂高風格”模塊化盒子建造方式，而Norra Tornen住宅則更注重盒子立面的變化，通過預制混凝土板拼裝實現(xiàn)盒子空間的疊加。

1.1 Clement Canopy住宅

Clement Canopy住宅是位于新加坡的一棟高140m的住宅塔樓，于2019年竣工，是迄今為止用模塊混凝土建造的最高住宅，其運用的PPVC（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction）體系是新加坡廣泛采用的模塊化住宅生產建造模式——住宅單元在工廠完成主體結構、固定裝置、內裝設備等模塊安裝，然后現(xiàn)場吊裝施工（圖1，2）。PPVC工業(yè)化流程分為設計生產階段、運輸?shù)跹b階段以及維護檢修階段三個階段，每一階段均有完備的規(guī)范要求與技術要求。其中，設計生產階段的調控決定了PPVC體系在全生命周期內的建造運營質量。

PPVC主要分為混凝土結構模塊與鋼結構模塊?；炷两Y構模塊的墻板與樓板均為鋼筋混凝土材料；鋼結構模塊由輕鋼框架支撐，墻板與樓板分別為輕型板材與疊合樓板，相較于混凝土模塊單元更為輕質，但需考慮結構與墻板防火設計。在設計生產階段，單元布局與PPVC模塊化同時進行，單元的結構、尺寸、重量和運輸便利性都會影響模塊化程度，需要通過適當?shù)那捌谝?guī)劃，將PPVC模塊整合到設計布局中[1]（圖3）。在新加坡，包括Clement Canopy住宅在內的很多住宅工程都采用了混凝土結構模塊，模塊化盒子大約85%在建造現(xiàn)場外完成，通過中央材料和物流平臺，能夠減少現(xiàn)場70%的廢物，較傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式更加環(huán)保[2]。

Clement Canopy住宅由1 866個PPVC模塊組件現(xiàn)場直接裝配完成，模塊根據(jù)平面布局進行配置。為便于生產，模塊幾何形狀進行了簡化設計，其數(shù)量根據(jù)住宅單元類型的不同而調整，并按照戶型要求產生若干種模塊組合形式，以滿足不同居住需要。建造過程中，模塊單元吊裝與混凝土核心筒建造同時進行，保證結構的整體受力性能。模塊連接對于高層建筑結構性能至關重要，連接構件直接影響建筑剛度以及風、地震荷載等影響下的穩(wěn)定性[3]。由于新加坡并不在地震帶上，模塊之間的連接僅依靠水平或垂直連接構件，而對于多地震國家，此種連接方式是否具有可靠性還需進一步驗算或試驗（圖4，5）。

1 新加坡Clement Canopy 高層住宅

2 新加坡Clement Canopy 高層住宅

3 新加坡Clement Canopy 住宅模塊示意

4 新加坡Clement Canopy 住宅模塊連接構造

5 新加坡Clement Canopy 住宅標準層平面

6 瑞典Norra Tornen 高層公寓

7 瑞典Norra Tornen 高層公寓

8 瑞典Norra Tornen 住宅模塊單元

9 瑞典Norra Tornen 住宅平面與結構設計

1.2 Norra Tornen住宅

Norra Tornen住宅位于瑞典，由OMA設計，包括高125m的Innovationen和高110m的Helix兩座塔樓，分別在2018年和2020年竣工。住宅由預制外露的混凝土構件拼裝組成小進深、大開間的單元盒子模塊，通過向外凸出的居住空間及向內凹進的戶外空間交替變化布局，形成高低起伏的外觀（圖6，7）。Norra Tornen住宅獨特的錯位疊加空間對結構提出了很高要求，根據(jù)當?shù)毓I(yè)化條件，采用了預制墻板拼接方案（圖8）。鋼筋混凝土核心筒布置是其抗震設計的關鍵之一，作為建筑的穩(wěn)定結構，住宅核心筒從底層一直延伸到頂層，并連接預制混凝土墻。單元盒子兩側剪力墻連接到混凝土核心筒，以增加短邊方向的剛度[4]。

Norra Tornen住宅外立面采用懸臂墻的盒形設計，周邊墻作為外立面懸臂墻的支撐。結構體系依據(jù)歐洲Eurocode 8規(guī)范，同時由于瑞典很少發(fā)生破壞性地震，這也為模塊化盒子在高層建筑上的運用提供了更多可能性。除了核心筒和剪力墻之外，平面內部及周邊柱子也是荷載傳力路徑（圖9）。樓面采用疊合樓板，底部為預制鋼筋混凝土樓板，上部是現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

2 建設模式比較

2.1 單元模塊設計

Clement Canopy住宅與Norra Tornen住宅在單元模塊設計策略上有所不同，反映在模塊實現(xiàn)手段上的差異。受平面布局及運輸尺寸的影響，Clement Canopy住宅對模數(shù)及尺度的控制更為嚴格，標準化房間多以規(guī)則模塊形式吊裝，以實現(xiàn)合理的單元布局和標準施工；而在北歐住宅日照均衡是設計的重要因素，因此Norra Tornen采用板材現(xiàn)場拼裝，通過懸挑墻突出立面箱形設計，實現(xiàn)不同模塊上下錯位搭接，在豐富建筑形態(tài)的同時，創(chuàng)造出每個單元的個性化戶外空間。

2.2 模塊連接設計

Clement Canopy住宅模塊之間的連接僅依靠水平或垂直連接構件搭接得以實現(xiàn)，包括外部端板連接、梁端長螺栓連接以及豎向加筋連接等形式，保證了模塊住宅建筑的整體受力性能，避免模塊間的漏水問題等。Norra Tornen住宅的意義更多體現(xiàn)在模塊空間組合上，結構上通過剪力墻、柱子與混凝土核心筒共同組成受力體系。

10 英國Mapleton Crescent 高層公寓

11 英國Mapleton Crescent 標準層平面圖

12 美國461 Dean 高層公寓

13 美國461 Dean 標準層平面圖

14 港南路公租房高層住宅

15 港南路公租房標準層平面圖

除了以上兩項工程外，其他國家也有高層模塊盒子的建造實踐。這些項目充分發(fā)揮了裝配模塊建造速度快、對城市環(huán)境干擾小等優(yōu)點，對具有挑戰(zhàn)性的建造高度，在設計、施工方面提出相應的解決辦法，如英美采用模塊化鋼結構盒子與鋼筋混凝土結構復合的方法。英國倫敦的27層Mapleton Crescent住宅是歐洲最高的模塊化住宅（圖10，11），采用了鋼結構盒子與鋼筋混凝土核心筒共同組成結構體系，盒子模塊互相支撐而不需框架[5]；美國紐約的32層461 Dean住宅是目前世界最高的模塊建筑（圖12，13），采用鋼框架—混凝土剪力墻結構體系，模塊化盒子不僅互相支撐，而且與主體結構緊密聯(lián)系。

3 對我國裝配技術的啟示

歷史上，我國在模塊化技術上也積累過一些經驗，如中建建筑科學技術研究院在20世紀70年代末就開始研究多層盒子結構住宅體系，并且在北京、南通等地陸續(xù)試建了一些盒子房屋；近些年，長沙新方舟賓館、雄安市民中心等公共建筑實踐也逐漸完備了模塊化技術體系。隨著裝配住宅的推廣，高層住宅模塊化技術在我國也有新的實踐契機。2012年鎮(zhèn)江港南路公租房小區(qū)成為我國落地的首個高層模塊化建筑體系項目（圖14），小區(qū)包括10幢18層公租房，每幢樓由324個模塊組成，模塊是由鋼密柱墻體和混凝土樓板等構件及吊頂、內裝等共同組成的三維空間承重結構單元，單元最寬4.5m，最長8m[6]（圖15）。此外也有南京仙林湖11層商品住宅、泰興吾悅廣場17層商品住宅等項目建成，這些項目吸收歐洲專利技術，通過實驗研發(fā)、體系優(yōu)化、技術改型等手段，拓展了工業(yè)化住宅技術類型。

目前，高層建筑模塊化技術在我國雖然仍會面臨一些因素的限制[7]，如多數(shù)地區(qū)缺乏管線設備、內裝工程等完善的產業(yè)鏈，模塊化盒子造價仍較為昂貴，缺乏設計施工經驗等，但全社會對發(fā)展裝配技術已形成基本共識，集成度高、低碳的模塊化體系技術缺項在不斷補充。如中國建筑設計研究院等單位編制《箱式鋼結構集成模塊建筑技術規(guī)程》自2020年4月1日開始施行，規(guī)程旨在規(guī)范箱式鋼結構集成模塊建筑設計、模塊制作、現(xiàn)場安裝、質量驗收、維護與管理等工程技術要求。結構體系上，規(guī)程通過對不同抗震設防烈度、不同高度等工況下的結構反應進行分析，提出箱式模塊建筑結構體系適用建筑高度范圍。我國地震活動頻度高、強度大、范圍廣，屬于地震活躍地區(qū)，從經驗來看，高層模塊化建筑主要是鋼結構箱式模塊與鋼筋混凝土復合結構為主，但規(guī)程因箱式模塊—混凝土筒體（剪力墻）結構體系裝配效率與箱式模塊不匹配暫未涉及。

模塊建筑體系代表了世界上最先進的住宅設計和建造水平，也是目前國際上最先進的住宅產業(yè)化建筑模式。國外大多應用于非抗震區(qū)，在抗震區(qū)尚存在技術依據(jù)不足、經驗欠缺等問題，即使技術成熟度較高的體系，引進我國后仍需進行抗震改型和改型后的抗震性能研究。但裝配盒子帶來的資源集約和低碳建造模式，使得其具有很強的競爭力和發(fā)展前景，符合產業(yè)結構調整大方向，是建筑行業(yè)值得探索的前沿科技。

圖片來源

圖1，2，6，7，10，12 來源于網絡；其余圖片為作者自繪或自攝。