基于災(zāi)后重建的山地村鎮(zhèn)盒子裝配式住宅研究

■朱紅麗 Zhu Hongli

(云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院藝術(shù)與傳媒學(xué)院，云南昆明 650106）

我國是世界上少數(shù)幾個地震災(zāi)害頻繁的國家之一，其中村鎮(zhèn)地區(qū)受地震災(zāi)害的影響嚴(yán)重，而依山而建的村鎮(zhèn)受地震災(zāi)害更為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因地震災(zāi)害造成的人員傷亡90%以上在村鎮(zhèn)，村鎮(zhèn)地區(qū)受地震災(zāi)害影響所造成的經(jīng)濟(jì)損失更是高達(dá)80%以上，村鎮(zhèn)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)蒙受巨大損失[1]，人員傷亡也是占比最大[2]。在對受災(zāi)村鎮(zhèn)的恢復(fù)重建恢復(fù)方面的工作，現(xiàn)有研究多集中于規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，多限于具體建筑物或基礎(chǔ)設(shè)施的恢復(fù)。在時間節(jié)點(diǎn)、恢復(fù)速度、恢復(fù)模塊化設(shè)計(jì)等問題方面研究得還不夠，不便于決策者對震后恢復(fù)重建工作做宏觀分析并及時進(jìn)行決策調(diào)整。同時，受災(zāi)居民承受自然災(zāi)害的影響，又迫切需要有一定的居住空間，迫切知曉受災(zāi)后居所建設(shè)的情況，這也對災(zāi)后重建的速度和時效性提出了要求。越來越多的學(xué)者通過計(jì)算機(jī)技術(shù)開展多目標(biāo)優(yōu)化的策略和方法研究。趙亮在《開展住宅建設(shè)項(xiàng)目全生命周期節(jié)能驅(qū)動機(jī)制與多目標(biāo)優(yōu)化策略的研究》一文中從工程項(xiàng)目管理視角厘清了全生命周期節(jié)能影響因素的作用路徑，探究了節(jié)能驅(qū)動機(jī)制并進(jìn)行實(shí)證研究，提出融合 BIM技術(shù)、參數(shù)化驅(qū)動、云計(jì)算、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建筑能耗、采光和成本多目標(biāo)優(yōu)化的策略[3]。師滿江[4]通過研究得出基于民眾需求開展災(zāi)后恢復(fù)重建工作是提升重建滿意度的有效舉措的結(jié)論[4]。以四川長寧Ms 6.0地震為例，結(jié)合“重建得更好”和災(zāi)后需求評估方法，構(gòu)建恢復(fù)重建需求指標(biāo)體系，為災(zāi)后重建居民需求提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。張光明[5]研究了兩階段的建筑工程多目標(biāo)優(yōu)化模型：第一階段對工期—成本—質(zhì)量建立綜合優(yōu)化模型，采用遺傳算法求得非劣解；第二階段將資源目標(biāo)通過單資源均衡和遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明該方法優(yōu)化效果理想，運(yùn)算效率高。李玲燕[6]以中國31個省份作為空間研究單元，構(gòu)建以裝配式建筑發(fā)展基礎(chǔ)環(huán)境、生產(chǎn)建造實(shí)力、技術(shù)創(chuàng)新水平、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?個方面的裝配式建筑發(fā)展水平評價體系，運(yùn)用均方差決策法、探索性空間數(shù)據(jù)分析、地理加權(quán)回歸模型，探究中國裝配式建筑發(fā)展水平的空間差異特征并進(jìn)行影響因素分析。

■圖2 各功能空間盒子戶型模塊組合圖

■圖3 盒子單元與建筑構(gòu)件的連接圖

■圖4 各功能空間參數(shù)化設(shè)計(jì)組合

■圖5 不同盒子單元組合為住宅套型

為了更好、更快地解決災(zāi)后恢復(fù)住宅建造問題，及時、有效應(yīng)對山地村鎮(zhèn)發(fā)生地震災(zāi)害后的災(zāi)情變化，將地震災(zāi)害對村鎮(zhèn)人口、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境造成的不利影響降到最低[7]，對災(zāi)后重建的山地村鎮(zhèn)進(jìn)行科學(xué)的多目標(biāo)優(yōu)化途經(jīng)理論和方法研究是非常必要的。本文通過對山地村鎮(zhèn)受災(zāi)的特點(diǎn)及災(zāi)后重建居民居住空間多目標(biāo)優(yōu)化途經(jīng)和方法進(jìn)行研究分析，提出采用盒子裝配式形式建造住宅能夠提升災(zāi)區(qū)的建成速度，通過研究盒子裝配式住宅多目標(biāo)優(yōu)化途徑，提出面向?yàn)?zāi)后重建的村鎮(zhèn)山地住宅設(shè)計(jì)多目標(biāo)平臺搭建方法以及災(zāi)后重建山地住宅多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)途徑，并得出有效結(jié)論。

1 山地村鎮(zhèn)住宅受災(zāi)特點(diǎn)及盒子裝配式建筑提出

對山地村鎮(zhèn)住宅現(xiàn)狀與存在問題進(jìn)行分析，然后提出盒子裝配式建筑的概念，并對其進(jìn)行分析，說明盒子裝配式建筑對于山地村鎮(zhèn)住宅受災(zāi)后重建需求的匹配。

1.1 山地村鎮(zhèn)住宅特點(diǎn)

山地村鎮(zhèn)民居多以山地作為他們生產(chǎn)和生活的空間，民居建設(shè)大部分存在嚴(yán)重不規(guī)范現(xiàn)象，尤其是選址、住宅設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用方面嚴(yán)重不符合規(guī)范，建設(shè)時對防災(zāi)建設(shè)也未引起足夠的重視。山地村鎮(zhèn)住宅（圖1）一般就地取材，材料多以夯土、竹、木、混磚等傳統(tǒng)材料為主，使得住宅建設(shè)具有較大的局限性，當(dāng)?shù)卣稹⑸襟w滑坡、崩塌等自然災(zāi)害出現(xiàn)時，住宅被破壞的范圍極大。

1.2 盒子裝配式建筑的提出

盒子裝配式住宅技術(shù)集成了住宅設(shè)計(jì)、盒子單元模塊的工廠制作、現(xiàn)場吊裝、建設(shè)和管理為一體。通過PC混凝土構(gòu)件裝配成至少4面體的盒子，俗稱預(yù)制混凝土盒子建筑[8]。設(shè)計(jì)時將住宅按照功能分為若干個單元模塊，包括室內(nèi)二次裝修部分均在預(yù)制廠完成。然后將預(yù)制好的所有單元運(yùn)到工地上或者直接在工地上搭建臨時預(yù)制廠，將預(yù)制好的單元模塊像搭積木一樣對住宅各個空間現(xiàn)場組裝。由于此類建筑的裝配式構(gòu)件所占的比率較高，盒子部品拼裝安全、迅速，目前在城鎮(zhèn)住宅建設(shè)中實(shí)際應(yīng)用案例較多，在村鎮(zhèn)建設(shè)中應(yīng)用案例還較少。

■圖6 裝配式盒子建造及成型體系

2 盒子裝配式全裝住宅快速重建優(yōu)勢

分析盒子裝配式全裝住宅的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，凸顯裝配式實(shí)施在快速災(zāi)后重建的優(yōu)勢。

2.1 戶型模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢

盒子裝配式全裝住宅的關(guān)鍵技術(shù)是戶型模塊化的設(shè)計(jì)（圖2），即可以按照整體戶型中的客廳、主臥、次臥、書房、餐廳、廚房、主衛(wèi)生間、次衛(wèi)生間的常用開間及進(jìn)深模式進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。建造者可以直接選擇設(shè)計(jì)好的戶型模塊，也可以選擇其中的一個房間模塊。將需要的戶型或模塊導(dǎo)入三維模擬軟件BIM系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件模擬不同形式的組合矩陣，得到所有組合方式。在災(zāi)后重建時直接從案例庫中調(diào)出需要的資料，快速完成災(zāi)后重建方案的選型。

戶型模塊可以用盒子結(jié)構(gòu)式相連，也可以將盒子與其他預(yù)制模塊相連，比如墻體、屋面、樓梯等（圖3），可以滿足宅后重建的各種居民需求。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

在災(zāi)后重建中，山地村鎮(zhèn)建設(shè)難度較大，盒子裝配式住宅能夠?yàn)槠涮峁┍憬菘焖俚慕ㄔ旆桨?，盒子的需求量較大。不同居住者對戶型的要求差異較大，通過Revit平臺下BIM參數(shù)設(shè)計(jì)不同空間集合，居民基于VR直觀形式選擇自己喜歡的戶型及空間形式，各個起居空間、臥室空間、書房空間、廚衛(wèi)空間根據(jù)不同用戶需求設(shè)置不同的參數(shù)，參數(shù)按照室內(nèi)進(jìn)深、開間大小，室內(nèi)凈空高度等尺度需求，并適當(dāng)設(shè)置隔熱和保溫材料的參數(shù)性能，合理設(shè)置參數(shù)[10]。同時針對在空間造型上有需求的住戶，設(shè)置機(jī)理參數(shù)，利用Sketch up軟件生成造型模型，最后通過不同參數(shù)設(shè)置不同空間進(jìn)行組合與變換生成一系列戶型模型，如圖4，當(dāng)區(qū)域受災(zāi)后決策人員能夠及時調(diào)動模型庫，從而達(dá)到節(jié)約設(shè)計(jì)時間的目的。

2.3 裝配式盒子全裝住宅成型體系

裝配式盒子單元是將住宅中的起居室、餐廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間等居住空間形成的盒子模塊[11]，這些盒子模塊單元以預(yù)制的形式提前壓制成型，當(dāng)遇到災(zāi)害時[12]，居民根據(jù)自己的人口情況、居住需求、生活習(xí)慣等選擇合適的盒子模塊，通過不同空間的重組形成套型住宅（圖5）。

■圖7 裝配式盒子建筑特色外觀元素及智能家居設(shè)施

每戶居民根據(jù)自己的喜好選擇的適合住宅套型，比如某村部分居民選擇了由M1、M2、M3、M4四個空間模塊組成的單元住宅樓，建筑師通過單元模塊組合成一梯四戶的住宅單元，建造者從工廠或現(xiàn)場預(yù)制4個盒子模塊，盒子模塊房間尺寸、建筑部件、設(shè)備均按照標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化要求設(shè)計(jì)，保證各構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及施工安裝的高效性，然后通過組裝、吊裝、水電安裝等工序完成住宅的建造（圖6），通過實(shí)驗(yàn)2層由M1、M2、M3組成建筑面積為65平方米的住宅建造時間為4小時。

2.4 配套門窗及部品成型體系

由M1、M2、M3、M4四個空間模塊組成的單元住宅樓采用鋁合金模板預(yù)制成型，預(yù)制完成后室內(nèi)空間無需二次裝修，室內(nèi)門窗及部品與建筑同時一次設(shè)計(jì)并建造成型，門窗直接安裝，窗框與墻洞間無縫連接，而且窗型可以直接采用市場上現(xiàn)有的鋁合金門窗、木門窗、鋁木復(fù)合節(jié)能外門窗等類型完成門窗裝配，盒子裝配式單元室內(nèi)空間精裝修在工廠預(yù)制時已同時完成，住戶入住時無需二次裝修[13]。

家具等活動部件根據(jù)住戶需求購置，衛(wèi)生器具、廚房設(shè)備、整體廚衛(wèi)一次壓制成型并直接安裝，管線、給水、排水、通訊、強(qiáng)弱電等配件在模塊化成型前預(yù)埋，系列化的模塊安裝完成后安裝水電，所有部品安裝完成后，受災(zāi)居民可以直接入住，由于所有的住宅各個室內(nèi)空間模塊單元是提前在工廠預(yù)制完成的[14]，因此后期建設(shè)時間大大縮短、建造效率大大提高，一旦再次發(fā)生災(zāi)害，居民可以連同戶型單元及住宅一并轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域，二次利用。

3 面向?yàn)?zāi)后重建的山地住宅設(shè)計(jì)多目標(biāo)平臺搭建

在前面研究的基礎(chǔ)上，提出面向?yàn)?zāi)后重建的村鎮(zhèn)山地住宅設(shè)計(jì)多目標(biāo)平臺搭建方法。

3.1 方案檢索及盒子模塊組合生成

住宅類型具有一定的規(guī)律性、可循性和典型性，將村鎮(zhèn)受災(zāi)居民住宅起居空間、臥室空間、廚衛(wèi)空間等參數(shù)化和模塊化后可得到多種表達(dá)。建筑師根據(jù)住戶的基本需求及住宅設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)不同模塊的客廳L1，L2，L3，L4等；不同模塊的餐廳D1，D2，D3，D4等；不同模塊的臥室空間B1，B2，B3，B4等；不同模塊的廚房及衛(wèi)生間空間K1.WC1，K2.WC2，K3.WC3，K4.WC4等；利用計(jì)算機(jī)集成技術(shù)Revit建筑模擬軟件將盒子模塊快速組合，生產(chǎn)不同的住宅方案，方便滿足不同住戶需求。

3.2 基于戶型拓?fù)涮卣鞯陌咐龓鞕z索

針對一部分不確定自己需求什么住宅類型的受災(zāi)居民，建筑師通過案例庫檢索幫助住戶選型?；趹粜屯?fù)涞陌咐龓熘邪▋煞N類型，一部分主要是通過計(jì)算機(jī)集成技術(shù)Revit建筑模擬軟件模擬，另外一部分是已經(jīng)施工完成的案例庫。兩種類型的案例庫均輸入在計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)自動識別顯示供住戶選擇，便于住戶直觀查看戶型樣式及室內(nèi)空間狀況，利于受災(zāi)居民快速找到適合自己的住宅方案。

3.3 盒子模塊組合與智能信息參數(shù)優(yōu)化工具模塊

盒子模塊組合成住宅建筑形體，建筑師可結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗或少數(shù)民族文化，增加建筑外觀特色元素，體現(xiàn)民族文化特征[15-16]，使得模塊化的盒子建筑體現(xiàn)更多本地化風(fēng)格和個性化特色，便于居民接受盒子裝配式住宅理念并積極配合實(shí)施。圖7將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素京劇臉譜融入到建筑外觀及室內(nèi)中。室內(nèi)中嵌入臉譜中的智能傳感器借助人工智能技術(shù)，能夠及時探及人體的發(fā)熱或咳嗽等異常癥狀，特別是老年人及行動不便之人，不舒適的癥狀將會反饋到京劇臉譜之中，看到京劇臉譜發(fā)生變化后及時聯(lián)系外界快速得到救治。

4 面向?yàn)?zāi)后重建的山地住宅多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)途徑

依托面向?yàn)?zāi)后重建的村鎮(zhèn)山地住宅設(shè)計(jì)多目標(biāo)平臺，以提升項(xiàng)目生成速度，優(yōu)化生成途徑，提升管理效率等方面開展優(yōu)化。

4.1 實(shí)踐項(xiàng)目生成途徑

災(zāi)后重建項(xiàng)目是一個比較浩大的工程。將災(zāi)后重建的山地住宅項(xiàng)目作為案例庫。在災(zāi)害發(fā)生后，依托政府第一時間發(fā)布的受災(zāi)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建筑師借助于計(jì)算機(jī)軟件開展方案選型與實(shí)施途徑規(guī)劃。首先根據(jù)統(tǒng)計(jì)的受災(zāi)人數(shù)、受災(zāi)居民的實(shí)際需求特征、重建選址等內(nèi)容，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬分析村鎮(zhèn)選址特點(diǎn)，并將設(shè)計(jì)好的住宅盒子單元庫、戶型庫等方案庫調(diào)出來供受災(zāi)民眾參考和選擇，受災(zāi)民眾將盒子單元全部選擇確定后，建筑師根據(jù)住戶的選擇組合符合住戶需求的住宅形式[17]，政府或建設(shè)方根據(jù)建筑師的統(tǒng)計(jì)從倉庫中調(diào)出預(yù)制的盒型，運(yùn)輸?shù)绞転?zāi)地，通過現(xiàn)場組裝、吊裝、安裝、后澆等工序完成山地村鎮(zhèn)災(zāi)后重建項(xiàng)目。

4.2 項(xiàng)目管理目標(biāo)生成途徑

政府或產(chǎn)業(yè)公司統(tǒng)一對災(zāi)后重建項(xiàng)目實(shí)施管理，通過招投標(biāo)選擇并確定優(yōu)秀的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及其管理團(tuán)隊(duì)，要求其團(tuán)隊(duì)中至少有5名以上的建筑設(shè)計(jì)工程師，這些工程師主要負(fù)責(zé)不同住戶的住宅產(chǎn)業(yè)選型，為不同受災(zāi)民眾解決住宅盒子組合方案及選型工作，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)建筑師最后的住宅選型上報(bào)政府部門或項(xiàng)目管理公司調(diào)運(yùn)盒型，同時項(xiàng)目負(fù)責(zé)人制定施工進(jìn)度計(jì)劃安排表及盒子運(yùn)輸方案，為住宅開工、現(xiàn)場安裝做準(zhǔn)備，確保項(xiàng)目完成。整個項(xiàng)目管理過程在平臺下統(tǒng)一管理，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施推進(jìn)情況進(jìn)行優(yōu)化[18]。

4.3 項(xiàng)目測評目標(biāo)生成途徑

災(zāi)后重建項(xiàng)目測評最重要的目標(biāo)之一是時間節(jié)點(diǎn)的控制，確保所有的項(xiàng)目按照進(jìn)度計(jì)劃安排表實(shí)施，保證災(zāi)后重建工作順利進(jìn)行。盒子住宅項(xiàng)目測評目標(biāo)還包括項(xiàng)目實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制、對周邊環(huán)境的影響、項(xiàng)目節(jié)能及環(huán)保測評等，項(xiàng)目建成后包括室內(nèi)空間空氣質(zhì)量、居民入住后評價等內(nèi)容，確保居民居住環(huán)境的安全性及環(huán)保性，自然的將全過程綠色設(shè)計(jì)融入建造之中，將住戶需求融入設(shè)計(jì)回訪中[19]。

5 結(jié)語

本文面向云南山地村鎮(zhèn)災(zāi)后重建問題開展盒子裝配式全裝住宅建設(shè)與多目標(biāo)優(yōu)化途徑研究，旨在提高災(zāi)后重建的建造效率。研究了災(zāi)后重建中戶型模塊化的設(shè)計(jì)途徑、盒子裝配式住宅參數(shù)化設(shè)計(jì)方法、裝配式盒子單元組合成型體系、配套門窗及部品成型體系，以及面向?yàn)?zāi)后重建的山地住宅設(shè)計(jì)多目標(biāo)平臺搭建，平臺搭建包含方案檢索及盒子模塊組合生成、基于戶型拓?fù)涮卣鞯陌咐龓鞕z索、盒子模塊組合與節(jié)能參數(shù)優(yōu)化工具模塊，最后得出面向?yàn)?zāi)后重建的山地住宅多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)途徑。