“結構單元”成就“空間單元”
——裝配式混合結構體系創(chuàng)造高層住宅套型的可變性

李少鋒 丁茂華

闡述“空間單元=結構單元”概念，基于我國高層住宅建筑結構和套型設計現狀，分析鋼筋混凝土剪力墻結構、鋼-混凝土混合結構、裝配式混合結構特點，并結合具體案例，采用裝配式混合結構體系實現高層住宅套型在生命周期內的可變性。

高層住宅；住宅套型；可變性；裝配式；混合結構

1 “空間單元=結構單元”概念

“空間單元=結構單元”是20世紀美國著名建筑師路易斯·康在早期代表作耶魯大學藝術館中，開始展現并逐步走向成熟的空間設計概念。在隨后一系列作品中，路易斯·康將柱和承重墻等構件從空間中整合并分離出來形成“結構單元”。該單元既發(fā)揮了結構作用，又起到劃分建筑空間的作用。除“結構單元”外的單元均為“空間單元”，“空間單元”里不再有結構構件，故得到完整自由的建筑空間。在此基礎上，路易斯·康將樓梯、衛(wèi)生間等輔助功能及設備管線整合至“結構單元”中，所有為建筑空間服務的內容均可被整合至“結構單元”中以保證“空間單元”中空間的純凈、自由和完整。由“結構單元”容納服務功能形成服務空間，將被服務的“空間單元”解放形成被服務空間，即“服務空間與被服務空間”設計理論。在該理論走向成熟階段，路易斯·康開始追求“空間單元”的統(tǒng)一，即以“結構單元”（服務空間）為中心，圍繞其布局“空間單元”（被服務空間），形成整體。

2 我國高層住宅建筑結構和套型設計現狀

1）住宅市場 隨著生活水平不斷提高，人們對于住房的需求已逐步從“有沒有”轉向“好不好”，居住條件與空間品質成為房屋的重要評價標準。其中，居住者對住宅空間布局多樣化、可變性的需求與日俱增，該需求與大部分建成后就已基本固定的具體套型之間的矛盾日益凸顯。

2）行業(yè)標準 2012年5月18日，中國房地產業(yè)協會和日本日中建筑住宅產業(yè)協會共同簽署了《中日住宅示范項目建設合作意向書》，提出以建筑產業(yè)化的生產方式建設“中國百年住宅”新型產品，其具有長壽化、高品質、低能耗特點，并委托設計單位進行技術研發(fā)和標準制定。“百年住宅”對長壽化提出了除物理壽命外的適應性層面的壽命延長要求，考慮建筑的使用功能是否能在住宅主體結構不變的前提下滿足多樣化家庭結構與生活方式的需求，套型空間是否具有靈活可變性，并提出了新的判斷標準。

以“空間單元=結構單元”概念指導建筑設計，實現高層住宅套型在生命周期內的可變性，梳理整合并分離套型中的“結構單元”，將套型中必要的服務功能部分（包括豎向結構構件、永久性圍護結構、設備管線等）裝配安置在此類單元中，因其相對固定不可變，故在套型中占用面積較小。同時，留出空白且占套型較大面積和尺寸的“空間單元”作為套型中相對自由完整的大空間，其內部無柱無墻且無豎向管線設備。圍繞自由完整的“空間單元”布局“結構單元”，可根據不同住戶的需求通過裝修改變布局得到不同的套型空間；根據相同住戶在不同階段的需求變化，通過二次裝修改造套型空間，裝配重組并升級設備，進而實現住宅套型在生命周期內的可變性。

3 我國高層住宅建筑結構

3.1 鋼筋混凝土剪力墻結構

鋼筋混凝土剪力墻結構體系因具有較好的耐久性、適宜的造價及成熟的技術，成為近年來高層住宅最普遍采用的建筑結構形式。同時其空間靈活性較差、工業(yè)化程度較低、施工周期較長等缺點愈發(fā)明顯，特別是鋼筋混凝土剪力墻結構構件導致套型格局難以被打破。在節(jié)能降耗方面，混凝土無法滿足目前“雙碳”的時代要求，應減少利用砂石等不可再生資源，而混凝土形成的建筑垃圾也極難處理，應有計劃地降低其在建筑結構中的使用，尋找替代方案。

3.2 鋼-混凝土混合結構

由鋼構件或組合構件與鋼筋混凝土構件共同組成的結構體系被稱為鋼-混凝土混合結構體系，為近年來在我國快速發(fā)展起來的高層建筑結構體系，包括鋼框架-混凝土剪力墻（芯筒）、鋼筋混凝土筒體-鋼梁、組合框架-支撐等結構體系?；旌辖Y構通過不同材料構件或結構的混合使用，最大化發(fā)揮混凝土材料抗壓性能優(yōu)良、剛度大、成本低廉、鋼型材重量輕、施工速度快、抗拉強度高等優(yōu)點。此種混合結構相較全鋼結構具有節(jié)省型鋼與節(jié)點用料、簡化防火處理、降低施工難度和工程造價等優(yōu)點，相較混凝土結構具有減輕結構自重、降低基礎造價、施工速度快和減少現場濕作業(yè)等優(yōu)點。

3.3 裝配式混合結構

鋼-混凝土混合結構體系被住房和城鄉(xiāng)建設部列為推廣應用新技術，近年來在我國高層、超高層公共建筑領域得到較廣泛應用，在住宅建筑中應用較少。基于結構特性，裝配式混合結構體系的標準化集成設計既具有上述結構的優(yōu)點，又可實現高層住宅套型的可變性。

4 實現套型可變性的具體措施

在混合結構高層住宅建筑體系的平面布局中，柱網布置宜以住宅單元或套型為單位實現模塊化，以臥室、起居室最小開間尺寸為模數確定總開間尺寸，廚衛(wèi)結合管線一體化集成設計。同時要考慮承重骨架、樓屋蓋、圍護結構及設備管線的優(yōu)化選型，適應住宅個性化、多樣化和可變性等需要。采用鋼-混凝土組合框架-約束屈曲支撐（BRB）結構體系，即由鋼管混凝土柱+H型/箱型鋼梁+約束屈曲支撐（BRB）構成的結構體系。鋼管混凝土柱采用方形（矩形）截面有利于“結構單元”的集成，約束屈曲支撐（BRB）可布置于“服務空間”（包括衛(wèi)生間、廚房間、樓梯間、電梯間等）的隔墻及分戶墻中，作為結構的主要抗側力構件。

為提高得房率并獲得靈活的室內空間，可采用7～9m大開間，在減少框架柱的同時，將框架柱和約束屈曲支撐（BRB）結合，對機電管井進行封閉，避免室內露梁露柱。將框架柱向室外凸出布置，結合建筑立面適當處理可有效避免室內露柱。預應力疊合樓板適用于7～9m跨度，且經濟性較好。樓蓋采用現澆鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板組合樓板、鋼筋桁架樓承板等形式，起到承擔豎向荷載、傳遞水平荷載的作用，且滿足隔聲性能及在樓板集成布置管線的要求。

采用焊釘等剪力件將壓型鋼板和鋼梁進行連接，在澆注混凝土時用作模板，混凝土成型后可參與受力，極大方便了施工，節(jié)省了工期，宜在裝配化施工的鋼結構、混合結構中使用，因其整體性能好，還可在高層鋼結構、混合結構住宅中使用。此外，在相同梁格布置條件下，總厚度與現澆混凝土樓板相當，但混凝土的平均厚度約為現澆鋼筋混凝土樓板的80%，樓板自重較輕，減輕了主體結構豎向荷載和地震反應。開口型壓型鋼板相較閉口型壓型鋼板用鋼量少，但閉口型壓型鋼板形式更便于進行住宅內部的吊頂裝修。

豎向結構構件與“服務空間”的功能緊密結合，并將該空間中的管線設備進行模塊化集成，形成“結構單元”。大跨度的柱網、裝配式樓板及向室外凸出的鋼架柱均保證了“空間單元”內空間的完整性。在此種套型中，除相對固定的“結構單元”外，其他“空間單元”內的大空間可采用輕質隔墻靈活劃分各功能房間，通過對填充體的靈活調整，得出房間數量不同的多種套型，以適應不同家庭及同一家庭的不同階段對內部空間的需求，實現住宅套型在生命周期內的可變性。以某裝配式混合結構高層住宅為例，共包括3種套型：①1對夫妻與父母同??；②1對夫妻與父母及2名子女同住；③既滿足居住功能又滿足居家辦公需求（見圖1～4）。

1 A套型（圖片來源：劉一帆）

2 B套型（圖片來源：劉一帆）

3 C套型（圖片來源：劉一帆）

4 結構平面（圖片來源：劉一帆）

套型內各部品部件因使用頻率、自身材料不同，耐久年限也各不相同。裝配式混合結構住宅采用管線分離的方式，將管線集成在“結構單元”中，通過設置檢修口和清潔口對管線進行日常維護、增加使用壽命，維修更新不會對建筑結構造成影響甚至破壞，進而使維修費用降低，改造更為便捷，可做到隨壞隨修，隨改隨換，且增建改建難度降低，整體適應性更強。

5 綠色環(huán)保

相較傳統(tǒng)剪力墻結構，裝配式混合結構住宅生命周期結束時構件的回收率具有明顯優(yōu)勢。通用化體系下預制通用部件部品的適用范圍得到極大擴展，集中回收經由專業(yè)廠家處理后的部件部品可快捷、經濟地投入下一輪建設。將部件部品的生命周期與建筑生命周期分離，客觀上延長了部件部品的使用壽命，有利于實現“四節(jié)一環(huán)保”的發(fā)展目標。

6 結語

以“空間單元=結構單元”概念指導建筑設計，基于我國高層住宅建筑結構和套型設計現狀，分析鋼筋混凝土剪力墻結構、鋼-混凝土混合結構、裝配式混合結構特點，并結合具體案例，采用裝配式混合結構體系實現高層住宅套型在生命周期內的可變性。