裝配式模塊化集成房屋在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)設(shè)計研究

郭 震，張志喜

（甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

現(xiàn)階段，集成房屋作為裝配式建筑中工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)形式，得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，其不但延續(xù)了裝配式建筑設(shè)計模數(shù)化、工廠生產(chǎn)化、施工裝配化等優(yōu)點，而且在此基礎(chǔ)上充分體現(xiàn)“集成”的綜合化、一體化理念，即將房屋各個組成部分有機(jī)的整合為一體，從而實現(xiàn) 1+1＞2 的整體效果［1］。

由于集成房屋設(shè)計、建造理念的不同，我國集成房屋的應(yīng)用主要在臨時性建筑、城市辦公、民用安置、旅游區(qū)休閑別墅、度假屋、公共衛(wèi)生間、隔離病房等臨時性用房。近年來，集成房屋如何能夠更好地在高海拔嚴(yán)寒寒冷地區(qū)大批量的使用成為研究熱點，在對國內(nèi)外集成房屋研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種適用于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的裝配式模塊化應(yīng)急房屋整體解決方案，為模塊化集成房屋在極端環(huán)境下的應(yīng)用提供借鑒。

1 模塊化集成房屋的概述及發(fā)展現(xiàn)狀

在房屋建筑領(lǐng)域中“集成”的概念來源于自動化領(lǐng)域，集成并不只是簡單的集合，通過系統(tǒng)的集成，將關(guān)聯(lián)度較低的各個子系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)組合，形成各個部分相互協(xié)調(diào)、效能整體提高的新系統(tǒng)，因此，一個成功的集成并不是盲目的做加法，而是將最終的系統(tǒng)提高一個層次。裝配式模塊化集成房屋作為集成后的最終產(chǎn)品，是住宅工業(yè)化、專業(yè)化、社會協(xié)作化的產(chǎn)物，它集成了先進(jìn)的生產(chǎn)方式、生產(chǎn)材料、設(shè)計方案、施工方法，為我們創(chuàng)造了一種全新建造理念和居住模式［2］。

目前，隨著裝配式模塊化集成房屋在我國的一些應(yīng)急工程中的大量應(yīng)用，這種建造速度快，安拆方便、舒適環(huán)保的房屋越來越受到人們的關(guān)注，如 2003 年非典時期的小湯山醫(yī)院、2008 年汶川地震安置房以及 2020 年舉世矚目的雷神山、火神山醫(yī)院等。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，裝配式模塊化房屋將具有廣闊的發(fā)展空間［3］。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

歐美、日本等國家由于戰(zhàn)后住房問題突出，20 世紀(jì)60、70 年代開始研發(fā)輕鋼模塊房，主要用于臨時性過度房屋使用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，模塊化房屋各組成系統(tǒng)逐漸完善和成熟。隨著臨時性房屋市場的飽和，各公司推出了模塊房屋租賃的經(jīng)營模式，其中典型代表為 Algeco 公司，作為歐洲最大的模塊化房屋生產(chǎn)企業(yè)，每年售出和租賃模塊房屋數(shù)量為 30 萬個左右。現(xiàn)階段，箱式集成房屋主要應(yīng)用于城市建設(shè)、應(yīng)急設(shè)施、臨時居住建筑、商業(yè)建筑等領(lǐng)域。與國內(nèi)不同的是，歐洲模塊化集成房屋用于工程施工臨時性使用僅占到總數(shù)的 30 %，更多被應(yīng)用于民用住宅、學(xué)校和商業(yè)建筑。

同樣，美國在集成房屋的發(fā)展也逐步成熟，日趨完善，進(jìn)入 21 世紀(jì)，美國主要推廣在郊區(qū)采用低層木結(jié)構(gòu)形式，推出標(biāo)準(zhǔn)戶型和個性化需求設(shè)計服務(wù)，受到了美國民眾普遍的青睞，但由于木材的大量消耗，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，美國的工程設(shè)計師們又著力研發(fā)出鋼結(jié)構(gòu)集成房屋和模塊化裝配式房屋，這兩種結(jié)構(gòu)形式的使用率正在逐年提高，據(jù)統(tǒng)計，美國每 16 個人中就有 1 人居住模塊化集成房屋，集成技術(shù)體系不斷發(fā)展成熟，極大地提高了住宅質(zhì)量和舒適度。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國建筑行業(yè)工業(yè)化推廣較為緩慢，20 世紀(jì)末由國內(nèi)多家大型企業(yè)發(fā)起成立了住宅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)聯(lián)盟，雖然取得了些成績，但生產(chǎn)效率和科技水平依舊較低。近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展高速穩(wěn)定，近兩年建設(shè)行業(yè)經(jīng)濟(jì)增長有所放緩，但整個國內(nèi)建筑市場依舊活躍，且體量巨大。2000 年以前國內(nèi)市場主要采用 K 型房屋作為主要的臨時性房屋建筑，通過科技研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步逐步形成了輕鋼集成模塊房屋建筑，但由于當(dāng)時社會經(jīng)濟(jì)條件和市場規(guī)模等原因應(yīng)用數(shù)量較少。從 2013 年開始，包括中建集團(tuán)在內(nèi)的一大批大型建筑集團(tuán)企業(yè)開始大批量地生產(chǎn)應(yīng)用箱式集成房屋，市場規(guī)模逐漸擴(kuò)大，且廣泛應(yīng)用于其他各領(lǐng)域，例如從 2020 年開始大肆蔓延的新冠病毒，模塊化集成房屋以其施工安拆速度快，功能集成度高，大量應(yīng)用于臨時應(yīng)急處置用房當(dāng)中。目前，我國模塊化集成房屋在工程建設(shè)領(lǐng)域的使用量可以達(dá)到總數(shù)的 80 % 左右，模塊化集成房屋在其他領(lǐng)域的批量使用也在不斷地嘗試和探索。

2 裝配式模塊化集成房屋的特點及存在問題

裝配式模塊化集成房屋采用模塊化的設(shè)計理念和生產(chǎn)方式，將單元模塊箱房拆解成若干零部件，如頂框、底框、角柱、頂板、底板、墻板等，運至現(xiàn)場后組裝成箱房單元，再通過吊裝拼接成為建筑整體，如圖1所示。鋼框架結(jié)構(gòu)具有梁、柱、板等構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化生產(chǎn)的優(yōu)點，便于結(jié)構(gòu)的整體裝配，為工廠化生產(chǎn)制作提供了有利的條件。

圖1 裝配式集成房屋部件拆分

裝配式模塊化集成房屋具有以下特點。

1）標(biāo)準(zhǔn)制造。裝配式模塊化集成房屋采用“搭積木”的建造方式，即部品部件均采用模塊化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，運至現(xiàn)場組裝或吊裝落位即可，建造方式的巨大變革為鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)的發(fā)展提供了新的思路和契機(jī)，助力我國工業(yè)化、智能化發(fā)展。

2）拆運方便。裝配式模塊化集成房屋采用全干式連接，并且由于結(jié)構(gòu)特性，通常為單層或多層，建設(shè)周期短，安裝速度快。國外發(fā)達(dá)地區(qū)家用的集裝箱房，一般在工廠就已經(jīng)將房屋的各類設(shè)施預(yù)制完成，運送至指定位置，吊運落位后即可投入使用，也可根據(jù)甲方實際需求，靈活組裝、拼接使用單元（見圖1）；待房屋需要轉(zhuǎn)移至其他地點時，只需將模塊單元拆解成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，裝車運送到指定地點安裝即可。

3）節(jié)能環(huán)保。裝配式模塊化集成房屋的建設(shè)較比相同面積的傳統(tǒng)房屋，可節(jié)省一定的鋼材、混凝土和木材的消耗，并且建造過程全程工廠化，對大氣環(huán)境的污染較小，單個箱房可減少二氧化碳排放 3.49 t［4，5］，大力發(fā)展裝配式模塊化集成房屋與國家倡導(dǎo)的低碳環(huán)保發(fā)展政策不謀而合。

隨著我國模塊化集成房屋工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能力與市場消費能力還不能有效地匹配，箱式房屋即將迎來產(chǎn)能過剩時代。但我國對于集成模塊化房屋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較為缺乏，市場監(jiān)管機(jī)制還不夠完善，導(dǎo)致集成模塊化房屋行業(yè)門檻、技術(shù)門檻和生產(chǎn)門檻相對較低，大量小工廠涌現(xiàn)，造成市場上產(chǎn)品良莠不齊，大量產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到實際使用要求，同時存在著安全方面的隱患。

3 集成房屋在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的設(shè)計應(yīng)用

目前，裝配式模塊化集成房屋在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用已然成為此領(lǐng)域的下一個研究開發(fā)熱點，由于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)溫度極低，氣候復(fù)雜、空氣稀薄、晝夜溫差大等特點，集成房屋的拆卸、移動方便、功能集成、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點可最大程度地發(fā)揮，以滿足各類正常生活條件，如住宿、衛(wèi)浴、電力、熱源、飲食、垃圾處理等，設(shè)計思路如圖2 所示。

圖2 本解決方法總體設(shè)計思路

3.1 房屋布局

利用裝配式模塊化集成房屋多接口、可定制的特點，與已有模塊或新建模塊進(jìn)行連接組合，實現(xiàn)多功能的集成。標(biāo)準(zhǔn)模塊單排布置；多功能室及衛(wèi)生間設(shè)置在兩端，起到一定的保溫隔熱作用；盥洗室相鄰衛(wèi)生間設(shè)置，方便水源連接供給；宿舍外部設(shè)置玻璃走廊，起到保溫隔熱作用，同時可有效避免開關(guān)門的熱損失，玻璃暖廊設(shè)置門 M3，平時關(guān)閉，用于緊急疏散，整體場地布置如圖3 所示。熱源則單獨設(shè)置，與單排布置的集成房屋隔開一段的距離，防止火災(zāi)的發(fā)生。

圖3 整體場地布置圖

高寒、高海拔地區(qū)所使用的應(yīng)急房屋整體布置坐北朝南，實現(xiàn)全天最大采光時間，發(fā)電機(jī)組及垃圾間與生活區(qū)保持一定的距離，避免噪聲和垃圾對生活區(qū)的影響，便于發(fā)電機(jī)組定期維護(hù)和保養(yǎng)，同時，集中垃圾處理間的設(shè)置，大大增加了場地垃圾處理能力，有助于居住環(huán)境的整潔衛(wèi)生。應(yīng)急房屋內(nèi)可布置 6 張附墻式床位（3 層或 2 層），床具通過現(xiàn)場組裝，固定在墻柱上，安拆方便，節(jié)省空間，桌子、座椅等可采用折疊式家具，方便收納；多功能活動室內(nèi)可安裝電視或投影，便于黨建活動或其他活動安排；衛(wèi)生間采用干濕分離型蹲便器，通過固液分離器在源頭將大小便進(jìn)行分離，并經(jīng)加熱烘干，使糞便變?yōu)樗魵夂蜕倭抗腆w粉末，只需專人定期清理烘干殘渣，衛(wèi)生環(huán)保、易于管理。

3.2 運輸方式

裝配式模塊化集成房屋可拆分為部品部件，通過打包箱和集運箱進(jìn)行運輸。集成打包箱由箱底、箱頂、立柱、擋板組成，集成模塊化房屋的其他構(gòu)件如墻板、門窗、輔料等存放于形成的空間內(nèi)。集運箱是由多個打包箱盒子組成，尺寸規(guī)格需符合相關(guān)運輸要求，一般來說由 3 個或 4 個打包箱盒組合成為一個集運箱，相鄰兩個打包箱盒要連接可靠，滿足整體吊運安全性要求，支持陸運、海運乃至空運，適用于運輸數(shù)量大，距離遠(yuǎn)，施工場地復(fù)雜的工程。集成模塊化房屋也可整體運輸，適用于工期緊，運輸距離近，模塊化集成房屋需求量少的情況。

3.3 電源、熱源

1）電源。電源可采用燃油電車或太陽能板，亦可使用現(xiàn)場已有電源與相應(yīng)模塊接入。表1 為不同型號燃油電車的功率，按照額定功率 300 kW 計算，油耗率為 210 g/kWh，供電 8 h 油耗為 504 kg/d。5～8 t 柴油運輸車可滿足應(yīng)急房屋 10 d 的用電需求。

表1 不同型號燃油電車的功率

太陽能光伏板 1 kW 組件（10 m2）有效日照 6 h，不考慮損耗，1 d 發(fā) 6 度電；單體屋頂可排布兩組組件，發(fā)電量約為 12 度；配置控制器，逆變器及蓄電池組，可滿足應(yīng)急房屋日常用電需求。

2）熱源。熱源采用清潔熱源站，采用電力驅(qū)動壓縮機(jī)，使 CO2制冷劑從空氣中取熱，一度電產(chǎn)生三度電的熱量，用熱水循環(huán)加熱的方式供暖，清潔無污染。適用于場地固定、現(xiàn)場電力充足的高寒、高海拔地區(qū)。單個清潔熱源模塊電力負(fù)荷不超過 25 kW，可解決 20 個 18 m2的應(yīng)急房屋供暖，熱水系統(tǒng)循環(huán)，供熱舒適度高，最高出水溫度可達(dá) 75 ℃。

4 結(jié)語

本文通過對裝配式模塊化集成房屋的特點和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析，提出了一種適用于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的模塊化集成應(yīng)急房屋整體解決方案，通過研究分析，從房屋布局、運輸方式、電源和熱源等方面給出建議，得出以下結(jié)論。

1）裝配式模塊化集成房屋采用全干式連接，并且由于結(jié)構(gòu)特性，通常為單層或多層，建設(shè)周期短，安裝速度快。

2）裝配式模塊化集成房屋對大氣環(huán)境的污染較小，可大大減少二氧化碳排放，節(jié)能環(huán)保。

3）應(yīng)急房屋應(yīng)單排或雙排布置，可設(shè)置玻璃暖廊，增加采光和保溫性能；發(fā)電機(jī)組和垃圾間應(yīng)與生活區(qū)需保持一定的距離，避免噪聲和垃圾對生活區(qū)的影響。

4）應(yīng)急房屋室內(nèi)應(yīng)采用附墻式床位和可折疊式桌椅，可大大節(jié)省室內(nèi)空間并方便搬運；衛(wèi)生間內(nèi)應(yīng)采用干濕分離性蹲便器，衛(wèi)生環(huán)保、方便管理。Q