在西藏高原地區(qū)發(fā)展模塊化建筑的探討

趙 偉 杜 鵬 蒲 楊 侯升起

（西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

近年來，隨著我國國情的發(fā)展，人口紅利逐漸減少，建筑業(yè)面臨因人工成本持續(xù)上升導(dǎo)致建造成本持續(xù)上漲的問題，同時，傳統(tǒng)建筑施工周期長、施工精度低、責(zé)任劃分不清晰、環(huán)境污染等問題也日益突出[1]。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部等七部門印發(fā)《綠色建筑創(chuàng)建行動方案》，明確要求到2022年，當(dāng)年城鎮(zhèn)新建建筑中綠色建筑面積占比達(dá)到70%，星級綠色建筑持續(xù)增加，裝配化建造方式占比穩(wěn)步提升，綠色建材應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大；2021年10月26日，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》要求加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降碳，推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。由此可見，建筑綠色化已經(jīng)成為國家行為，新形勢下綠色建筑裝配化建造，已經(jīng)成為包括西藏在內(nèi)的各地區(qū)面臨的挑戰(zhàn)。

1 模塊化建筑簡介

模塊化建筑（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，簡稱PPVC）是一種新興的建筑結(jié)構(gòu)體系：將尺寸適宜運(yùn)輸?shù)募山ㄖK在工廠進(jìn)行預(yù)制，并對模塊內(nèi)部進(jìn)行布置和裝修，之后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場完成吊裝、拼接工作，最終成為建筑整體[2]，就像“搭建積木”一樣拼裝在一起的建筑。模塊化建筑作為一種可實現(xiàn)提升效益和快速施工的新型結(jié)構(gòu)體系已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

2 模塊化建筑的優(yōu)勢

裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑與傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)建筑相比，主要具有以下優(yōu)勢：

（1）工業(yè)化程度高，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。裝配式模塊化建筑的大部分構(gòu)件都在工廠預(yù)制完成，再運(yùn)送至施工現(xiàn)場安裝，制造誤差及質(zhì)量檢測可控，能實現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，極大地降低了施工現(xiàn)場建筑材料以及施工所需的占地面積。

（2）施工周期短，現(xiàn)場施工效率高。裝配式模塊化建筑施工現(xiàn)場機(jī)械化程度高，施工過程受天氣影響較少，可有效縮短施工工期、減少勞動力、提高工程質(zhì)量及施工效率、降低安全隱患。

（3）自重輕，耗材量少。因為鋼材強(qiáng)度高、承載力高、耐久性良好，并且鋼的強(qiáng)度和剛度比鋼筋混凝土高幾倍。因此，裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的重量僅為鋼筋混凝土建筑的1/2左右，極大地減少了房屋自重與耗材量，并且由于鋼結(jié)構(gòu)建筑自身構(gòu)件截面尺寸較小，也增大了建筑物內(nèi)部的使用空間[3]。

（4）綠色環(huán)保，符合時代發(fā)展潮流。裝配式模塊化建筑在施工過程中建筑垃圾、現(xiàn)場粉塵及噪音少，鋼材具有回收與重復(fù)利用的優(yōu)勢，建造和拆除時對環(huán)境污染小，屬于綠色環(huán)保建材。

（5）發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈l(fā)布了一系列相關(guān)政策，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑，積極推廣綠色建筑和建材，加快標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級。裝配式模塊化建筑安裝連接靈活，拆卸維修方便，并且擁有房屋可搬遷的功能，因此，在城市建設(shè)中發(fā)展?jié)摿κ志薮螅瑧?yīng)用前景非常廣闊[4]。

3 模塊化建筑應(yīng)用于西藏高原地區(qū)的探討

3.1 西藏高原地區(qū)發(fā)展模塊化建筑的優(yōu)勢

3.1.1 模塊化建筑綠色環(huán)保，建造過程中可最大程度降低對環(huán)境的影響

西藏是我國典型的生態(tài)脆區(qū)，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)抵御干擾的能力較低，恢復(fù)能力不強(qiáng)，再加上人類不合理的開發(fā)和利用，已在不同地域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞[5]。傳統(tǒng)建筑在建造過程中對環(huán)境造成粉塵污染、噪聲污染、光污染、水污染、土壤污染以及固體垃圾污染等，這對生態(tài)本就十分脆弱的西藏高原地區(qū)是十分致命的打擊。而模塊化在建筑現(xiàn)場并無濕作業(yè)，在施工過程中建筑垃圾、現(xiàn)場粉塵及噪音少，并且鋼材屬于綠色環(huán)保建筑材料，具有回收與重復(fù)利用的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)建筑相比，在環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢。

3.1.2 模塊化建筑施工周期短，可加快城鎮(zhèn)化進(jìn)程

西藏地區(qū)雖然2020年城鎮(zhèn)化率提高至32%[6]，但與全國60%的城鎮(zhèn)化率[7]還相差甚遠(yuǎn)。究其原因，除其地廣人稀的環(huán)境特殊性外，與傳統(tǒng)建筑施工周期較長的劣勢在西藏高原地區(qū)特殊氣候特征下被進(jìn)一步放大也有相當(dāng)大的關(guān)系。西藏高原地區(qū)冬季漫長寒冷，降雪量大，許多偏遠(yuǎn)地區(qū)一到冬季往往大雪封山、交通不便，環(huán)境十分惡劣。傳統(tǒng)建筑多為露天作業(yè)，在建造過程中大部分是人工在現(xiàn)場施工作業(yè)，受天氣影響較大，在冬季和雨季施工進(jìn)度十分緩慢。模塊化建筑因其大部分構(gòu)件都在工廠預(yù)制完成后，再運(yùn)送到施工現(xiàn)場安裝，現(xiàn)場施工效率高、機(jī)械化程度高、施工過程受天氣影響較小，會有效縮短施工工期，相較于傳統(tǒng)建筑，對推進(jìn)西藏高原地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展有十分巨大的優(yōu)勢。

3.1.3 模塊化建筑可改善西藏地區(qū)原有建筑的不足

西藏高原地區(qū)交通運(yùn)輸十分不便，因此藏式石砌體結(jié)構(gòu)因其易于就地取材，同時能較好地抵御高原地區(qū)嚴(yán)寒氣候，在青藏高原上是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式。但其承重墻體由毛石與黏土砌筑而成，剛度大，抗震耗能弱，在歷次的地震中破損程度都非常大。而模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕、抗震性能較好，在地震中可極大地減少人員傷亡，同時鋼材具有回收利用價值，在災(zāi)后修復(fù)和拆除重建等方面擁有巨大優(yōu)勢。

3.1.4 單一的模塊化集裝箱式建筑，在西藏高原地區(qū)應(yīng)用前景廣泛

西藏地區(qū)擁有極大的科研價值，每年有大量的地質(zhì)勘探隊伍進(jìn)藏進(jìn)行科研考察。同時，西藏高原地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動頻繁，成礦作用多種多樣，礦產(chǎn)資源非常豐富[8]。而西藏高原地區(qū)地廣人稀，礦產(chǎn)資源分布不均且大多處于人跡罕及、環(huán)境惡劣的藏區(qū)深處，這些地區(qū)往往交通不便、條件艱苦。針對礦區(qū)和科研勘探人員居住問題，單一的模塊化集裝箱式建筑因其相較于傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)建筑建造安裝快捷簡便、可循環(huán)利用、對自然環(huán)境影響較少的優(yōu)勢，以及相較于帳篷保暖防風(fēng)性能優(yōu)越、更加堅固耐用的特性，無疑是最方便可靠的選擇。同時，西藏高原地區(qū)位于我國邊疆地區(qū)，與多國接壤且邊境線極長，單一的模塊化集裝箱式建筑機(jī)動性能優(yōu)越，對于國防安全問題有較大的應(yīng)用價值。

3.2 西藏地區(qū)模塊化建筑發(fā)展面臨的問題

目前，雖然西藏自治區(qū)高原裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展已經(jīng)取得了一定成效，但對于模塊化建筑發(fā)展方面的研究仍然較少，仍存在以下的不足：

3.2.1 沒有形成成熟完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系目前，西藏地區(qū)模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展并未成熟，建筑領(lǐng)域目前依舊采用傳統(tǒng)的筑造方式，尚未形成成熟完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系。與模塊化建筑發(fā)展較快的地區(qū)相比，西藏地區(qū)模塊化建筑發(fā)展十分緩慢，存在較大差距。并且社會大眾對模塊化建筑的疑慮較多，居民對模塊化建筑可接受程度較低。

3.2.2 建造成本較高，市場消費(fèi)水平低，居民接受程度低西藏高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與內(nèi)地發(fā)達(dá)省份仍有一定的差距，消費(fèi)者消費(fèi)水平較低，以西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的為例，據(jù)了解，拉薩市關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑已建設(shè)和正在建設(shè)的項目有拉薩市城關(guān)區(qū)便民服務(wù)中心、拉薩曲水百畝聯(lián)動溫室大棚、拉薩市城關(guān)區(qū)政府公租房（一期、二期、三期）等項目[9]，預(yù)制集裝箱式結(jié)構(gòu)建筑還處于概念模型階段，未進(jìn)行推廣[10]。這些項目大部分都是政府投資建設(shè)，市場需求嚴(yán)重不足。此外，因其地域特殊性，藏族人民因為生活在高原這種極端惡劣的自然環(huán)境中，形成了較之其他民族更加突顯的自我防衛(wèi)心理。這種心理通過不斷傳播和擴(kuò)張，逐漸形成民族的集體防衛(wèi)心理，因此對新事物的接受進(jìn)程較為緩慢[11]，進(jìn)一步減緩了模塊化建筑這一新型建筑體系的推廣進(jìn)程。

3.2.3 未能形成適合高原地區(qū)的新型模塊化建筑體系

由于西藏高原地區(qū)地理環(huán)境特征、人文氣候條件的特殊性，目前主流的模塊化建筑體系并不能與之完全適配。

西藏高原是中國地震多發(fā)地區(qū)，區(qū)內(nèi)地域溫差大，交通不便，但陽光充沛。無骨架和有骨架熱軋框架模塊化建筑因其固有缺陷，并不適合西藏未來發(fā)展。目前，以冷彎鋼龍骨體系、冷彎鋼小桁架體系為代表的冷彎鋼結(jié)構(gòu)體系適合低層建筑，抗震耗能能力不強(qiáng)，模塊化發(fā)展不充分。如被大面積應(yīng)用在高原，將面臨結(jié)構(gòu)抗震安全、交通運(yùn)輸、施工組織及綠色發(fā)展等多方面的挑戰(zhàn)。同時，西藏高原整個地形由西北向東南逐漸平緩，造就了西藏高原東南溫暖濕潤、西北干燥嚴(yán)寒獨(dú)特而復(fù)雜多樣氣候特征，呈現(xiàn)出由東南向西北的帶狀分布[12]，因此，造就了西藏地區(qū)建筑形式多樣的建筑風(fēng)格。而模塊化建筑雖然安裝便捷、施工周期短，但目前結(jié)構(gòu)選型較為單一，設(shè)計缺乏多元化，應(yīng)用范圍也僅限于一些樓層數(shù)較少的中低層建筑，并不能滿足西藏地區(qū)建筑物形式多樣的建筑風(fēng)格。

因此，面對高原民居和城鎮(zhèn)化對綠色建筑的需求，需要研究適合高原地區(qū)的新型模塊化建筑體系，解決上述關(guān)鍵技術(shù)難題。

3.3 西藏地區(qū)模塊化建筑發(fā)展建議

3.3.1 盡快建立完善全面的產(chǎn)業(yè)鏈體系

為促進(jìn)模塊化建筑在西藏高原發(fā)展，自治區(qū)政府可加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)，完善支持政策。增強(qiáng)企業(yè)信心，促使企業(yè)積極加大相應(yīng)研發(fā)、生產(chǎn)投入，激發(fā)市場活力。同時，提高監(jiān)管效能，完善監(jiān)管機(jī)制和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并健全項目設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、施工建造以及后期檢測等全過程質(zhì)量監(jiān)管體系，全面提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，加快建立完善全面的產(chǎn)業(yè)鏈體系。

3.3.2 加大推廣力度，增加試點(diǎn)項目，加強(qiáng)人才建設(shè)，提升居民可接受程度

目前，西藏地區(qū)模塊化建筑工程實例十分稀少，市場應(yīng)用實例嚴(yán)重稀缺，同時相關(guān)企業(yè)單位數(shù)量較少，相應(yīng)人才隊伍也十分稀缺。因此，自治區(qū)政府可增加試點(diǎn)工程項目，積極開展示范項目建設(shè)，同時積極引進(jìn)高層次技術(shù)、管理人才，提升從業(yè)人員整體素質(zhì)。在當(dāng)?shù)丶哟竽K化建筑宣傳，開展多渠道多形式的宣傳方式，廣泛宣傳模塊化建筑基本知識及其在工業(yè)化程度高、施工周期短、綠色環(huán)保以及提升社會經(jīng)濟(jì)效益等方面的優(yōu)越性，提高社會認(rèn)知度，提升居民可接受程度。

3.3.3 大力研究適合西藏高原地區(qū)的新型模塊化建筑體系

目前，主流的模塊化建筑體系與西藏高原地區(qū)并不能完全適配：西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部,平均海拔在4000m 以上，素有“世界屋脊”之稱[13]，其地理環(huán)境特征、人文氣候條件等都十分特殊。而自然環(huán)境對建筑起著最基本的限定作用，同時也對建筑形態(tài)構(gòu)成要素的發(fā)展起著主導(dǎo)的作用[12]。因此，在西藏高原地區(qū)發(fā)展模塊化建筑，必須考慮其特殊的自然環(huán)境特征以及當(dāng)?shù)亟ㄖ袠I(yè)的特殊性，研究出與之適配的新型模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系。

3.4 西藏高原地區(qū)新型模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展方向探討

3.4.1 提升結(jié)構(gòu)性能，增加抗震效能，降低建造成本

西藏地區(qū)處于歐亞地震帶及喜馬拉雅-地中海地震帶中，是地殼運(yùn)動強(qiáng)烈的地帶，經(jīng)常發(fā)生破壞性地震及中、深源地震[9]。西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與內(nèi)地發(fā)達(dá)省份仍有一定差距，目前傳統(tǒng)模塊化建筑耗鋼量較大，建造成本較高。因此，新型模塊化結(jié)構(gòu)體系的材料選擇方面必須兼顧“輕質(zhì)”“高強(qiáng)”的特性，不僅要擁有較強(qiáng)的抗震性能，同時也要擁有一定的經(jīng)濟(jì)性能?；谶@兩方面的基礎(chǔ)，冷彎型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)的截面輕型薄壁鋼材，具有截面經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)省材料、品種繁多、利用率高以及生產(chǎn)中還可與沖孔等工序相配合等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)斷面鋼材。在研究與西藏高原地區(qū)適配的新型模塊化結(jié)構(gòu)體系方面具有極大的研究價值以及開發(fā)應(yīng)用前景。

3.4.2 充分利用高原地區(qū)太陽能資源，開展光伏與模塊化建筑一體化研究

西藏高原地區(qū)有著得天獨(dú)厚的太陽能資源，太陽能作為一種綠色可再生能源，符合當(dāng)今綠色節(jié)能的發(fā)展趨勢。藏西北大部分地區(qū)年平均日照時間為3000h左右；藏東南部分地區(qū)年平均日照時間也多達(dá)2000h左右，個別地方還高達(dá)5000h以上，冬季雖然嚴(yán)寒，但太陽輻射強(qiáng)，平均日照時數(shù)一般也都在1500h～3400h[13]，因此，在西藏高原地區(qū)發(fā)展太陽能資源有著廣闊的前景。

若將太陽能資源與新型模塊化結(jié)構(gòu)體系研究相結(jié)合，開展光伏與模塊化建筑一體化設(shè)計，基于零能耗理念的光伏建筑一體性能優(yōu)化，以實現(xiàn)新型模塊化結(jié)構(gòu)建筑電力能源的自給自足，同時具有很好的節(jié)能保溫特性以適應(yīng)高原氣候環(huán)境為發(fā)展目標(biāo)，不僅積極響應(yīng)了國家綠色建筑行動計劃，也極大地保護(hù)了西藏地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，為西藏自治區(qū)實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提供了有力支持。同時，可以對西藏高原無電、缺電的偏遠(yuǎn)地區(qū)礦產(chǎn)資源開采、地質(zhì)勘探調(diào)研等相關(guān)人員提供良好的居住設(shè)施，發(fā)展前景巨大。

4 結(jié)語

模塊化建筑具有廣泛深遠(yuǎn)的發(fā)展前景，將成為未來綠色建筑及評價標(biāo)準(zhǔn)向前發(fā)展的重要推動力，西藏高原地區(qū)因其特殊的自然環(huán)境與氣候特征，目前與主流的模塊化建筑體系并不能完美適配，但若能以此為基礎(chǔ)，開發(fā)研究出能克服自身環(huán)境不足，并與自身條件相結(jié)合的新型模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系，必將推動西藏高原地區(qū)建筑行業(yè)的歷史性變革。