建筑模塊化研究進展綜述

陳 謙 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

建筑模塊化研究進展綜述

陳 謙 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結合國內外研究狀況，從發展背景、市場需要等角度對建筑模塊化技術進行了分析，就不同的建筑模塊化研究思路分別提出了其發展優勢以及現階段存在的一些問題，基于各種不足，從成本、設計、安全性能等方面提出了改進措施。

建筑模塊化，預制拼裝，集裝箱

0 引言

21世紀以來，中國經濟的騰飛，帶動了建設領域的高速發展，其理論和技術水平也得到了相應的提升，日趨成熟。但是，隨著經濟的高速發展而帶來的一系列問題也愈加凸顯，例如人口密度增大、資源過度浪費、環境急劇惡化等，這種以量變求發展的模式已經不能再繼續了,綠色、可持續建筑才是今后土建行業發展的重點。

新思維、新理念是土建行業發展的源泉。隨著工程類型的復雜化，施工質量的標準化，社會對建設項目的精益程度要求越來越高。此時，為了滿足日益增長的需求，就必須引入一種新的建設體系，來解決現階段所存在的這些問題，而“建筑模塊化”就是一個很好的創新體系。

建筑模塊化是指將若干個在工廠預制的空間模塊，運到施工現場后像搭積木一樣地搭建而成的建筑。模塊化技術集設計、制造、搭建和驗收為一體，有效的縮短了建設工期，可以更快的回收資本，是一種新的、有前景的理念，以技術創新為核心，具有獨特的競爭優勢。

1 國內外研究狀況

建筑模塊化并不是憑空而來，它是總結前人的想法，逐步深入發展而來的。在西方和我國，對此均有大量的研究探討，以及付諸實際，尤其是近現代。

1.1 國外研究狀況

國外關于建筑模塊化，主要以可持續建筑作為發展和研究的目標，其理論和應用都有了一定的積累。

20世紀初，盛行現代主義和極少主義風潮，在解構主義的“沖突”與“瘋狂”的沖擊下，提出了“少就是多”的原則。早期的建筑模塊化只是一種簡單而獨特的結構形式，國外建筑師主要以盒子體系為主，節約空間布局，簡化施工，優化建設工期。

許多著名建筑師都曾提出關于模塊化的觀點。一戰前，瓦爾特·格羅皮烏斯就提出了自己的觀點：新時代的建筑應該既是科學的又是實用的，能夠在工廠的流水線上大批量生產制造。1910年，他主持設計的包豪斯校舍，三個模塊間彼此獨立，以通路相連，其體現出的模塊特性就是以功能來劃分模塊[1]。

1947年，勒·柯布西耶提出了“抽斗式住宅”的設想:用堅固的材料做框架，在框架形成的格子中，插入可以隨時抽出的模塊構件，就像在柜子上安放可以隨時抽出的抽斗一樣。

20世紀60年代，日本興起了以動態的功能觀來看待建筑的“新陳代謝理論”。黑川紀章是其中的代表人物，在其基礎上又提出了“變形”的概念和“點式刺激法”，認為建筑作為一種結構，分為穩定體和易變體兩部分，前者采用混凝土等永久性建筑材料作為承重結構不再改變；后者則用塑料、木板等輕型材料，根據不同時期的功能要求而更替[1]。

20世紀后期，集裝箱改造房逐漸興起，隨之出現了一系列專利與書籍。如美國1986年的Modular Container System，針對建筑功能提出了單個集裝箱的改造方法。以及Intermodal Shipping Container Small Steel Structure，這本書針對由2個～4個集裝箱模塊組合成的小型集裝箱改造房，從基礎選擇、空間擴展、模塊連接等方面進行了詳細的介紹，并提出規則的建筑造型是最安全的觀點[2]。

隨著科技發展，對于模塊化的研究逐漸深入到施工的細節方面。英國薩里大學的Robert Mark Lawson教授等對模塊組合結構和節點受力性能進行了試驗研究。加拿大西安大略大學的C.D.Annan教授等對多層鋼模塊建筑的連接形式和抗震性能進行了相關研究[3]。

1.2 國內研究狀況

在當代，我國對于建筑模塊化的研究起步較晚，理論比較單薄，缺乏多學科的交叉互補，宏觀層面的論述較多，深入具體研究和有創新突破的較少，在很多方面還是空白。直到近幾年，情況才逐漸改善，進行了一些相關研究。

1.2.1 預制裝配式建筑

20世紀90年代以來，在政府的支持下，一些大學和科研院所，將模塊化運用到建筑設計與施工等領域，研究大多以“盒子結構”作為空間單元進行組合，體系較為單一。

2010年，崔惶院士發表《中間建筑》一文，較為完整的解剖了建筑師如何運用模塊化策略在設計中進行功能組合，提到模塊化方法應該深入到建筑的每一處細節中：幕墻劃分、門窗洞口以及整個內部空間布局，達到外部形式與內部功能的有機結合。

1.2.2 拆裝式集裝箱建筑研究

相較于預制裝配式建筑的研究，我國對于拆裝式集裝箱的研究較早，有一定的成績。

2006年，中國建筑科研院的申世元、葛學禮等發表的論文《拼裝式輕鋼活動房結構安全分析及改進意見》中介紹了大量輕鋼結構拼裝式房屋現狀，對這類房屋從承載力和變形的角度采用有限元模型進行分析論證，指出了其中的問題并提出了改進建議。

天津大學的黃光宏、馮遠紅等運用NASTRAN軟件對擴展集裝箱式房屋建立空間整體模型，對縱向1/2整體結構進行了20 cm雪載和X向10級風載的結構試驗。

哈爾濱工業大學的查曉雄教授利用ABAQUS軟件，對多層集裝箱房屋在十字卡件等節點連接形式的條件下，進行集裝箱房的頂端荷載—位移曲線的模擬，得出十字卡件等節點連接形式的相關數據和參數[2]。

2 研究內容與框架

經過國內外學者的一系列理論研究及施工人員的實踐總結，建筑模塊化按照研究內容大致可分為兩個方面：1)預制裝配式建筑，是采用在工廠預制的桿件、板塊等，運輸至施工現場進行連接、裝配而成的建筑，主要為多層、高層建筑，見圖1；2)拆裝式集裝箱房屋，是以若干廢棄集裝箱為主體，作為現成的建筑材料，搭建或組裝而成的建筑，多為中低層建筑，見圖2。

2.1 預制裝配式建筑

預制裝配式建筑是指將整個建筑分解為梁、柱、板等基本構件，通過標準化的節點構造實現現場機械化裝配施工的建筑。構件的裝配過程是將不同構件按照設計要求進行組合的過程，是模塊整合的過程。根據不同的預制程度，預制裝配式建筑結構體系分為三類，見圖3。

2.2 拆裝式集裝箱房屋

拆裝式集裝箱房屋是指對既有的廢棄集裝箱進行改造，在鉆孔、組裝以及進行加固后而成的一種新的建筑。按照空間組合方式的不同，主要可分為兩大類，見圖4。

2.2.1 基本組合

集裝箱處于并置關系，通過打通模塊之間的接觸面來實現空間的延伸而形成整體，主要通過單箱、堆碼、橫向并置、縱向并置等方式來實現。

2.2.2 拓展組合

充分利用內部的空間，通過平面和立面上的錯位使集裝箱模塊之間產生包容空間，這種包容空間屬于有效的使用空間，可以靈活使用。

3 發展優勢與存在的問題

建筑模塊化作為新興技術，擁有一系列突出的優勢，其最大特點就是提高作業效率，縮短施工周期，更早的交付投資方，使其更快回收資本。其次，工業化生產使模塊單元具有精良的工藝：流水線作業，機械精準切割，保證高品質。工廠施工的環境可控，可對施工質量進行全方面檢測，控制制造誤差。同時，模塊化建筑有2/3以上的施工過程在工廠內完成，只留少量連接拼裝等工作在現場采用干燥作業，總用工量少，勞動條件有所改善，還可減少對周圍生活環境的影響。

不過，建筑模塊化要想在國內迎來爆發式發展，還有待解決一些問題。首先，其成本較高。比如，建造一個50 m2的公寓，裝配式建造方式的成本大致是傳統建造方式的2倍～3倍。其次，模塊規格制式化且種類較少，房間尺寸受到了限制，導致樣式設計可選擇的范圍有限。然后，預制構件或集裝箱往往體積大、重量大，造成半成品運輸、裝卸、吊裝困難，使模塊建筑的建設、適用范圍受到了限制。另外，建筑構件的設計和建造可以標準化，但是由它形成的體系很難做到標準化。按層制造，現場靠螺栓連接的建筑，在荷載下螺栓反復受力產生疲勞和松動的可能性很大，安全性能就受到了挑戰[5]。只有解決了上述問題，一系列建筑模塊化技術才能整合起來，形成新的建筑體系，才能在更廣的領域付諸實踐，推動土建行業蓬勃發展。

4 結語與展望

建筑模塊化，其實是建立了一種有效的操作手段，具體的實施要根據實際情況逐步累積經驗。它是一種創新技術，現階段擁有巨大的潛力，當然也有一些不足，但這些問題并不是不能解決的。例如現階段模塊構件成本高，可以結合當地條件，在工程化比較集中的地方修建模塊構件預制廠，為工程提供模塊構件；或者在模板工廠內增建生產線來生產模塊構件,所需追加投資不多,而受益較大；還可在工廠中生產一些金屬、塑料與混凝土混合的輕質材料,既降低構件本身成本，也相應的減少運輸成本。

模塊化的前提是不同實體之間有合作方式，但每個模塊內部都有自由創作的空間。模塊化是一個動態過程,而非一個孤立的靜止事物,在生命周期結束前將一直處于修改、更新狀態。至于安全性能，現階段最有效的方法就是嚴把審核關卡，此處我們可以借鑒國外招標過程中“兩段三審”的方法，透明招標過程,減少人為因素的干擾。同時，政府部門的監管職能要充分發揮。隨著國際化進程的逐漸加快，我國將真正的建立健全模塊建筑工程的安全性能體系。

近年來，我國處在一個大力發展基礎建設的時期，建筑市場潛力巨大，全國居民住宅還處于一個供不應求的局面中，現在加緊對模塊化建筑的研究開發工作，是很有現實意義的。而且,這種住房最大的優勢不在買房人，而是外來的尋租戶。尤其是每年流入城市的近2億人的民工大潮，這個數以億計的巨大人群將會成為模塊化建筑的主要消費對象。

對于模塊化建筑，采用新技術、新材料是增強它競爭力的主要手段。目前，我國大量推廣建筑模塊化的條件還未完全成熟，但隨著生產的規模化和生產技術水平的提高，越來越多新穎設計方案的涌現，模塊化建筑將呈現出大規模的發展態勢。建筑的模塊化是整個建設領域工業化的結果，是行業發展漸進的方向。在初始階段，由于存在著一些技術與管理上的問題，模塊化的效益不太明顯。但從長遠發展來看，解決了上述問題后的整個建設行業將擁有巨大的發展前景，迎來新一次的騰飛。

[1] 仝非非.建筑設計的模塊化探研[D].鄭州：鄭州大學碩士學位論文，2013.

[2] 查曉雄.輕鋼活動房計算理論——靜動力、優化、性能化防火、集裝箱改造房[M].北京:科學出版社，2011:265-266.

[3] 王小盾，曲可鑫.模塊化建筑技術綜述[J].工業建筑，2013(sup):56-64.

[4] 王 蔚，魏春雨.集裝箱建筑的低碳模式[J].建筑學報，2011(S1):130-135.

[5] 郭 菁.可持續建筑：遠大集團拼裝高樓[J].上海經濟，2013(3):37-39.

Researchsurveyofmodulararchitecture

CHENQianJIAJie

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

On the basis of the current research achievements at home and abroad, this article gives a brief analysis on modular architecture from different perspectives like development background and market demand. Comes up with research ideas strengthes and existing problems respectively, thus gives corresponding improvement proposals from cost, design and safety based on these problems.

modular architecture, precast consolidation, container

1009-6825(2014)33-0093-03

2014-09-17

陳 謙(1993- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，講師

TU741

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