談建筑模數在低層輕鋼建筑中的應用

杜 瑋

(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

1 概述

輕鋼龍骨結構體系建筑在國內屬于一種新型建筑，這種體系一般適用于低層住宅，該體系結構骨架主要包括冷彎型鋼和小型熱軋型鋼。輕鋼龍骨體系由立柱，梁，天、地龍骨及中間支撐通過配套扣件和加勁件用自攻螺釘連接組成。立柱間距為400 mm～600 mm，用輕型板材，比如石膏板、OSB板、PC板、水泥纖維板、彩鋼板等作為圍護結構。輕質板材的使用，使室外裝飾在色彩及材料類型選擇上具有更大的靈活性，在設計上更易實現舒適性、美觀性、綠色環保的理念。樓面系統采用樓面輕鋼龍骨，上鋪OSB板和面層，下設吊頂，可便于各設備管線的穿行。

在歐洲、美國、日本及澳大利亞等經濟發達國家，輕鋼結構建筑早已得到廣泛應用。比如在美國一般的低層民用建筑中，采用鍍鋅輕鋼龍骨作為承重結構，此輕鋼結構體系的應用在住宅建設中所占的比例，20世紀90年代初只占5%，而現在已經發展到25%左右，且技術已經發展的相當成熟。在我國，雖然低層輕鋼龍骨結構體系的研究尚處于起步階段，但是其市場呈迅猛發展趨勢，一些國外的大型鋼構公司如巴特勒、美建、博思格已經進入中國建筑市場。根據《國家建筑鋼結構產業“十五”計劃和2015年發展規劃綱要》，我國到2015年將達到每年建筑用鋼量占全國鋼材總產量的6%。這對于鋼結構尤其是輕鋼結構建筑，正是它的發展機遇，為它向標準化、產業化發展打下堅實的基礎，提供了根本保障。

2 模數化的重要性

1)基本概念。建筑模數化設計是標準化的一種表現形式，以使建筑構配件和組合件實現規模化生產，并使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑構配件、組合件符合一定模數與標準，可達到較大通用性和互換性的目的，最終實現加快設計速度，提高施工質量和效率，綜合降低建筑成本。

建筑模數單位即是建筑物及其構配件或組合件選定的標準尺寸單位，并作為尺寸協調中的增值單位。在建筑模數協調中其基本模數的數值應為100 mm，其符號為M，即1M等于100 mm。整個建筑物和建筑物的一部分以及建筑組合件的模數化尺寸，應是基本模數的倍數。

2)模數化設計理念是低層輕鋼建筑產業化的基礎。產業化是一個國家發展和技術進步到一定階段所必經的過程，其特征是產業經濟重心由初級產品向制造業轉移。即以模數化構建標準化，以標準化推動工業化，以工業化促進產業化。建筑模數化設計在古代的建筑中就已經有所應用。隨著社會和科技的進步，現代建筑的模數化、產業化更是建筑業發展的必然潮流，尤其是設計過程中貫穿模數化理念，為建筑設計的標準化、建筑構配件加工機械化、運輸過程簡便化、現場施工裝配化提供了強有力的基礎。

現代社會要求建筑走精細化道路，對于設計伊始不僅要考慮滿足建筑功能的要求，更需要考慮到建筑構配件便于工廠化加工，方便運輸，盡量使施工難度降低并能夠節約工期，并且要求綠色環保。低層輕鋼建筑與此要求非常契合，這就需要我們用模數化理念去武裝它，以實現用標準化去生產、去建設，最終達到像做產品一樣去做房子的夢想。

3 模數化實施的原則和方法

目前的模數化更著重于“模數+協調”的原則方法，模數化也不像過去般墨守成規，導致個性化缺失。住宅部件實現通用性和互換性是模數協調的最基本原則。就是把部件規格化、通用化，使部件可適用于常規住宅建筑，并可滿足各種需求。建筑的模數協調涉及到各個行業，所以需要各方通力合作，共同遵守模數協調原則。模數協調原則應用就是在滿足建筑基本功能需求的基礎上，實行參數系列最少化，可以保證制造加工的簡便經濟，安裝快速。為了適應現代社會經濟高速發展，滿足人們的生活需要和大規模建設的需要，建筑部件的加工生產必須同其他加工制造業看齊，需要實現大規模的工業化生產。要實行大規模的工業化生產，應該重視設計模數化，構配件加工工廠化，施工簡便化，建筑材料綠色化等方面的工作。

1)設計模數化。從建筑方案設計開始，建筑物的設計就遵循一定的設計標準，盡量做到建筑物及其構配件的模數化、標準化、材料的定型化。這在各國的建筑工業化發展過程中都作為一條重要原則在遵守。如果在設計這個先行工作中就沒有考慮到標準化，那么在后續加工制造和施工過程中就更難實現規模化生產，那實現工業化生產就是鏡花水月了。標準化并不是要限制建筑多樣化，而是按照相應的規范原則要求，盡量使標準構件規格少，節點構造標準化，但是通過細部裝修個性化設計，使建筑達到標準化與個性化的完美結合。

2)構配件加工工廠化，施工簡便化。在設計模數化、標準化的基礎上，構配件有一定的規律可循并且規格較少，具備工廠化生產的條件。所謂建筑物的工廠化率，主要就是指建筑物的構配件及其組合過程有多大部分是在工廠完成的，是衡量建筑工業化的主要指標。低層輕鋼建筑的工廠化率就非常高，它的所有建筑構配件都可以在工廠加工完成，在現場裝配完成，這樣建造房子就像組裝家具、搭積木一樣簡單方便，符合工業化生產的要求。建筑工業化施工方法與傳統施工方式最大的區別就是現場構配件裝配施工，不需現場濕作業。由于建筑構配件均為工廠化加工，精度很高，所以現場施工的精細化程度也很高，誤差較小，施工效率高，可以大大節省工期，從而體現出較好的綜合經濟效益。低層輕鋼建筑的現場施工更是非常便利，由于高度不高，并不需要大型施工機械，通過人工即可完成。

3)建筑材料綠色化。2013年1月1日，國務院辦公廳以國辦發［2013］1號轉發國家發展改革委、住房和城鄉建設部制訂的《綠色建筑行動方案》，明確要求:要推動建筑工業化。綠色建筑已經上升為國家戰略，綠色建筑與以往單純的建筑節能有著本質的區別。它不僅要考慮節能，更要重點強調減排和保護環境，這是以往單純考慮建筑節能的一種升華。低層輕鋼建筑不僅能夠滿足建筑功能要求，滿足承載力要求，而且它節能、節水、節材和保護環境，更好的滿足了綠色建筑的要求，真正實現對資源的高效利用和循環利用。它是綠色建筑的重要代表，在發達國家已被廣泛應用。

4 工程實例

某別墅項目，采用輕鋼龍骨建筑體系，單層建筑，層高3.6 m，是低層輕鋼建筑的代表，是標準化建設的一次客觀實現，其中采用了一些模數化設計理念。但由于輕鋼龍骨建筑在國內發展尚屬于起步階段，所以模數化理念只是做了初步應用。

在設計滿足建筑功能使用要求的基礎上，首先，在平面設計中考慮了模數化。在兩種戶型設計中，將臥室的開間統一為4 000 mm，起居室開間為6 600 mm，衛生間統一為2 400 mm×1 600 mm。這樣窗戶大小位置與入戶門的位置都可以統一，在門窗洞口處的構件尺寸可以保持一致，減少了構件類型，提高了構件加工效率。衛生間尺寸的確定考慮了裝修中鋪面磚，可以鋪100 mm×100 mm或者200 mm×200 mm的面磚，以確保地面和墻面均為整磚，不用對面磚進行切割。其次，外墻面采用輕鋼龍骨內襯保溫棉，外掛金屬雕花墻板的形式，大大提高了安裝效率，加快了施工進度。最后，在水電設備管線的布置上綜合考慮了使用和布局的合理性，管線均布置在墻面與屋面的輕鋼龍骨內，在設計與施工過程中均節省時間也無需耗費過多精力。

方便運輸、降低施工難度并節約工期。所有結構構件，都在工廠加工完成后，可以按統一編號裝箱打包，運輸到施工現場。由于輕鋼結構本身自重就比較輕，運輸過程不需要大型機械，這樣在運輸成本方面是比較經濟的。施工現場裝配式施工，全部為干作業，工期很短并且受周圍環境變化影響較小。此例中，建筑面積為210 m2，設計、加工完成后，從地基建設到內外裝修整個工程全部結束，達到使用標準，8個工人30 d即可全部完成，這無疑是標準化建設的典范。

此例是對節能環保宗旨的契合。一方面在建筑與結構選型及選材上，選用了輕鋼龍骨建筑體系，此建筑體系的特點之一即是綠色環保，耗能低。鋼材可以回收再利用且對環境無污染。外掛金屬雕花墻板，不會分解霉變、無污染，非常環保，被拆卸后可以被重新利用，安裝在其他建筑上，在施工過程中為干作業，很大程度地減少建筑垃圾，也減少對周圍土地、水域等自然環境的污染，符合目前的綠色環保意識。另一方面尺寸統一使得構件尺寸一致，加工中減少了材料的消耗量，從而節約了原材料。此外，外墻面采用的是高效節能的墻體，構造做法為:雙層12 mm石膏板+75 mm玻璃保溫棉+C92鋼骨架+12 mm OSB板+25 mm XPS保溫板+外掛板，如圖1所示。外墻面鋼龍骨中不僅填充了保溫棉，具有良好的保溫隔熱效果，且墻體內保溫棉與墻面外保溫板共同作用，能有效避免墻體的“冷橋”現象，形成雙保險，使保溫隔熱性能得到更好的保證。根據PKPM節能計算，此外墻構造的傳熱系數僅為0.4，其保溫性能相當于550 mm厚的加壓混凝土砌塊墻。對整個建筑整體耗能而言，此輕鋼體系比傳統鋼筋混凝土結構體系能耗減少約60%，大大降低了使用者的能耗費用，是真正意義上的低能耗建筑。

圖1 外墻面的構造做法

5 建議與展望

1)建議。針對模數化理念在低層輕鋼結構建筑領域中的應用，我國目前存在的問題，現提出以下幾點建議:

教育落后于市場，沒有跟上市場的發展。院校沒有相關專業，國內多數人對低層輕鋼結構建筑了解甚少，對于模數化理念在其中的應用更是認知度差。各規程和規范跟不上發展需要，現有技術規范相對落后。目前的研究多數是針對低層輕鋼結構建筑或者建筑模數化各自的領域，而二者交叉的領域研究非常少。因此，在這種情況下，選擇適宜的工程進行試點，總結經驗，逐步向行業推廣，是必須要做的。

低層輕鋼結構建筑相應的配套產品種類少，并且缺乏技術引導，工業化程度不高，從材料、設計、加工等各環節還未形成完整的產業鏈。目前，該技術未形成完整系統，需進一步研究創新并進行整合。現在國內一些企業已經進軍這一領域，對此國家應適當予以扶持。

2)展望。以模數化為基礎的低層輕鋼建筑，在我國的發展具有良好的優勢。我國鋼鐵行業發展非常迅速，2012年我國鋼產量已達到7.16億t，占全球鋼產量的46.3%，建筑鋼材數量、品種、規格、質量均滿足鋼結構建筑的需要，建筑相關配套產品也日益齊全，為它的發展奠定了物質基礎。

模數化理念在建筑設計中的運用，雖然我國的發展水平與經濟發達國家還有很長一段距離，但可以預見的是在未來二三十年甚至更長一段時間內以模數化理念為基礎的輕鋼結構建筑制造業市場將會快速增長，將成為我國建筑標準化、產業化市場發展的必然趨勢。這對我國的現代化建設來說，也是很好的發展機遇，它的大力發展不但適應了國內對現代建筑的需求，而且對調整我國建筑產業的產品結構非常重要。因此我們需要在思想上首先重視起來，再結合各項目特點去逐漸將這一理念貫穿其中，以達到逐漸實現建筑模數化、構件標準化、施工裝配化、房子產品化的夢想。

［1］GBJ 2-86，建筑模數協調統一標準［S］.

［2］GB/T 50100-2001，住宅建筑模數協調標準［S］.

［3］周 藤.建筑模數化設計的探索與工程實踐［J］.建筑創作，2006(5):21-22.

［4］王元清，石永久，陳 宏，等.現代輕鋼結構建筑及其在我國的應用［J］.建筑結構學報，2002(4):69-70.

［5］鐘志強.新型住宅建筑工業化的特點和優點淺析［J］.住宅建筑，2011(1):50-51.

［6］金 仁.應大力發展資源能源循環使用的新型鋼結構建筑［J］.建筑時報，2013(10):21.

［7］付燦華.模數斷層［N］.中國建設報，2012-08-30.