裝配式模塊建筑的研究與實踐

文/中國建筑設計研究院有限公司 天津大學建筑工程學院 婁 霓

中國建筑設計研究院有限公司 任祖華 莊 彤 朱宏利 陳謀蒙

1 裝配式建筑發展

1.1 裝配式建筑概述

裝配式建筑是通過標準化設計，將工廠預制的部品、部件通過技術集成的方法在工地裝配而成，體現了建筑的工業化建造方式。裝配式建筑包括結構體系、外圍護體系、內裝體系三大組成部分。裝配式建筑的結構體系主要由預制部品、部件裝配而成，外圍護和內隔墻體采用非砌筑方式，并可實現全裝修。

1）裝配式建筑結構體系可分為裝配式混凝土剪力墻結構、裝配式混凝土框架結構、裝配式鋼框架結構、裝配式模塊鋼結構（俗稱“盒子建筑”）、裝配式輕鋼結構、裝配式木結構及各類裝配式混合結構等。其中裝配式混凝土剪力墻結構適用于小高層和高層住宅；裝配式混凝土框架結構適用于辦公樓、工業廠房等建筑；裝配式鋼框架結構適用于大開間公共建筑及結構規整的公寓類建筑；裝配式模塊鋼結構適用于酒店、公寓、住宅、辦公樓類建筑（見圖1）；輕鋼結構適用于低多層住宅等；裝配式木結構適用于低層公共建筑和獨棟別墅類建筑。

2）裝配式建筑外圍護體系可分為裝飾保溫一體化預制混凝土掛板、裝飾保溫一體化復合外墻掛板、各類幕墻、組合鋼（木）骨架類等。目前裝配式剪力墻結構住宅多采用外圍護與結構一體化的三明治外墻體系，框架類結構建筑可采用各類幕墻及各種輕質掛板作為外圍護系統（見圖2）。

3）裝配式建筑的內裝體系可分為隔墻系統、天花系統、地坪系統、廚衛系統、集成部品、裝飾材料、設備管線等七大系統。具體到裝配式內裝體系一般涉及裝配式隔墻、架空地面、集成吊頂、集成衛生間、集成廚房、集成門窗等產品，以及干式防水技術、干式地暖技術、不降板同層排水技術等。目前在需要全裝修交房及由政府投資建設的公共租賃用房中多采用裝配式內裝，選用骨架類隔墻或條板類隔墻、架空采暖地面、集成吊頂、集成廚衛+干式防水等技術（見圖3）。

1.2 裝配式建筑的優點

1）一體化集成設計，滿足現代化功能需要。裝配式建筑強調設計一體化與建造一體化。即通過設計先行，統籌考慮項目從策劃、生產、運輸、施工、運維等各環節需求，協調建筑結構、機電設備、內裝部品、成本控制等各專業技術要求，通過部品構件與系統之間的集成設計，達到空間靈活、功能齊備、使用舒適、易于維護的工業化建筑產品要求。

2）標準化工廠生產，減少現場人工，安全得到保證。裝配式建筑的部品構件大部分在工廠制作完成，通過工廠技術工人與智能機械相結合，采用標準化管理和生產流程，可有效確保產品各項性能與品質。同時施工現場對勞動力的需求大大降低，也降低了現場施工作業難度，在提高生產效率的同時，確保了安全。

3）裝配化現場建造，縮短施工周期，提升施工質量。相較于傳統現澆模式，裝配式建筑的部品構件在工廠生產，減少現場施工環節及澆筑和養護時間。可通過對各種安裝工藝與工序的施工組織管理，實現現場施工與構件生產的同步實施，大大縮短施工工期，提高建設效率和施工質量。

4）降低環境污染，節能環保，綠色可持續。裝配式建筑注重對環境、資源的保護，其施工過程中有效減少了建筑污水、有害氣體、粉塵排放和建筑噪聲污染，降低建筑施工對周邊環境的各種影響，有利于促進設計、建筑精細化，提升建筑整體質量和節能減排。同時裝配式建筑選用綠色環保材料，采用可維護、可拆卸的工藝安裝，確保材料循環利用，實現建筑可持續，促進我國建筑業健康可持續發展。

2 模塊建筑

2.1 定義

模塊建筑是指采用工廠預制的集成模塊在施工現場組合而成的裝配式建筑。其中集成模塊是指具有建筑使用功能的三維空間集成建筑單元。該建筑單元在工廠預制完成，由主體結構、樓板、吊頂、設備管線、內裝部品組合而成具有集成功能的三維空間體，并滿足各項建筑性能要求和吊裝運輸性能要求（見圖4～6）。

由于模塊建筑建造技術的運用，每個模塊從起吊到安裝僅需8～10個技術人員，且每個模塊均由同一批技術人員安裝完成，建筑施工現場所需工人數量較傳統施工大幅減少，施工建造質量更穩定可靠。模塊建筑可實現80%～90%的建筑建造和部品安裝工序在工廠完成，在建筑整體質量和工業化程度方面實現質的飛躍，是一種資源消耗少、環境影響小的建筑體系。

圖1 裝配式模塊鋼結構建筑項目

圖2 裝配式外圍護體系項目

圖3 裝配式內裝體系項目

圖4 集成模塊工廠化制作

圖5 集成模塊室內完成效果

2.2 分類

1）按層數分類，可分為低層、多層和高層。因不同層數對應的模塊建筑制作精度、建筑防火、結構抗震等均有不同的標準，由此帶來的設計條件和體系構造也有所不同。

2）按建筑性質分類，可分為臨時建筑和永久建筑。

3）按模塊單元箱體構造分類，可分為鋼密柱體系、鋼框架體系、集裝箱體系、鋼-木體系、混凝土體系等。

4）按模塊建筑結構體系分類，可分為疊箱體系、箱-框體系、箱-筒（剪力墻）體系、框架-填箱體系等。如全部采用模塊搭接而成的建筑，稱之為疊箱體系；由箱體與傳統框架結構、剪力墻、筒體等組合而成的體系稱之為箱-框體系、箱-筒體系等；將箱體嵌入框架中的可稱之為框架-填箱體系。

2.3 特點

1）建筑空間模塊化 建筑設計中，可將建筑物按照模塊特點進行空間模塊化拆分，類似于預制混凝土結構的預制構件拆分。但模塊建筑的模塊化拆分需考慮的問題更多，或者說需要進行建筑一體化和集成化設計的需求更高。在進行空間模塊化拆分時，不僅要考慮建筑功能，還要考慮設備系統設置、運輸條件限值、現場吊裝場地限制、吊裝順序、吊裝裝置、防水抗滲措施等多種因素。空間模塊化是設計中非常重要的環節，對后期建造速度、成本節約均有較大影響。

2）生產工藝標準化 模塊建筑的大部分構件和部品為生產線上生產，所以工藝標準化對成本和效率均有較大影響。同時，大部分主體結構加工、裝修和部品安裝等均在流水線上采用工業制造技術生產，建筑質量均好性能得到充分保證。

3）建筑施工裝配化 模塊建筑的優勢在于速度，因此現場的裝配化施工非常重要，其中核心是連接。模塊建筑連接涉及2方面：①模塊與現場工程之間的連接 因為一般情況模塊建筑的地下室和交通核是在現場完成，所以模塊如何與現場的結構體系進行連接，以及現場精度如何滿足模塊安裝精度，需要整體考慮和解決。②模塊與模塊之間的連接 這個連接的受力性能對結構體系的抗震性能有較大影響，同時其便捷性與精度要求又對建筑體系的建造速度和建造質量有較大影響，另外連接構造還需考慮后期維修檢查的便捷性及可更換、拆除的問題。

2.4 優勢

模塊建筑的優勢包括質量優、速度快、綠色環保。因為該建筑體系的大部分工序是在工廠完成，因此質量有保證。同時在工廠中可把許多在現場施工難度很大的工作轉變成簡單的工作流程，如現場的仰焊可變成工廠的機器人焊接，現場吊頂設備安裝可變成工廠的平面作業等，既方便施工，又可提高質量。在速度方面，因為模塊部分可在工廠與現場施工同步開展制造，將傳統的現場交叉作業轉變為同步、獨立進行，一般情況下模塊吊裝可實現1～2d/層。在綠色環保方面的優勢，不僅體現在材料的節約和現場的干凈整潔上，模塊建筑還可實現模塊單元的可拆除、異地重建、重復再利用等。

3 模塊建筑的國內典型案例——雄安市民服務中心企業臨時辦公區

雄安市民服務中心企業臨時辦公區總建筑面積36023m2，提供企業辦公用房、酒店、公共服務等設施。項目由6棟辦公樓、1棟酒店和若干商業、服務設施組成，設計過程中遵循本土化綠色設計理念。在空間布局方面，汲取中國傳統文化的營城造園思想精髓，結合公共活動區域，創造豐富的院落空間和宜人的綠蔭空間；在景觀設計方面，設計結合白洋淀地域環境特色，形成微地形建筑景觀，收集雨水，局部形成自然的生態濕地，踐行海綿城市理念。豐富的院落空間布局、雨水花園生態濕地、垂直綠化爬藤種植等設計均體現綠色生態的建筑設計理念（見圖7）。

3.1 創新的集成模塊建筑技術

為滿足快速建造要求，響應推廣裝配式建筑的國家政策，企業臨時辦公區采用中國建筑設計研究院有限公司與中集模塊化建筑投資公司合作研發的全裝配化、集成化的箱式模塊建造技術，裝配率達95%。結構、內裝、外裝、設備管線等全部在工廠生產，整體運輸至施工現場統一吊裝，最大限度減少建造垃圾，實現綠色施工（見圖8，9）。

圖7 雄安市民服務中心企業臨時辦公區實景

圖8 模塊單元運輸

圖9 模塊建筑現場吊裝施工

3.2 可生長的模塊化設計理念

辦公樓與酒店設計以4.0m×12.0m×3.6m的箱式模塊作為基本單位，拼接成1000～1200m2的“十字”單元組合。“十字”單元組合建筑向四周開放，有良好的采光與自然通風，并最大化融于自然環境。單元布局組合靈活，可生長性強，適于根據發展需求變化（見圖10）。

3.3 可拆除再利用的綠色建設理念

企業臨時辦公區采用標準化的具有建筑使用功能的模塊化空間單元組合。外圍護幕墻體系、內裝修和設備管線均可實現工廠化生產，隨著模塊單元運至現場，進行簡單的裝配式連接即可投入使用（見圖11）。模塊單元間的拼接在現場通過螺栓在節點處進行裝配式連接。由于高集成度和高裝配化的技術手段，為項目在后期使用中進行快速拆除，甚至是異地快速重建提供了可實現性和可操作性，真正體現了全生命期的綠色建設理念。

3.4 工廠化全裝修實現高品質辦公環境

得益于全裝配化、集成化的建造技術，箱式模塊實現了工廠化生產，內部裝修與設備管線安裝均同步到位。運至施工現場后，只需經過簡單安裝即可完成。模塊單元適合運輸，便于靈活組合，避免了濕作業，減少施工的季節限制。區別于傳統建筑的現場裝修技術，工廠化全裝修既可避免冬季施工帶來的質量與保養問題，又可通過工業化的流水線生產方式提高房屋的裝修與設備安裝質量，為項目的使用提供高品質的辦公與生活環境（見圖12）。

圖10 雄安市民服務中心辦公樓與酒店設計

圖11 現場吊裝與箱體堆疊

圖12 內裝實景

4 實踐思考

模塊建筑體系是一種集成度高、建設速度快的工業化建筑體系，在很多海內外工程建設中，可充分利用裝配式模塊建筑的優勢，滿足工程在建設速度、人力節約、高品質保障、快速拆建等方面的特殊需求，尤其在公寓、酒店、宿舍、辦公樓、政策性住房、營地建筑、海外援建等方面具有非常明顯的優勢。模塊建筑本身功能空間為單元式，建造標準相對固定，非常容易實現通用化和標準化設計，采用標準化程度較高的集成模塊建筑，既可保證建筑品質的優良化，又可提高建設速度、降低成本。同時模塊建筑可與EPC總承包組織管理模式相結合，為裝配式建造方式提供保障，避免常規建設模式存在的問題。