基于裝配式模塊體系的居住建筑可持續設計研究

張娟，朱慶玲，萬文杰

（1.北方工業大學建筑與藝術學院，北京 100144 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

我們將模塊單元作為具有獨立功能空間的建造體，去除繁復的內部空間組合與流線，以單體或多個模塊單元體之間的有機結合，構成簡潔而靈活的形態，滿足使用者對建筑功能的本質需要。

在節能、節材、低碳環保的可持續設計理念下，一方面，解決不同類型居住建筑功能空間的不完全使用問題；另一方面，深入分析模塊單元體及其構件，在不同建造條件下的組裝、拆解及循環再利用的可行性與可操作性。提出模塊單元體在居住建筑中的適應性應用策略。

1 模塊單元體基本尺寸及構造

模塊單元的結構體系主要包括無骨架體系和骨架體系兩種類型。目前，由柱、梁、龍骨、面材組件等預制構件組成的骨架體系模塊單元應用最為廣泛，也是本研究采用的單體構造形態（圖1）。

圖1 模塊單元基本構造示意圖

對于模塊單元的單體尺度確定，我們是以住宅建筑房間尺寸為基本參照，充分考慮空間使用、構造特征、拆裝運輸及標準化等因素。以600mm為模數，形成3m和4.5m二種基本尺寸的模塊單元體。并通過對框架結構構件預設螺栓孔的方式，靈活調節屋面、樓地板等高度，以適應不同建造條件，豐富建筑立面形態（圖 2）。

圖2 可調節單元體的構造設計

在材料選擇方面，充分考慮建筑用途及使用環境等因素。如在北方地區，維護構件多采用保溫、堅固的厚墻板材；南方地區則以柵欄的墻體結構為宜，選用透氣性、防潮性材料。隨著技術的發展，更多新型材料如納米材料、智能環境反饋材料等也可選擇，賦予模塊單元體更強的生態性與智慧性。

2 模塊單元體在建筑中的組構方式

模塊體作為基本建造單元，所形成的空間圍合是相對的，根據所承載的功能不同，其空間限定要素及其圍合形態具有較大差異性。

圖3 單元體間組合方式示意圖

除以單體形式獨立構成功能空間外，亦可以一定方式進行多個模塊單元體的組合連接，形成一種結構穩定，便于安裝、拆卸、及重組再用的建造體系。滿足不同建筑功能、類型、規模及空間形態的要求。其主要組合方式包括串聯式、疊加式、重疊式、相交式、并聯式、錯位式、對角式、直立式、站立式等，如圖3所示。

在組合運用中，由于模塊單體可自成結構體系，因此連接中力學約束較小。連接設計中，可將模塊單元體頂端設置有20cm的凹槽，既可作為具有蓄水作用的屋頂，亦可在多個單元體連接組構中，提供模塊體間不同方向的咬合構造。對于疊加層數過高、力學特性較復雜情況，可通過加建主體結構，與之相結合的方式，形成輔助支撐。

3 模塊單元體在居住建筑中的可持續設計應用

基于資源節約理念的模塊單元建筑可持續設計，將充分考慮自身所具有的結構特征，發揮建造體系及其材料的易循環、可循環利用性。分別將裝配式模塊單元，應用于新建住宅、既有塔式住宅建筑空間置換、及傳統民宅改造等三種典型居住建筑可持續設計中，探討其適應性應用策略。

3.1 “城市共生”理念下的居住建筑設計

將項目用地選取在北京城市中心CBD中心區域，嘗試一種新的建造模式代替傳統建筑理念，改善CBD經濟區“白天無比繁華，夜晚無人問津”的現狀。

首先，設置一個以9×9m為框架基本尺度的梁柱體系，每個9m見方框架中可容納多組3m×3m的模塊單元，構成建筑居住空間和交通空間，并以遞減方式形成逐層退臺的交錯形態（圖4）。

圖4 模塊單元建筑的組構與生成示意圖

根據具體使用需求，在建筑整體框架中，以模數化組構原理進行各種相應的組構搭接，形成適于不同家庭結構的使用空間，如圖5。在3m×3m模塊組構中，對于一些不可避免的無法直接采光空間，可與其它可采光模塊空間相結合，構成大空間。

在建筑體系中，模塊單元的數量及組構方式是不固定的，它可根據人們對空間的需求進行有機生成，形成靈活的建筑形態。如同人類骨骼一樣，成為一個生長中的有機建筑體，而不需要大量的拆毀再建。其層層疊落的組構豐富了空間層次，也為建筑提供了多角度的陽光照射。

圖5 3×3M的平面組合示意圖

3.2 既有塔式住宅建筑中的空間介入與重組

塔式住宅是我國90年代盛行的一種高層住宅建筑模式，隨著人們生活方式及居住模式的改變，原有建筑空間在不同程度上已無法適應新的使用需要。例如，在大城市高房價壓力下，外賣點餐的優勢，使得人們對廚房依賴變得更小；而對于上班族來說，平均每天住宅建筑的使用率不超過50%。

圖6 模塊單元置入傳統塔樓建筑前后的空間對比

為此，嘗試在保留原建筑剪力墻等主要結構構件基礎上，引入模塊空間概念。去掉原建筑部分分戶墻，保留所有臥室及部分廚房、衛生間等輔助功能空間。將起居空間等可公共使用空間進行合并，形成具有開放屬性的更大空間（圖6）。

為更好滿足建筑空間的適應性與靈活性需要，可采用在樓板上加設焊接移動軌道的方式。將以2個3×3m的模塊，組合為一個可在軌道上隨意移動的私密性空間單元體。模塊單元未到達的部分可作為公共空間，或賦予特定功能（圖7）。

圖7 模塊單元在新建塔樓設計平面圖

以上兩種做法，均可在不破壞住宅建筑所必備的私密性前提下，形成良好鄰里交流環境，同時解決現代生活方式中，部分功能空間不完全使用問題，增強空間使用的高效性。

3.3 傳統村落民宅建筑低碳改造中的應用

以北京市大興區泰迪低碳小鎮改造設計為例，探討裝配式模塊在民宅改造中的適應性利用。首先，在基本保留原院落格局基礎上，將6個裝配式模塊單元體與原建筑主體相組構，分別置入起居室、臥室、廚衛、主題室等功能空間。在充分考慮流線、采光、通風等居住設計要素前提下，進行單元體的排列組合；并通過部分單元體的退讓布局，形成半圍合的庭院（圖8）。

圖8 模塊單元置入傳統民宅院落改造前后平面圖

圖9 單元體在不同地塊的適應性組構示意圖

由于每個模塊單元功能獨立，且具有可靈活組構的特征，為后續使用中的改造或加建提供了更大可能性。亦可根據不同地塊條件、客戶需求、小鎮活動安排等，將多個模塊單元進行拆卸與重組。如圖9所示，適于街道中間區及街角處的適應性單元組合形式。

因此，以裝配式模塊單元的模式進行傳統民俗改造，在更大限度滿足功能空間更新的靈活性、適應性同時，減少建設活動對鄉村環境的污染，實現低碳理念的可持續設計主題。

4 綠色效能模擬分析

為進一步探討模塊單元體在居住建筑可持續設計中的綠色效能，以泰迪低碳小鎮改造設計為例，進行建筑風環境及光環境兩個方面的模擬驗算。分析模塊單元的組構應用，對建筑室內物理環境的影響，即在冬季是否具有較好的保溫性能，在夏季通風性能如何，以及能否滿足住戶的日常日照采光需求。

圖10 民宅院落改造后風環境模擬分析

其中，風環境模擬采用CFD軟件Phoenics進行分析，選擇標準k-ε模型。以北京地區氣象資料數據為依據，分析得出，夏季門窗開啟狀態下，建筑室內自然通風良好；冬季建筑室外迎風面與背風面,均不易造成冷風滲透（圖10）。光環境模擬采用Ecotect及Radiance對室內自然采光情況進行分析（圖11）。參考面為距地面0.75 m處，以0.1m為間隔劃分水平網格，模擬模型為CIE全陰天模型。建筑圍護結構面層材料的反射系數取0.5。

圖11 民宅院落改造后風環境模擬分析

從模擬分析結果可知，裝配式模塊建筑在能保證良好采光的同時也能保證良好的通風和保溫，符合綠色、低碳、可循環的可持續建筑設計理念。

5 結語

綜上所述，裝配式模塊單元體作為現代工業化建造體系的重要形態，為當今居住建筑的發展與更新提供了一種更加通用化的建筑構造模式。無論對于可持續設計理念下的“城市共生”住宅設計，還是既有建筑更新改造應用，都體現出極強的適應性、靈活性。不僅應對了當代生活方式與居住建筑模式發展下的空間使用不完全問題，亦可滿足建筑環境的良好生態性，建筑材料使用的可循環性等低碳發展模式。

未來將不斷拓展裝配式模塊單元在建筑中的相關應用研究，不僅對于居住建筑，更將在公共建筑、市政設施等領域，提出可行性應用策略。同時，伴隨電子商務的普及和智慧建筑管理方式的開展，將更有利于實現定制化模塊單元與多種功能空間的高效、靈活對接應用。