百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)

朱小軍 施濤濤

關(guān)鍵詞：百年住宅;住宅產(chǎn)業(yè)化;模塊化設(shè)計(jì);SI 體系

1 相關(guān)概念解析

1.1 百年住宅概述

百年住宅是一種符合現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的高品質(zhì)住宅，主要具有兩方面含義：優(yōu)秀的品質(zhì)保障滿足100 年的居住使用，同時(shí)還能適應(yīng)不斷增長(zhǎng)及變化的居住需求。1980 年日本建設(shè)省開(kāi)始實(shí)施“住宅功能高度化推廣項(xiàng)目”，建立了百年住宅CHS（CenturyHousing System，以下簡(jiǎn)稱CHS）建設(shè)體系。CHS 內(nèi)涵有兩方面：一是耐久性，建筑結(jié)構(gòu)具有100 年的壽命;二是功能性，可以容納100 年內(nèi)幾代家庭的生活。因?yàn)樗母吣途锰匦裕粌H是社會(huì)的穩(wěn)定資產(chǎn)，更能實(shí)現(xiàn)舒適安穩(wěn)的住居生活[1]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)于高品質(zhì)住宅設(shè)計(jì)的需求逐漸增加，經(jīng)過(guò)不斷的探索與創(chuàng)新形成了符合我國(guó)特色的中國(guó)百年住宅CLS（ChinaLonglife-Housing System，以下簡(jiǎn)稱CLS）建設(shè)體系[2]。本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)百年住宅的發(fā)展以下三個(gè)階段：（2006 年至2010 年）創(chuàng)建與探索期、（2011 年至2015 年）研發(fā)與實(shí)踐期、（2016 年至2020 年）多樣化發(fā)展時(shí)期。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)概述

模塊化設(shè)計(jì)是以標(biāo)準(zhǔn)化理論為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品本身轉(zhuǎn)化為若干部品的組合物，追求使用盡可能少的部品形成盡可能多的組合物的設(shè)計(jì)技術(shù)[3]。模塊化設(shè)計(jì)可以控制設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)成本，從而使建筑行業(yè)快速發(fā)展，使行業(yè)產(chǎn)能大大提升。

1.2.1 模塊化設(shè)計(jì)的原理與步驟

模塊化通過(guò)系統(tǒng)分解，形成不同層級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊的選擇性組合，實(shí)現(xiàn)多樣化的組合輸出。模塊化的本質(zhì)，就是將系統(tǒng)分解為相對(duì)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過(guò)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)則，規(guī)范各模塊通用的邊界條件，使各模塊在獨(dú)立演進(jìn)的同時(shí)能夠通過(guò)統(tǒng)一的邊界條件，按照系統(tǒng)規(guī)則的要求組成新的系統(tǒng)的過(guò)程[4]。面向住宅的模塊化設(shè)計(jì)步驟為：分解、分級(jí)、規(guī)劃、選擇、組合（圖1）

1.2.2 模塊化設(shè)計(jì)的“三化”要求

模塊化設(shè)計(jì)是通用化、組合化、系列化等標(biāo)準(zhǔn)化形式綜合的設(shè)計(jì)方式，使系統(tǒng)在符合標(biāo)準(zhǔn)化條件的同時(shí)，具有很強(qiáng)的應(yīng)變能力。模塊化設(shè)計(jì)下的住宅將空間模塊化，使得空間功能進(jìn)行疊加，不再像傳統(tǒng)居住空間那樣功能分區(qū)單一化，而是伴隨著居住者居住時(shí)長(zhǎng)的疊加，使得居住環(huán)境也可以隨之變化[5]。因此，模塊化設(shè)計(jì)下的住宅可以滿足一個(gè)人出生到老年全生命周期中對(duì)于住宅空間的生活需求與使用習(xí)慣。

2 中日百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2.1 中國(guó)百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

黨的十九大報(bào)告指出：“我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。”與此同時(shí)，對(duì)于住宅的需求已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從“量”到“質(zhì)”的追求的根本性轉(zhuǎn)變，中國(guó)急需建立起自己的高品質(zhì)住宅體系，加之日本先導(dǎo)性的百年住宅研究經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)發(fā)展高品質(zhì)的住宅十分迅速[6]。

中國(guó)百年住宅CSL 體系是以SI（Skeleton- 支撐體，Infill- 填充體，以下簡(jiǎn)稱SI）住宅體系為基礎(chǔ)，通過(guò)住宅支撐體與內(nèi)裝體分離，以支撐體耐久性技術(shù)、填充體適應(yīng)性技術(shù)、分離性集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)為手段，通過(guò)集成化、模塊化的部品運(yùn)用，提出綜合性整體解決方案，全面實(shí)現(xiàn)建設(shè)產(chǎn)業(yè)化、建筑長(zhǎng)壽化、品質(zhì)優(yōu)良化和綠色低碳化四大目標(biāo)，涵蓋了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、文化等多個(gè)方面。

中國(guó)百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)與內(nèi)裝體系的提升息息相關(guān)[7]。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)的住宅產(chǎn)業(yè)化首要任務(wù)是解決住房短缺問(wèn)題，并隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展而發(fā)展，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而曲折的發(fā)展道路;在此過(guò)程中，我國(guó)住宅裝修也逐步升級(jí)換代，居民的居住條件逐漸得到改善。在住宅產(chǎn)業(yè)化的影響下，我國(guó)住宅裝修發(fā)展經(jīng)歷了PC 大板的啟蒙、內(nèi)裝產(chǎn)業(yè)化的萌芽、民企精裝修時(shí)代、內(nèi)裝產(chǎn)業(yè)化體系的形成和發(fā)展的四個(gè)時(shí)期[8]。

此外，中國(guó)百年住宅模塊化設(shè)計(jì)中的部品體系發(fā)展是從上世紀(jì)90 年代才開(kāi)始，部品發(fā)展滯后，種類少，質(zhì)量不高，遠(yuǎn)不能滿足住宅建設(shè)的要求。近年來(lái)，中國(guó)百年住宅在發(fā)展部品體系上取得了初期進(jìn)展，但相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)住宅的部品系統(tǒng)仍有許多不足之處，因而，中國(guó)百年住宅CSL 體系更應(yīng)在模塊化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行深入地研究與探索[9]。

2.2 日本百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

日本的建筑工業(yè)化發(fā)展道路較為獨(dú)特，得益于日本在內(nèi)裝部品方面成熟的產(chǎn)品體系，日本的內(nèi)裝工業(yè)化發(fā)展迅速，形成了主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化與內(nèi)裝部品工業(yè)化相互協(xié)調(diào)發(fā)展的完善體系（ 圖2） [10]。

日本發(fā)展百年住宅是逐步遞進(jìn)的，從KEP （Kodan ExperimentalHousing Project， 以下簡(jiǎn)稱KEP） 開(kāi)放性體系到KSI（KikouSkeleton Infill，以下簡(jiǎn)稱KSI）適應(yīng)性體系，日本逐步做到完善提升建筑質(zhì)量、滿足多樣化需求、構(gòu)建開(kāi)放式體系等內(nèi)容，最后形成了完整而系統(tǒng)的日本百年住宅CHS 體系，并且經(jīng)由CHS 百年住宅體系逐步凝練了日本建筑的“百年住宅”理念。日本百年住宅體系CHS 的終極目標(biāo)是為日本居住者提供更加舒適的居住生活環(huán)境。CHS 是包括生產(chǎn)供應(yīng)、建造施工、維護(hù)管理等全過(guò)程的綜合性住宅建設(shè)體系，通過(guò)確保住宅在功能與物理層面上的耐久性實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽化住宅建設(shè)的目標(biāo)。同時(shí)，日本百年住宅CHS 體系目的有兩方面，一方面，是住宅在功能上的靈活性與適應(yīng)性，滿足成長(zhǎng)中家庭需求變化發(fā)展的條件;另一方面，是針對(duì)住宅主體耐久性的要求，使其能夠在百年內(nèi)持續(xù)使用。日本地處環(huán)太平洋地震多發(fā)地帶，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的要求較于其他國(guó)家要高很多，因此耐久性高的住宅主體結(jié)構(gòu)是日本住民資產(chǎn)的構(gòu)成基礎(chǔ)。

另外，日本的住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展是從部品生產(chǎn)和流通開(kāi)始的。1959 年，日本制定了KJ（Kokyo Jutaku，以下簡(jiǎn)稱KJ）規(guī)格部品認(rèn)證制度[11] ;1974 年，日本建設(shè)省成立了住宅部品開(kāi)發(fā)中心，制定了BL（Better Living，以下簡(jiǎn)稱BL）優(yōu)良住宅部品認(rèn)證制度，并開(kāi)發(fā)BL 部品[13]。日本將先進(jìn)的住宅部品作為工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的載體，從而徹底改變住宅面貌，提高住宅質(zhì)量。

3 百年住宅的模塊化設(shè)計(jì)思路

3.1 實(shí)現(xiàn)住宅長(zhǎng)壽化

實(shí)現(xiàn)住宅長(zhǎng)壽化，需要通過(guò)應(yīng)用SI 體系的技術(shù)、提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量、應(yīng)用管線外置技術(shù)等措施，提升住宅的耐久性和安全性，同時(shí)應(yīng)注意后期維護(hù)時(shí)減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞。

3.1.1 構(gòu)建中國(guó)特色的CSI 體系

SI 體系是一個(gè)開(kāi)放的建筑理念，在20 世紀(jì)60 年代由荷蘭學(xué)者N. JHON Habraken 提出[13]。SI 包括Skeleton（承載結(jié)構(gòu)骨架）和Infill（內(nèi)部空間填充體），二者共同構(gòu)成一種可變的和不可變的關(guān)系，將之分離考慮部品的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于住宅彈性使用來(lái)說(shuō)極具拓展性。目前，我國(guó)SI 住宅結(jié)構(gòu)體系分為大開(kāi)間多功能建筑體系、預(yù)應(yīng)力板柱體系和鋼筋砼巨型結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)一步提出了符合中國(guó)國(guó)情的CSI 體系（China Skeleton&Infill System，以下簡(jiǎn)稱CSI）。CSI 體系貼合中國(guó)國(guó)情和住宅建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀，也是一種具有中國(guó)特色的“普適型”SI 體系。當(dāng)前我國(guó)住宅建設(shè)大多采用傳統(tǒng)施工方式，導(dǎo)致建筑耗能大，使用壽命短，住戶的二次裝修帶來(lái)資源浪費(fèi)等問(wèn)題。但在《CSI 住宅建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》指導(dǎo)下，CSI住宅的結(jié)構(gòu)體系可以有效延長(zhǎng)住宅的使用壽命，通過(guò)特色化的SI體系介入，可對(duì)住宅進(jìn)行分解、分體、分級(jí)控制，減少裝修與維護(hù)期間的破壞，讓住宅產(chǎn)品的生命更加長(zhǎng)壽，使用更加安全。

3.1.2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量

住宅的長(zhǎng)壽主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，這就要求在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)住宅的現(xiàn)場(chǎng)情況與住宅建設(shè)的需求進(jìn)行深入了解，在進(jìn)行住宅設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需求選擇合適的結(jié)構(gòu)與材料。例如：風(fēng)荷載采用100 年基本風(fēng)壓;活載設(shè)計(jì)系數(shù)按100 年年限設(shè)計(jì)為1.1 ;一般工程所用混凝土為C20，改為使用C30 等措施。

3.1.3 應(yīng)用管線外置技術(shù)

管線外置技術(shù)即將管線等需要多次維修的設(shè)備放置在墻體外側(cè)的技術(shù)。管線外置技術(shù)使得管線后期的維修和保護(hù)工作更具便捷性，因?yàn)楣芫€本身就已經(jīng)設(shè)置于住宅中可直接接觸的部位，在維修中不會(huì)破壞住宅裝飾或者墻面，使住宅的管線維修更具效率。與此同時(shí)，在進(jìn)行管線維修或者改造中，住宅的主體結(jié)構(gòu)也不會(huì)受到破壞。

3.2 實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化

首先，住宅設(shè)計(jì)模塊化可提升設(shè)計(jì)效率。應(yīng)用BIM（BuildingInformation Modeling，以下簡(jiǎn)稱BIM）系統(tǒng)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)具有很大便利性，是建筑行業(yè)的一種偉大嘗試，它標(biāo)志著我國(guó)的建筑行業(yè)已經(jīng)走向了數(shù)字化的方向。目前傳統(tǒng)住宅設(shè)計(jì)方式存在許多弊端，由于設(shè)計(jì)和施工之間的溝通不順暢、信息不對(duì)稱，使得設(shè)計(jì)意圖不能在施工期間完全實(shí)現(xiàn)，建筑質(zhì)量也不好，但應(yīng)用BIM 技術(shù)可以強(qiáng)化多方溝通，使得住宅設(shè)計(jì)更加貼合用戶需求，施工更加順利。對(duì)后期生產(chǎn)、施工來(lái)說(shuō)，效率大為提升。

其次，構(gòu)件生產(chǎn)預(yù)制化可提高生產(chǎn)效率。在百年住宅體系中，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件工廠的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程，預(yù)制化構(gòu)件通常涵蓋了預(yù)制式剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻結(jié)構(gòu)、疊合板部分、預(yù)制梁結(jié)構(gòu)、預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)結(jié)構(gòu)幾個(gè)部分，使工廠的預(yù)制組件更加規(guī)范和匹配。在這個(gè)過(guò)程中，由工廠產(chǎn)生的輸出部件是更精致的、標(biāo)準(zhǔn)化的，并且比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)的組件效率。

最后，現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化可提高施工效率。傳統(tǒng)的施工方式是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，施工效率低且質(zhì)量不能保證。以構(gòu)件預(yù)制化為前提，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化，大大減少了施工時(shí)間，造房子就像造一輛汽車一樣，將工廠預(yù)制的構(gòu)件搬運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)組裝起來(lái)，這使得施工效率提升，住宅的生產(chǎn)周期大大縮短。

3.3 實(shí)現(xiàn)住宅品質(zhì)化

人類對(duì)于住宅的需求從最初的安身立命之所，逐漸過(guò)渡到了個(gè)性化的追求，住宅的品質(zhì)成為了時(shí)代對(duì)百年住宅的要求之一，模塊化設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)住宅的品質(zhì)化目標(biāo)。

第一，室內(nèi)裝修組合靈活。住宅室內(nèi)裝修模塊化是指能裝配形成住宅內(nèi)裝系統(tǒng)，由工廠批量化生產(chǎn)，具有特定功能和接口結(jié)構(gòu)，具有通用性，并符合模數(shù)的住宅室內(nèi)裝飾裝修部件、分部件或連接件。住宅內(nèi)裝模塊化對(duì)形式單一的內(nèi)裝模塊而言，可以通過(guò)不同的排列組合方式，形成各種各樣的空間與界面，以滿足用戶的個(gè)性化需求。比如，基于模塊化設(shè)計(jì)的多功能空間收納系統(tǒng)，采用大板結(jié)構(gòu)體系，室內(nèi)無(wú)豎向構(gòu)件，根據(jù)家庭的生命周期，可以調(diào)整房間類型以滿足每個(gè)階段的需要，以便實(shí)現(xiàn)住戶生活需求和使用習(xí)慣的多樣化。內(nèi)裝模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要包括獨(dú)立性、系統(tǒng)性、通用性與互換性、組合方式多樣性、標(biāo)準(zhǔn)化與精密性。同時(shí)，內(nèi)裝模塊化，可以使得室內(nèi)格局、室內(nèi)裝修可以根據(jù)人的需求、空間使用時(shí)長(zhǎng)的變化靈活改變，將空間模塊化，空間功能進(jìn)行疊加。因此，住宅內(nèi)裝模塊化可以滿足不同消費(fèi)人群和同一消費(fèi)者在不同時(shí)期的需求。

第二，實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境。智能家居是一個(gè)以住宅為平臺(tái)，整合家庭有關(guān)的設(shè)施，綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)等，建立高效的住宅設(shè)施和家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)。它可以提高家居舒適性與藝術(shù)性，并營(yíng)造環(huán)保和節(jié)能的居住環(huán)境。

第三，開(kāi)展人性化設(shè)計(jì)。人性化設(shè)計(jì)是百年住宅不可缺少的部分，保證住戶對(duì)于住宅個(gè)性化需求的滿足。人性化設(shè)計(jì)最大的特色就是能夠極大程度地提高人們生活的舒適性。例如，當(dāng)前的分離式衛(wèi)生間，就是一種非常好的設(shè)計(jì)思路。在家庭生活中，常會(huì)面臨不同家庭成員間同一時(shí)刻在同一空間內(nèi)的需求不同，這就需要進(jìn)行功能的分離，才能夠滿足人們的需求，因此人性化部品是實(shí)現(xiàn)住宅品質(zhì)化非常重要的一步。

第四，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)設(shè)計(jì)。在一個(gè)家庭的成長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)住戶的需求不斷變化，建筑本身的材料結(jié)構(gòu)也很長(zhǎng)。這需要為家庭提供完整的生命周期設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)全面預(yù)測(cè)模塊化組合的可能性，充分考慮住宅內(nèi)部空間的多種布局轉(zhuǎn)換可能性，以及在特定空間區(qū)域內(nèi)探索更大的可變性。自適應(yīng)類型的住房允許公寓根據(jù)家庭人口模式的變化而增長(zhǎng)，從而滿足不同生活階段家庭生活模式的變化。

綜上，模塊化設(shè)計(jì)能夠滿足人們對(duì)住宅品質(zhì)化日益增加的多樣性需求，使居住環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步提升。

3.4 實(shí)現(xiàn)住宅低碳化

人類對(duì)于住宅的需求從最初的安身立命逐漸轉(zhuǎn)向個(gè)性化的追求，除了長(zhǎng)壽化、智能化，人們也來(lái)越多地關(guān)注住宅設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。綠色低碳化不僅僅是百年住宅設(shè)計(jì)的要求，也是當(dāng)前時(shí)代的需求，是時(shí)代發(fā)展背景下人類對(duì)于環(huán)境保護(hù)的極大呼吁。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊化，構(gòu)件預(yù)制化和施工裝配化，在住宅生產(chǎn)過(guò)程中，能夠大大降低能耗，減少碳排放，節(jié)約資源。比如，使用SI 技術(shù)體系，在住宅使用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)不破壞主體承重結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行住宅改造，可以減少能耗;管線分離技術(shù)可降低管道維護(hù)中對(duì)住宅主體的損耗;通過(guò)水凈化系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，還可提升住宅用水效率。

4 結(jié)語(yǔ)

模塊化設(shè)計(jì)與百年住宅體系的內(nèi)涵與目標(biāo)相契合，是住宅產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟(jì)保障。模塊化設(shè)計(jì)是建筑實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽化的具體途徑。模塊化建筑的建造，從前期設(shè)計(jì)到后期維護(hù)，都體現(xiàn)出對(duì)于全生命周期設(shè)計(jì)的尊重，建筑所用的構(gòu)件是標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的預(yù)制構(gòu)件，性能安全可靠。模塊化設(shè)計(jì)是營(yíng)造多樣化建筑空間的品質(zhì)保證。室內(nèi)空間的模塊化設(shè)計(jì)大量性地解決了住戶對(duì)于住宅的多種功能性需求，同時(shí)也提供了多樣性的設(shè)計(jì)解決手段。模塊化設(shè)計(jì)同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)低碳化的有效途徑，主要通過(guò)內(nèi)裝產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和住宅使用過(guò)程兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)百年住宅建設(shè)體系的迅猛發(fā)展，帶來(lái)住宅模塊化設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用。豐富百年住宅理念，在實(shí)踐中不斷探索深化模塊化設(shè)計(jì)的方法，才能進(jìn)一步為中國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速。