應急情況下紙與鋼在裝配式建筑設計中的應用研究

李沐宸 王越 陳冉

摘要：本文對比研究裝配式建筑在中國兩次災情下的材料應用，簡述裝配式建筑特點及其在近代中國的發展，立足于不同災情介紹兩個不同類型的案例，分析不同材料的優勢，提出看法與總結。

關鍵詞：裝配式建筑;災后應急;紙;鋼結構

中圖分類號：TU208 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）05-0-02

隨著建筑行業的發展，裝配式建筑作為一種高效率的建筑形式，與傳統建筑形式相比具有很大的優勢。分析在不同災情下不同形式裝配式建筑的設計應用，對于裝配式建筑的多樣性與發展具有重要意義。

1 裝配式建筑簡述

1.1 裝配式建筑的定義

裝配式建筑是指經過標準化、模數化設計，在工廠預制出符合建筑工業化要求、具有精準尺寸的建筑構件，運輸至施工現場安裝完成的建筑。根據不同分類方法，裝配式建筑可分為不同類型。一是從使用功能來劃分，可分為預制裝配式工業建筑和預制裝配式民用建筑，其中預制裝配式民用建筑包括預制裝配式公共建筑和預制裝配式住宅建筑;二是從建筑材質的角度劃分，可分成預制件裝配式木結構建筑、預制件裝配式鋼結構建筑和預制件裝配式鋼筋混凝土建筑[1]。裝配式建筑的起源可追溯到約五千年前埃及人與美索不達米亞人將泥巴通過木質模具成型后經陽光暴曬制成泥磚，以多種組合方式建造出不同的建筑整體。發展至兩千年前，在蒙古游牧民族使用的帳篷的形態中，也可以追尋到裝配式建筑的影子。為了游牧遷徙，帳篷部件的重量與尺寸經過設計制作，具有快速建立或拆除的靈活性，省去了牧民趕草場途中反復收集與建造的麻煩。這些建筑都具有標準化設計、預制生產、便捷運輸、快速拼裝等裝配式建筑特點。

1.2 裝配式建筑在近代中國的發展

20世紀50年代，我國進入了工業化起步階段，全國建筑行業推行機械化、標準化設計，在裝配式建筑的發展上取得了顯著的成就。1958年，北京建成首批疊合框架住宅，加快了施工速度并節省了模板，至20世紀末，我國疊合式裝配建筑總數增加到了近30個。20世紀60年代，混凝土工藝得到改良，北京采用混凝土壁板技術建成約30萬平方米的住宅區，往后10年間，天津、上海、哈爾濱等城市相繼使用混凝土壁板技術建成了大規模的小區。在裝配式建筑的建造過程中體現了工期短、節能節材等優勢，裝配式建筑被應用于我國臨時性災后建筑的建造中。2003年流行性傳染病非典暴發，政府決定建設非典定點醫院，集中收治患者，運用裝配式建筑技術，僅用了8天時間就建成了當時世界上最大的傳染病防治醫院。2008年汶川地震發生后，日本建筑設計師坂茂在災區設計了紙管框架的裝配式建筑華林小學與苗苗幼兒園。2020年，為收治新冠肺炎患者，火神山醫院從方案設計到建成僅用了10天，總面積33900㎡，初始編設床位1000張。

2 裝配式建筑在震后臨時安置中的運用

2.1 震后裝配式臨時建筑設計要點

在災情發生后及時建立臨時安置設施對于災后救援有重要意義。震后臨時裝配式安置空間的設計要點有4個：一是建造臨時安置建筑要遵循“輕而固”的設計理念。在建造過程中，應選用較為輕盈的建筑材料與堅固而有韌性的支撐結構，增強建筑整體抗震性。二是應適宜當地自然條件，尊重自然環境，運用科學的裝配式建造技術、標準化施工管理，與自然和諧共處，使用太陽能等清潔能源以減少對工廠發電的依賴，依據當地地理特點科學選址，避免洪災、泥石流等次生災害摧毀臨時安置場所。三是建造成本應低于傳統現澆技術建造成本。四是重視建筑對災民的安撫作用。五是要考慮臨時安置建筑的后續延伸，作為裝配式建筑，可根據城市重建規劃將建筑整體拆卸后異地重建，或將裝配部件回收加工再利用[2]。

2.2 震后重建的紙管校舍

2008年汶川地震后，坂茂在成都華林縣設計建造了實驗性災后臨時安置紙管建筑——華林小學校舍。作為震后臨時校舍，華林小學采用了紙質框架結構，材料環保，構造簡單，建造方便，非專業人員也可以參與到建造中來。（如圖1）

紙是天然材料，相比鋼筋、混凝土等一次性建筑材料，將紙管應用在裝配式建筑中具有材料優勢。經過加工的紙管廢棄后可自然降解，環保無污染，工廠生產的硬紙管等建筑部件可以循環使用，反復搭建，減少建材的浪費。紙質材料成本不高，技術要求低，一般的紙生產廠家即可生產出符合要求的硬紙管，拼裝過程簡單，非專業的志愿者也可以參與到建造過程中，節省施工費用，而且紙管形態靈活、重量輕，運輸費用比傳統建筑材料低。紙管部件的標準化批量生產和非專業人員的參與，縮短了施工工期，成為紙管構架裝配式建筑在以恢復生活、教育為目標的臨時安置設計中不可忽視的優勢[3]。

坂茂在解決災后臨時安置的同時，也考慮了建筑的形式美。在滿足結構與實用性的基礎上，屋頂的設計滿足了災后人們對于空間的心理需求。為了保證屋頂的熱功效能，屋面采用了木夾板、泡沫板和半透明波紋板，在木夾板上切割出圓形并掏空處理。屋頂設計建立了建筑內部空間與外部環境的聯系，圓洞在白天將室外光線引入室內增加室內采光，減少人工光源的使用，在夜晚將室內的燈光投映到建筑外部屋面，標志性的圓形燈光在夜間方便辨別。空間內外的光影互動與日照隨著時間偏移在室內產生的光影變化，在視覺上為孩子帶來輕松愉快的空間感受，安撫震后焦慮抑郁等消極情緒[4]。（如圖2）

華林小學紙管校舍對于可循環的天然材料的運用及其制作工藝，將綠色環保的理念引入災后應急建筑的建造，增強了臨時安置設計的靈活性與可循環性，為我國裝配式建筑在震后臨時安置設計中的應用提供了重要的參考。

3 裝配式建筑在應急醫療建設中的應用

3.1 裝配式建筑運用于臨時傳染病醫院的適用性

在疫情下，應急醫療建筑的建設不同于常規醫療建筑，對建造過程、施工工期等方面有了新的要求，裝配式建筑為臨時傳染病醫院設計提供了新思路。

裝配式建筑與傳統現澆建筑相比具有施工簡易、工程進度快、綠色環保等優勢，對臨時傳染病醫院具有很強的適用性。在建造過程中，裝配式建筑以干法施工為主，工廠批量裝配部件后集中運輸至施工現場，由技術人員拼裝，減少粉塵、建筑垃圾的產生，施工現場機械化程度高，不需要人員密集作業，避免了施工人員感染。在配件生產方面，傳染病醫院病房標準化程度高，模數常規統一，在工廠批量生產病房裝配部件，工人現場操作裝配，提高生產效率，節省人力與管理費用，縮短施工周期，與傳統建造模式相比，裝配式建造更快速高效。裝配式建筑的組裝部件具有一定的通用性與靈活性，有利于維護管理與檢修更換，建筑的可持續性強，與此同時，互換性部件與拆卸方便的建筑單元使內部空間更靈活，可以根據需要對空間進行調整重組。

3.2 火神山醫院設計

武漢火神山醫院于2020年2月建成，建設用地約50000㎡，總建筑面積約33900㎡，病床數量1000張，是專門集中收治新冠肺炎患者的臨時傳染病醫院。

火神山醫院采用預制件拼裝技術，充分利用裝配式工業化構件，大幅降低現場施工的作業量，縮短施工工期;在建筑外部拼接過后進行整體裝配，現場施工與整體吊裝穿插進行，提高工作效率。在施工過程中，施工方在現場鋪設了50000㎡的高性能滲透膜，阻隔污水與污染物下滲;醫院管網采用全封閉運行，處理達標后才可排入當地市政管道。每間病房安裝了獨立不循環的新風系統與排風系統，保持病房內空氣清新。

火神山醫院采用了鋼結構裝配體系，鋼結構跨度大，內部空間結構柱少，適合用于臨時傳染病醫院的護理單元布局設計，同時鋼結構截面尺寸小，提高了空間利用率，緩解了醫療器械升級換代給有限的醫療空間帶來的壓力，滿足了醫院長期發展擴建的需要。鋼材本身具有延展性與抗震性，與傳統現澆建筑的支撐結構相比，鋼結構的安全性能更高。

火神山臨時傳染病醫院利用了裝配式鋼結構建造技術，在緊急疫情下快速響應，運用獨特的排污系統與巧妙的平面規劃，全方位隔絕污染，對以后的臨時傳染病院設計具有借鑒意義[5]。（如圖3）

4 裝配式建筑中紙管與鋼結構的應用對比

我國的裝配式建筑發展至今，紙管裝配技術發展處于萌芽階段，并沒有廣泛運用于建筑工程中。相比之下，我國的鋼結構自20世紀五六十年代到現在已有完備的產業鏈與相對成熟的生產技術，在鋼結構裝配式建筑中的實踐也比較豐富。本文對裝配式建筑中紙管與鋼結構的運用比較分為3個方面。

4.1 功能實用性

紙管拼裝與鋼結構拼裝都具有裝配式建筑工期短、環保節能的特點，但針對不同災情下的不同需求，鋼結構與紙管結構差別明顯。紙管結構的建筑材料容易獲取，不會受到天氣與物價的影響，材質輕盈，形態靈活，運輸成本低，因此將其運用在災情下的基礎設施建造中更能發揮紙管結構的優勢。在特殊功能的應急建造中，以火神山醫院為例，臨時傳染病醫院作為醫療設施對建筑材料的技術要求較高，紙管作為一種生產簡易、技術要求不高的建筑材料很難滿足醫院的建造要求，而鋼結構裝配部件更適合精確化、高標準的施工，同時達到醫療用房的專業化標準。在承重方面，鋼結構比紙管結構更好，可以滿足醫院排管布線、安裝中央空調等通風系統的需求。

4.2 審美性

鋼結構裝配式建筑在外觀設計上以白色單元方塊堆疊的形式體現，單體形態較為單一，可靈活組合出滿足建筑功能需要的布局。在火神山醫院設計中，建筑整體由多個白色長方體護理單元組成的“工”字狀排列，給人一種干凈、規整的視覺效果。與鋼相比，紙的可塑性更強，造型多變，華林小學的山形屋頂的圓洞設計展現了紙質裝配建筑的更多可能性。紙管以淺棕色為主，顯露與白色墻體間，感官效果清新自然。在材質特性上，鋼材肌理光滑反射強，紙材肌理具有一定的質感且反射柔和，二者針對不同的功能需求和設計風格，有不同的變化。

4.3 可持續性

裝配式建筑的可持續性在不同材料上也有不同的體現。鋼結構裝配式建筑的生命周期較長，可根據災后需要擴建，損壞的結構部件可拆卸更換，而紙管結構裝配式建筑可以回收加工制成紙張等進行二次使用。

5 結語

隨著建筑行業的發展與材料技術的提高，裝配式建筑以環保、節地節材、工程進度快等優勢，被廣泛應用于災后臨時安置建設中。設計方應根據不同災情下的需求與材料的特點來設計不同的裝配式建筑方案。與此同時，在完善裝配式建筑建造方法的前提下，還應考慮災后延伸與回收再利用，構建裝配部件回收翻新的企業生產線，完善裝配式建筑可持續發展體系，對我國裝配式建筑發展具有積極作用。

參考文獻：

[1] 徐雨濛.我國裝配式建筑的可持續性發展研究[D].武漢：武漢工程大學，2015：18-19.

[2] 徐林剛.鋼結構在裝配式建筑中的應用研究[J].建材與裝飾，2020（01）：19-20.

[3] 陽海輝，余昉.坂茂的災后安置建筑作品解讀[J].山西建筑，2014，40（21）：5-6.

[4] 殷弘，鄧敬.由“過渡”而始 從坂茂的紙管校舍到過渡性建筑的探討[J].時代建筑，2009（01）：72-77.

[5] 王珍琪.結合火神山醫院建設談中國建筑業企業社會責任[J].建筑，2020（04）：30-31.

作者簡介：李沐宸（1996—），女，山東煙臺人，碩士在讀，研究方向：建筑與環境藝術設計。

王越（1996—），女，江蘇泰州人，碩士在讀，研究方向：建筑與環境藝術設計。

陳冉（1996—），女，山東聊城人，碩士在讀，研究方向：建筑與環境藝術設計。