基于可支撐體住宅理論的SM裝配式農宅設計
——以石家莊城郊農村為例

王舒揚， 劉磊， 王麗潔， 王浩

(1. 河北工業大學建筑與藝術設計學院, 天津 紅橋 300131；2. 河北工業大學土木與交通學院， 天津 北辰 300401)

0 引言

早在1914年， 現代主義建筑先趨勒·柯布西耶就以多米諾住宅為例， 嘗試將住宅分解為“可變”與“不變”兩部分， 以滿足住戶的多樣化使用需求[1]. 1965年， 在歐洲住宅深度工業化向品質追求轉型的背景下， 荷蘭學者哈布拉肯提出可支撐體住宅理論(stichting architecten research， 下文簡稱SAR理論)[2]， 其部分成果被OB(open building)、 KEP(Kodan experimental housing project)、 NPS(new plan system)、 CHS(centennial housing system)、 KSI(Kikon skeleton infill)等繼承發展[3]. 20世紀七八十年代， 張守儀、 鮑家聲等學者將SAR理論引入我國， 在城市陸續誕生上海萬科VSI(vanke skeleton infill)、 百年住宅CSI(China skeleton infill)等本土體系， 以及北京雅世合金公寓(2005)、 上海綠地南翔百年住宅(2012)、 濟南魯能領秀城·公園世家(2016)等試點項目[4]. SAR理論以模數及定位體系的“通用性”、 空間及形式的“應變性”， 協調工業化標準設計與人性化多樣需求間的對立矛盾[5]. 但該理論在我國的發展并不順利， 主要原因有兩點. 一是“通用性”被忽視. 自20世紀90年代以來， 城市住宅建設因廣泛依賴現澆混凝土技術， 而降低了對施工精度的要求， SAR理論的標準化模數定位體系的研究成果很少被人關注[6]. 二是“應變性”受抑制. 受限于城市緊張的用地條件及剛性的套型面積， 試點工程對應變性的探索僅局限于建筑甚至是套型內部[7].

2016年《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[8]發布以來， 農村住宅建造方式的工業化轉型升級也受到關注. 得益于農村相對充足的用地資源、 寬松的居住面積、 由血緣地緣而柔性化的戶際空間關系， 以及經濟轉型期農村多元化的居住需求， 農村裝配式住宅在繼承SAR理論“通用性”和“應變性”設計方法上更具優勢. 本研究打破建筑學、 規劃學、 土木結構、 內裝工設、 水電設備等專業的學科壁壘， 并與廊坊市朗世坤成鋼構企業合作組建課題組. 基于對石家莊城郊農宅建設及需求調研， 對SAR理論進行中國鄉村式改良， 構建SM(system+module)裝配式農宅實驗模型， 提出設計公式， 通過求解公式探析SM裝配式農宅的設計方法.

1 基于調研構建SM裝配式農宅的實驗模型及設計公式

1.1 基于前期調研確立設計目標

表1 調研農宅常住人口數量統計表

課題組于2017—2019年對石家莊城郊藁城區、 欒城區的15個村63戶農宅進行調研， 結合表1、 2及圖1， 總結農宅建設中的現存問題及發展動向： ① 建設資源利用方式粗放, 宅基地規模普遍超標(河北省土地管理條例規定人均耕地不足1 000 m2的平原縣市， 每處宅基地≤200 m2 [9])， 常住人口少房屋閑置率高， 施工方法落后， 使用違禁建材； ② 空間使用方式動態多樣, 除兒女春節回流、 老人輪養等帶來戶內人口周期性調增外， 近年來經濟生活的嬗變亦引發多樣化的戶內空間布局及兼業需求； ③ 庭院式的鄉居傳統面臨挑戰, 自建農宅應對上述使用需求的唯一手段是“擴增室內面積”， 不僅難抑村民多占宅基地的沖動， 更令宅內庭院面積日漸“縮水”， “有天有地”的庭院式鄉居傳統難以延續.

基于上述調研， 繼承并發展SAR理論“通用性”、 “應變性”的設計方法， 提出裝配式農宅的設計目標為： 設計方式標準化、 使用方式靈活化、 資源利用集約化、 近親自然鄉村化.

表2 調研農宅場地布置方式信息匯總表

續表2

圖1 藁城區、 欒城區農村住宅調研照片Fig.1 Investigation photos of rural houses in Gaocheng districts, Luancheng districts

1.2 實驗模型構建

圖2 實驗性設計模型Fig.2 Experimental design model

本課題組提出以“家族居住環境單元(家族建筑單元+共享宅院模塊)”為單位構建實驗模型， 其可通過聯立、 聯排等方式多樣拼接[10]， 如圖2所示. 其中， “家族建筑單元”以靈活、 緊湊的空間設計手法， 滿足家族內部“有分有合”的互助生活需求； “共享庭院模塊”既延續了“有天有地”庭院式的鄉居傳統， 又可開展小型庭院經濟活動； “集合體總用地”為家族的共有建房用地， 因緊湊型居住方式而產生的“多余宅基地”(家族各戶宅基地面積總數與集合體總用地面積的差值)經村集體整合， 與品牌公司成立股份制企業統一經營， 所得收益按各戶貢獻宅基地面積大小分紅. 此做法既保證了宅基地“集體所有”及“社會保障”屬性不變， 又為村民提供了資產增收渠道， 且已有法律依據[11].

1.3 提出SM裝配式農宅設計公式

本研究在“SAR住宅=支撐體+可分體”公式的基礎上提出： SM裝配式農宅=通用控制體系(system)+選填集成模塊(module). 改良后的公式以“通用控制體系、 集成填充模塊”替換原公式中的“支撐體、 可分體”， 以凸顯SM農宅在“穩定的限定語法下(通用控制體系)， 因輸入不同的變量(選填集成模塊)而獲得差異性結果”的設計特色. 此外， SAR理論及后續的KEP、 NPS、 KSI等體系中的“可分體”均屬于“桿件、 板件”， 裝配化水平不高[12]， 新公式以“選填集成模塊”替代， 以便與當前的技術發展及時代需求同步.

2 SM農宅通用控制體系構建

“通用控制體系”是后續集成模塊精準嵌入的空間框架， 也是SM農宅實現標準化量產的基礎， 以“模數體系→場地劃分體系→建筑定位體系”方式分三步構建.

2.1 構建模數體系

SAR理論以“M=100 mm”為基本模數， 在水平及豎直方向上分別以3M、 2M為擴大模數[13]， 該體系只能規范“開間、 進深、 層高、 預制大構件”等尺寸， 未能向宏觀層面(室外空間)、 微觀層面(室內部品)延展. SM模數體系對此進行了修正， 構建方法為： 1) 多領域搜集尺寸調研參數(包括農宅室內外家居活動尺寸、 工廠結構構件尺寸、 市場主流內裝部品尺寸等)； 2) 各專業基于參數調研分別提出3～6組備選模數數列(為與SAR模數體系區別， 基本模數的符號改為N)； 3) 各專業選取最具跨專業尺寸兼容性的一組模數， 以此為基礎組建SM模數體系， 由基本模數N=50 mm、 12個擴大模數， 3個分模數構成(見表3).

表3 SM農宅模數數列

2.2 構建集合體總用地劃分體系

SAR理論以“區、 界、 段”方式劃分場地， 將室外空間納入考量范圍， 令室內空間具有突破建筑邊界的“生長性”， 遺憾的是受限于城市寸土寸金的用地條件， 未被CHS、 KSI等后續研究繼承發展. 本研究基于調研宅基地的實際使用需求， 將 “區、 界、 段”體系進行簡化和三維立體化. 具體做法為： 1) 將“X”軸方向的“段”提煉為“D起(起居段)、D臥(臥寢段)、D交(戶間交通段)”3種尺寸類型； 2) 僅保留“Y”軸上的a南(臨窗南區)、a北(臨窗北區)、β(房間內區)、δ(南向庭院區)4個“區”； 以及介乎于各“區”之間的αγ、αβ、αδ1、αδ2等4個“界”； 3) 將上述平面體系沿“Z”軸方向以建筑層高“h”延伸(見圖3). 在此三維體系中，X軸的彈性取決于農宅的段數及段的類型，Y軸的彈性取決于“αγ、αβ、αδ1、αδ2”等4個界是否啟用，Z軸的彈性取決于農宅的層數. 上述場地劃分體系在制定秩序的同時兼具變化彈性， 也為未來以標準化方式建造個性化農宅奠定基礎. “區、 界、 段、 層高”的具體數值將在節3.1進一步確定.

圖3 SM農宅的三維場地劃分體系Fig.3 3D site division system of SM rural house

2.3 構建家族建筑單元定位體系

課題組的結構專業成員創新性提出“輕鋼箱框聯肢結構體系(箱框+聯肢板)”， 其結構邏輯與“區、 界、段”的場地劃分體系契合， 如圖4(a)、 (b)所示， 箱框的“開間”對應“段”， “進深”對應“臨窗南區(或臨窗北區)”， “框高”對應“層高”； 聯肢梁(板)的長度在X軸向對應“段”的取值， 在Y軸向則同時受到“區、 界”取值的影響. 如圖4(c)所示， 箱框柱采用方鋼管柱、 主次梁為寬翼緣工字鋼梁， 梁柱間為工廠剛節點焊接； 連接柱底端的臨時邊框(其在箱框吊裝完畢后拆除)可保證箱框吊裝時的剛度， 此外以臨時邊框替代地圈梁， 可避免模塊上下累加后地頂圈梁重疊造成的構件重復問題； 聯肢墻板、 樓板為工廠預制大板， 以快裝螺栓與箱框現場連接.

圖4 SM農宅的結構拆解圖Fig.4 Structural analysis of SM rural house

SAR理論的構件定位體系“(n×300-100)、 (n×300+100)、n×300寬窄條網格”[14]， 及以其為基礎的日本NEXT21“錯位網格”體系[15]， 均兼顧了“構件、 空間、 內裝”不同層面的定位需求， 其不足之處是在同一平面上同時出現多種定位方式， 令體系復雜難以推廣. 本研究將不同層面的定位系統分步拆解， 并以“構件填充”的方式將構件定位體系可視化， 方便施工人員理解. 具體方式為： 1) 以中心定位法定位梁、 柱、 輕鋼密肋、 聯肢板、 外圍護墻板、 樓板； 2) 安裝上述構件后其兩側邊界由此形成了“可視化”的雙軸界面定位體系； 3) 在上述界面體系下精準定位內裝模塊. 構件尺寸厚度、 凈空間尺寸、 內裝部品尺寸均從上文的SM模數體系中選取.

3 SM農宅選填集成模塊設計

在通用體系下選填多樣化的集成模塊， 賦予SM農宅以應變彈性， 從“空間、 構件、 內裝”3個角度組建集成模塊族群.

3.1 空間模塊設計

基于調研住戶動態多樣的空間使用需求進行空間模塊設計， 具體方法為： 1) 基于前期住戶生活實態調研， 匯總室內外家居活動類型； 2) 基于家居活動的三維尺寸調研及內裝部品參數調研， 以“行為模塊=行為空間+對應部品空間”方式在模數規范下完成行為模塊設計； 3) 以“房間模塊=行為模塊1+行為模塊2+行為模塊3…”的方式完成房間模塊設計， 從“尺寸”及“功能”兩方面對上述空間模塊進行深化提煉及分組設計， 在減少模塊尺寸種類的同時增加功能互換性.

圖5、 6從室內、 室外兩個角度匯總各類空間模塊(因起居活動的彈性較大， 未將其納入圖5的分組范疇)： 在臥室模塊設計中， 開間3.3 m是在“功能多適性”與“空間集約化”間具有均好性的尺寸值， 進深尺寸則可歸納為“3.6、 5.0、 6.0 m” 3個系列. 每組臥寢模塊除可滿足多樣化的居住需求(個人空間單床房、 夫妻大床房、 兒女雙床房、 陪護雙床房)外， 還兼顧了家庭娛樂、 戶內兼業等多樣化功能； 廚房模塊以“2.1、 2.4 m”為開間尺寸， 進深尺寸受相鄰起居空間影響故不作硬性限制， K1、 K2系列兼顧了多樣化的烹飪習慣， 部分模塊有方便老人使用的無障礙設計； 衛生間模塊嘗試了多種干濕分離的設計方式， 難以進行尺寸的硬性分組， 故以“豎向管井的位置”作為分組依據； 庭院模塊以庭院經濟發展類型(農業種養殖型、 田園休閑型、 農家樂經營型)為依據進行分組設計. 以上述空間模塊選填設計實驗為基礎， 擬定家居環境單元的布局形式及“區、 界、 段、 層高”的各項數值(見表4).

圖5 臥室、 廚、 衛模塊設計示例Fig.5 Design example of bedrooms, kitchen and toilet modules

圖6 共享庭院模塊設計示例Fig.6 Design example of shared courtyard modules

表4 區、 界、 段、 層高各分項數值列表

圖7是由“戶間交通模塊”聯合兩個家族建筑單元而形成的聯立型農宅方案. 戶型1適合關系較親密的祖孫三代居住； 戶型2的二至三層間以樓板分隔， 適合關系較松散的兩代人居住. 圖7不僅就此三層聯立農宅的平面圖進行了“區、 界、 段”分析， 圖7(a)還基于一層平面圖進行了結構分析(“連續實線”代表結構箱框； “點劃線”代表聯肢板).

圖7 家族建筑單元聯立式組合平面圖及分析Fig.7 Combined plan and analysis of family building units

3.2 構件模塊設計

構件模塊包括圍護板材模塊及附屬構件模塊兩大類型. 圍護板材模塊中的外墻采用“基墻+保溫裝飾板”形式， 基墻可選用輕鋼龍骨密肋板、 鋼絲網架聚苯乙烯夾芯板(GJ板)、 鋼絲網架水泥巖棉巖棉夾芯板(GY板)、 鋼絲網架珍珠巖復合板(GZ板)、 金屬聚苯乙烯夾芯板(EPS板)等， 保溫裝飾板的裝飾層可選用實色漆飾面或仿石材飾面， 樓板可選用輕鋼龍骨復合板、 纖維水泥板等. 附屬構件模塊包括內外陽臺、 飄窗、 閣樓、 樓梯間、 坡屋頂、 陽光間等模塊. 陽臺模塊(凹陽臺、 凸陽臺、 角陽臺)、 坡屋頂模塊(對稱式、 非對稱式、 多坡式)可根據功能及款式進一步細化分類. 如圖8所示， 由于選取的構件模塊不同， 圖7的三層聯立式農宅方案可擁有4種不同的外觀樣式.

圖8 基于同一布局方案的4款農宅備選樣式Fig.8 Four alternative building styles based on the same layout

3.3 內裝模塊設計

SM設計體系中的內裝模塊包括家具部品、 整體廚衛、 輕質隔墻3種類型. ① 家具部品設計. 基于房間布局需求， 將家具部品分為“收納、 坐具、 臥寢、 桌臺”4大類型， 并在其下匯總各分項子目錄， 作為單體模塊的組合目標. 單體模塊研發力求“標準化、 通用化、 系列化”， 即： 單體模塊的三維尺寸在SM模數數列中選取， 模塊組合尺寸與房間界面尺寸契合； 模塊間借助接口， 可在上述4大類型內部互換組合， 也可跨類型組合(如沙發→單人床→陽臺椅， 儲物柜→儲物床， 書桌+單人床→坐臥兩用床)； 同類尺寸模塊不僅有不同顏色、 材質、 檔次可供選擇， 而且有多種配件(抽屜、 柜門、 隔板、 掛籃、 軟墊、 扶手欄、 腳踏板等)與之搭配(見圖9). ② 整體廚衛設計. 依靠廚衛柜體的SM模數化設計、 配套設備的市場篩選(其與柜體的組合尺寸受房間界面尺寸限制)、 同尺寸廚衛空間內柜體及設備的多樣化搭配等“空間-部品”的協同化設計手段， 未使用“同層排水、 防水底盤、 集中管井”等昂貴技術， 即實現了整合化的廚衛模塊設計， 并滿足村民不同行為習慣、 布局偏好的使用需求. ③ 輕質隔墻設計. 本體系針對非用水房間研發了一種帶“U型槽”的輕鋼龍骨隔墻方案. 綜合考慮“起、 臥、 書、 娛”等各類房間所需的插座開關數量、 安裝高度及位置、 強弱電間距、 插拔便利、 家具遮擋、 墻面完整等設計限制及需求， 將墻內走線的幾種可能路徑歸納在一“U形區域”內， 槽面飾板可開啟以便后續更換檢修(見圖10). 調研發現村民對輕質隔墻敲擊時產生的空洞感很反感， 故在隔墻U型線槽以外區域內填充多孔吸聲材料.

圖9 家具模塊設計思路圖Fig.9 Flow chart of furniture module design ideas

圖10 箱框單元的構造做法及墻內布線方式分析Fig.10 Analysis of the construction method of box-frame unit and the wiring way in the wall

4 結語

本研究基于SAR理論對鄉村裝配式農宅建設需求進行改良實驗， 將其在模數及定位方式上的“通用性”向室內外空間、 建筑結構、 內裝部品等多領域延伸， 并拓展其“應變性”的探討邊界， 不僅局限于套型內部， 而且向建筑整體、 鄉村居住空間等更廣義的層面延伸. 此外, 基于SAR理論提出的SM裝配式農宅不僅具有設計方式標準化、 使用方式靈活化、 資源利用集約化、 近親自然鄉村化的特點， 而且在標準化秩序控制下具有差異生長的彈性. 希望本研究成果能充實SAR理論體系， SM裝配式農宅設計方法在實驗農宅工廠試建中能經受住實踐的考驗.