基于構件體系的工業化住宅設計模式研究

張 健

（甘肅第六建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

住宅建筑作為一種需求量較大的商品，工業化的生產模式具有較大的優勢。將現代工業的質量管理體系應用在住宅生產和建造的全過程中，保證工業化住宅產品質量的穩定和恒定。

此外，在住宅生產和建造的全過程中，用現代工業的質量管理體系來進行質量控制，能夠保證產品質量的穩定和恒定。以工業化生產的方式來建造住宅，即住宅工業化，是住宅產業化的核心。文章從“基于構件體系的工業化住宅設計模式” 理論框架的研究出發，對構件體系的分類原則與方法進行闡述總結，探索出基于構件體系的標準化設計基本方法，為我國住宅工業化可持續的設計方法提出有益的建議。

1 建筑構件體系的定義及重要性

建筑構件一般是指構成建筑物的各個組成部分，如墻體、樓蓋板、梁柱等，對工業化住宅而言，建筑構件的定義是具有一定獨立功能的組成部分，而構成建筑物某一部分的構件、構件組合而形成的子體系稱之為建筑體系，是指整個建筑中各個子體系相互之間的組合，如圖1所示。基于上述分析，工業化住宅設計應遵循建筑構件-建筑構件體系-建筑總體系的設計思路，根據各種功能屬性、尺寸和層級的建筑構件子體系，建立明確的建筑構件體系[1-2]。

通過工廠化、標準化的方式，實現建筑構件的預制、生產、加工、現場裝配，替代傳統建筑材料的現場砌筑、澆筑，是建筑工業化最顯著的特征之一。以“搭積木”的建造方式，通過構件之間高效的相互組合形成建筑主體，是建筑工業化水平的重要體現，同時，也使建筑項目的建設更為高效化、專業化，綠色化，使得建筑工程在建設過程中的整體效率得到極大的提高和改善。通過對建筑構件的劃分，使建筑在微觀層面實現了標準化的質量管理和質量控制，較好的保證了建筑物的整體質量，提升了建設過程中的施工效率，在精細化管理、節約資源、減少環境污染方面優勢明顯，可大大加快建筑領域工業化發展的步伐[3-5]。

2 構件體系的分類原則及方法

2.1 構件體系的分類原則

1）體系化原則。構件體系的體系化分類原則是指遵循構件的性能進行系統劃分，建筑構件最穩定的本質屬性或特征是劃分建筑子體系的依據和基礎。為了方便工業化住宅構件的設計、生產、運輸和裝配，從而形成科學合理的分類體系，一般可將選定建筑構件的屬性特征按一定的順序排列，并予以體系化，最終組合形成建筑體系。如圖1所示。

圖1 建筑體系的組成部分

2）同質性原則。按照同質性原則對建筑構件進行分類時，應充分考慮同一類別構件屬性，如化學、物理、工藝等方面的屬性特征。例如，墻體構件一般需要隔音、防火、圍護方面的性能要求；結構承重構件因需要承擔一定的荷載，需要達到一定的受力性能要求。

3）等壽命周期的原則。若建筑構件分類不僅考慮其結構性和功能性，還需考慮構件從開始設計，生產、銷售、運行、使用、維修保養，一直到回收及處置的全過程，依據構件不同壽命周期進行分類的原則稱之為等壽命周期原則。

2.2 構件體系的分類方法

1）層級分解法。一般工業化住宅的總體系具有較大的復雜性，因此，為了達到便于設計、生產、裝配施工、操作的目的，一級子體系需要進行多級分解，層層相疊，如圖2所示。通過設計、生產、施工環節，整個建筑體系拆分成具有不同構件功能的獨立性構件系統，達到工業化住宅構件體系靈活組合運用的目的。

圖2 建筑構件體系的層級框架

2）歸納分類法。一般而言，工業化住宅構件體系的分類歸納就是把同一類型的構件或同一類型工廠化生產模具搜集在一起，進行統一管理。歸納分類法不僅有助于構件及模具的設計和生產線的組織協調，還能加強構件的生產及提高設計效率。目前，工業化住宅的歸納范圍主要集中在構件的形狀、材料、功能及邊界條件等方面，如圖3所示。

圖3 分類歸納法構件分類

3）分類步驟。通過對層級式分解法、歸納法的研究分析，本文總結出建立工業化住宅構件體系的3個主要步驟：

（1）確定建筑功能構件體系第一層級。首先，從工業化住宅的整體進行分析，根據建筑物不同部位及功能要求的不同，以及構件體系工業化制造條件及現場安裝的施工條件，可將建筑物分為多個一級構件體系，即整體的第一層級。

（2）構建多層級式構件子體系：在上一步多個一級構件體系的條件下，歸納匯總不同構件體系中，構件的材料構成、功能定位以及所在分區，以此將第一層的各個功能構件子體系分解為多層級式子體系。

（3）劃分基本構件：最后，要將上述劃分的多層級子體系依據設計、生產及現場施工的便利性再次進行分解，以形成獨立的或不可再分解的基本模塊或基本構件單元，以便工業化設計及工廠化生產。

3 基于構件體系的工業化住宅標準化設計方法

3.1 工業化住宅構件體系的分類

基于前文總結的構件體系的分類原則及分類步驟，并充分考慮構件屬性特征及使用壽命情況，對工業化住宅構件體系具體進行如下分解：

由結構、外圍護、內分隔、裝修、設備作為第一層級的五個方面進行構件體系的劃分，結構體系作為工業化住宅的主要骨架，形成建筑結構的主體；外圍護體系承載了工業化住宅的保溫、美觀及適用性能，在結構體系的基礎上添加圍護分隔，形成建筑空間；內分隔體系則是在上述體系組合形成的建筑空間基礎上，再進行室內空間的分隔，形成需用的室內空間；裝修體系可實現工業化住宅的人性化、宜居性，裝修體系涉及建筑物室內及室外兩個部分；設備管線體系是指在上述體系建設完備的條件下，利用所需的各種不同設備、管線布置，達到整個建筑體系不同位置、區域的使用功能要求，如圖4所示。

圖4 工業化住宅體系分類

第二層級的劃分與上述五個第一層級體系密切相關，根據結構、外圍護、內分隔、裝修、設備建立第二層級子體系。

第三個層級是體系分解的末端，分解形成的建筑構件作為最后層級構件產品進行工廠化生產。

3.2 工業化住宅構件體系的標準化設計方法

工業化住宅的建筑設計不同于傳統建筑設計，要求建筑設計師在構件體系的基礎上，遵行一定的設計方法，由單個構件拼接、組合為整體建筑的正向設計，這種設計的好處顯而易見，不但可以減少流程反復、提高設計的精度和生產效率，而且對于建造成本、建筑質量、建造難度、建造效率起著決定性的作用，因此，工業化住宅建筑設計作為整個產業鏈的上游環節，起著至關重要的作用[8-10]。

為了更好地開展構件的生產制作、運輸裝配、運營維護等全過程工業化住宅建筑設計，就需要在設計之前考慮建筑構件體系的分類，根據構件體系的分類原則對工業化住宅的各類構件進行詳細分解，考慮構件自身各方面性能，最終形成“少規格，多組合”模式，能夠更好地體現工業化住宅效益和優勢的標準化設計模式，以便對全部構件體系所圍合形成的整體建筑空間開展進一步設計。

工業化住宅的標準化設計方法一般包括4方面的內容，即基于構件的模數化、通用化、模塊化、系列化，其中模數化是一切標準化設計的前提和基礎。為了使工業化住宅建筑的設計組合具有更多方式，使建筑物或建筑的附屬部分具有規律的尺寸模數，以便協調和相互配合，最終形成標準化的尺寸體系，需要通過模數協調原理、方法及模數化設計，建立統一的建筑模數，從而簡化構件與構件之間的連接，實現真正意義上的工業化住宅正向設計。

工業化住宅模數化的設計方式并不僅僅是為了使構件體系之間保證其模數化，便于必須組合協調，更是因為住宅建筑的功能性要求，需要通過模數化的設計思路，使得各個構件體系所圍合形成的建筑空間模數化，將結構、外圍護、內分隔、裝修、管線設備第一層級的構件體系模數化，通過平面模數和立面模數，形成三維立體模數網格體系，在所提供的模數化空間中，實現構件之間的標準化組合。

由于工業化住宅獨特的設計建造模式，與傳統現澆建筑相比有很大的不同，前者的節點連接更多且構件體系種類也更加復雜，因此，通過工業化住宅的標準化設計，模數化協調建立的“體系”就顯得愈發重要了，不但在平面和立面網格中，更是在形成的三維立體空間網格中，實現工業化住宅構件體系之間的層級式模數化設計和精益建造。

4 結論

對基于構件體系的工業化住宅設計模式進行了分析研究，從構件體系的概念、重要性、分類原則及方法出發，提出了基于構件體系的標準化設計方法，得出以下結論：

1）梳理國內外工業化住宅的發展歷程、發展背景，研究工業化住宅設計模式以及相關技術體系、理論的演變與發展，通過比較分析，提出基于構件體系的工業化住宅設計模式，以期解決傳統工業化住宅設計模式的不足。

2）對工業化住宅構件體系的概念、分類原則、分類方法等進行了系統的研究分析，通過工業化建筑構件體系的層層分解，總結形成了工業化住宅分類的“三大步驟”，該方法可以較好地實現基于構件的工業化住宅設計模式。

3）工業化住宅構件體系一般可分解為三個層級，而第一層級一般由結構、外圍護、內分隔、裝修、設備這五個體系組成；通過研究可以發現，基于構件體系的工業化住宅設計模式的核心即是標準化設計，通過形成的三維立體空間網格，實現工業化住宅構件體系之間的層級式模數化設計和精益建造。