模塊化技術在裝配式木構建筑中的應用及發展

文／楊 瑛 湖南工業大學城市與環境學院 教授級高級工程師 博 士（通訊作者）

劉梓玉 湖南工業大學城市與環境學院 碩士研究生

1 模塊化技術及其發展歷程

隨著城市化進程的加快，城市規模迅速擴張，已經有越來越多的建筑師開始面臨著一個難題：如何能夠在很短的時間內快速建造出更加經濟的建筑？作為一種新興的建筑設計理念，模塊化技術逐漸走入人們的視野。以一個空間作為一個模塊單元，提前建筑工廠內部，率先進行批量生產，完成后運輸至施工現場并通過可靠的連接方式組裝成為建筑整體，完成后直接運輸到建筑施工現場并通過多種可靠的連接方式將其進行組裝組合起來從而成為一個大型建筑整體[1]。這個過程中，靈活多樣的連接方式給建筑本身的設計和維護帶來了極大的便利。

1.1 模塊化技術特點

模塊化主要是在解決某一個復雜的問題時，把它們劃分成若干個子程序，再將其逐步解決。在進行設計時，以一個房間單元為一個模塊，并將這些模塊在工廠進行施工，施工完成后再運送到施工現場進行拼裝。模塊化建筑預制程度高，能夠極大減少人力物力，使用模塊化技術能夠縮短施工周期，并且綠色環保[2]。模塊是結構的一個組成部分，由一個單一的建筑構件、結構的一部分或整個建筑的一部分，即功能單元。通過基本模塊的重復組合，能夠得到許多不同的結構。模塊也應該是簡單的預制，很容易連接到另一個模塊。與傳統體系結構相比，模塊化體系結構的優勢在于能夠化繁從簡，將復雜系統逐個分解并將其模數化，使建筑更易于管理[3]。

1.2 模塊化技術的發展歷程

國外最早在1962年，為了解決工商管理方面的問題，西蒙提出了模塊化的概念并對其相關理論加以研究。西蒙指出將要解決的問題分成多個模塊，并且在這種形勢下，每個模塊都能夠獨立運作，使整體工作效率達到最高[4]。1965年，Starr提出了模塊化就是通過設計和生產一個模塊，并以盡可能多的方式與另一個模塊之間進行組合[5]。在面對復雜的問題時，模塊化能進行有效的簡化，從而提高質量及效益。因此在建筑設計中，模塊化技術的運用能夠極大地提升效率，解決復雜的建筑設計和施工過程[6]。

模塊化的建筑最早開始發展并且形成的一個框架結構體系就是在加拿大的蒙特利爾市，該框架結構利用一個盒子所設計而形成的整體造型共由158個單元和多個體塊組成，并且每個單元模塊都以38×17英尺的尺寸通過混凝土澆筑組合完成。每個模塊在加工完成后都通過吊裝的方式運輸到指定位置，再以參差錯落的形式堆積起來，給人們呈現了一種新的建筑形象。Habitat 67綜合居住體一直保存到今天，并且遠遠超過它的預期壽命，可以預料，它仍然會以一個成功的綜合居住體繼續存在，成為一個時代的象征。

到了現代，模塊化技術得到了飛速的發展，美國、英國、加拿大、日本等國家對模塊化技術進行了深入的研究，將其應用到醫院、學校、體育館等建筑設計中，并在建筑設計與建筑建造等方面有了一定的成果。隨后，模塊化技術又被應用在木結構建筑中，目前采用模塊化技術的木結構建筑在國外得到大力推廣，多被應用在住宅或公共建筑中[7]。

在我國古代，模塊化建筑在建筑建造中可以追溯到明清時期，中國古代最完整的建筑技術書籍《營造法式》中有明確記載。在1103年，當時的建筑師和工匠們就已經提出用單位來測量和切割木材，由此逐漸形成一套規范的模數體系。《營造法式》規范了木材計量單位，劃定了設計尺度和施工原則，也為中國木結構建筑奠定了堅實的基礎。

我國自1980年從國外引進模塊化技術以來也在逐步發展，2018年1月，《裝配式木結構建筑技術標準》發布后，國家正在大力支持發展裝配式木結構建筑，隨著各項政策的積極推動，模塊化技術將得到更加廣泛的應用。

2 模塊化技術在裝配式木構建筑中的應用

模塊化技術代表了目前世界上最先進的建造技術，也是建筑工業化最徹底的表現形式。在建筑中，模塊化技術有著不同的表現方式，如采用相同結構的不同組裝方式，未來建筑可能會有不同的用途，便于日后改擴建；幾個相同空間單元的不同組合，在不同區位、氣候、地形條件的制約下，建筑仍然能夠適應；整體藏體式的盒子建筑只需在工廠預制，包括廚浴部品在內，在施工時僅僅需要簡單地安裝即可完成。

2.1 結構模塊化——日本福岡T-nursery幼兒園

T-nursery幼兒園處于郊外，出于對日本未來出生率的考慮，建筑師希望建造一個便于日后擴建或縮小的建筑，因此將模塊化技術應用于此。在建造設計中，建筑內部房間未設有支柱，這會使房間變得非常實用，可以隨時變換各種用途；外圍墻面由支撐結構組成，能夠支撐9米的無柱空間，為日后建筑空間靈活變動奠定了基礎[8]。模塊化技術則運用在它的結構木桁架梁上，木桁架梁在工廠安裝，再運輸到施工現場。復雜的組合拼裝工序也是在工廠制作的，只有一個相對容易的工序在現場組裝。這樣的建造工程施工管理模式不僅大大提高了建筑的建造施工管理效率，還大大縮短了建筑的施工時間。

2.2 結構模塊化——永續咖啡館

永續咖啡館（圖1）通過裝配式建造方式，通過模數化設計得到標準單元，進行結構驗算得出可能的組合方式，所有的組合方式可以在上海的任何公園中建立[9]。采用模塊化設計，通過兩塊板材的空間布置，“T”型、倒“U”型等實現合理的受力和傳遞，不同形態的空間組合有利于建筑日后的改造以適應不同的功能。

圖1 永續咖啡館及基本形態（圖片來源：作者自繪）

2.3 結構模塊化——MU50小屋（土耳其模塊化單元50號）

模塊化單元（MU50）是一種小型模塊化的非網格結構的建筑原型，它具有良好可持續回收性并且能夠廣泛應用于不同的環境場所。結構用落葉松木框架和圍面板預制好后，便于現場安裝，減少了安裝時間。相同結構的不同組合形成了完整的艙體，艙體包括浴室和廚房以及必要的存儲空間，所有的管道、電力、通風等系統都可以在工廠預先安裝，一體化建造完成之后直接運送到現場。

2.4 空間模塊化組合——組裝式單元生活空間

組裝式單元生活空間（圖2）的每一個折角模塊寬2.5米，長4.5米，高2.7米。它們被設計成一個個獨立的單元，建筑單體的內部空間能夠靈活布置，無論是在豎直方向還是水平方向都能夠進行靈活組合，以適應不同的區位、氣候和地形。單一的模塊具有單一的功能，但是多個模塊組合起來之后，就在三維上增長，建筑更加穩定，適應不同的場所和功能的需要。

圖2 組裝式單元生活空間及基本單元模塊（圖片來源：作者自繪）

2.5 空間模塊化組合——托卡納卡特鄉村酒店

這是俄羅斯地區唯一的模塊化木結構建筑案例。先將規格為3.5×7米的模塊在工廠生產組裝好再運輸到場地上，然后將內部裝修、各類管道和衛生設施安裝起來，最后安置家具。托卡納卡特鄉村酒店（圖3）由三部分組成，其中32個標間就是由32個面積為18平方米的標準模塊組成；獨立設置的套房部分由兩個模塊拼裝而成；套房接待樓則是由三個模塊和一些預制組件拼裝而成。為了保護當地的自然環境，模塊化技術發揮了很大的作用，所有的建筑模塊都避開松樹建造，使得這些樹木既能夠被保留下來，免于遭到被砍伐的厄運，又可以加深人與自然之間的聯系。

圖3 托卡納卡特鄉村酒店及基本單元模塊（圖片來源：作者自繪）

2.6 整體艙體模塊化——望山蜂巢

望山蜂巢作為旅游度假酒店，采用模塊化設計成為一個個單元模塊，可多次重復拆裝，包括雨水回收、太陽能電池等環保技術集成在內。為了適應各類地形環境的同時又不影響當地的自然環境，將其架于空中，無論是位于湖邊、山地或是森林，安裝時人力即可操作。

2.7 整體艙體模塊化——A45黑色小木屋

著名建筑事務所BIG在哈德遜河谷設計了一座帶有傾斜屋頂的黑色小木屋。這種木屋的三角形結構墻體是用黑色的松木進行彎曲搭配而成，并且建于四個鋼筋混凝土的基座上。內部空間主要包含一個全新的開放式生活區與一個睡眠室、開放式的廚房空間、洗手間和一個閣樓。它可以被運送至任何地方，只需要改變它的基座就可以適應不同地形，這也是艙體的優勢之一。

3 木結構模塊化技術的發展挑戰與展望

在我國，建筑行業雖然在逐漸推廣并開始使用模塊化木結構建筑，但沒有標準的規范來指導設計施工。雖然建筑師有熱情采用模塊化技術進行木結構建筑設計，但往往因為缺乏相應的標準而止步于設計階段，無法進行下一步的施工深化。除了缺乏相關設計規范，模塊化技術無法全面發展的原因之一還在于高昂的造價成本。

由于建筑配件模塊需要在工廠中進行預制加工，目前我國正在進行的是工廠化預制加工，建筑配件生產的企業主要以施工單位和企業為主，若是項目所在地距離廠家較遠，運輸成本不可忽視。尤其在木結構建筑設計中，部分木材本身就要進口，再加上模塊化技術的應用，在這些限制之下，建造成本也相對增加。

在國內外案例的分析中可以發現，模塊化木結構建筑尺度較小，是因為受制于在工廠安裝，運輸吊裝比較困難，所以使建筑在功能層數上具有一定程度上的限制，通常被應用在臨時建筑、酒店建筑、小型商業建筑或者小型公共建筑上。因此，如何將此類建筑應用在更多方面也將是人們需要考慮的問題。

“十四五”規劃提出“堅持農業農村優先發展，全面推進鄉村振興”“完善新型城鎮化戰略，提升城鎮化發展質量”“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”等綱領，中央明確了在推進建筑工業化的同時，要繼續推進建筑產業現代化，推廣智能裝配式建筑，同時隨著國家對環保的重視程度的增加，以節能環保為導向，將加快核心、關鍵技術領域新技術推廣應用，對模塊化木結構建筑的研究也必將更加深入。