基于箱板鋼結構建筑的建筑模塊化產品設計

唐博 劉津津

中國建筑設計研究院有限公司 北京 100032

引言

箱板鋼結構裝配式建筑是一種不同于其他現有裝配式建筑的新型的裝配式體系，借鑒了船舶的建造思路，其豎向結構構件以及水平結構構件都采用帶肋的鋼板，結構系統為整體受力的箱室結構體系，具有優越的抗震性能，因為沒有傳統的梁與柱等結構構件，能在一定程度上節省空間與高度。

另外，箱板鋼結構式建筑的建造方式與造船相似，采用分板分塊的方式，將鋼結構構件與附著的建筑構件、設備管線在工廠集成加工，形成集成模塊，再運至現場焊接安裝。此種方式與產品化的設計思維相契合，因此在項目前期決定采用箱板鋼結構作為主體結構方式。

1 功能模塊化

箱板鋼結構建造體系的建議跨度范圍為7m至12m之間，根據項目場地尺度、辦公建筑功能特點等需求采用9m×9m作為建筑的基本單元模塊尺度。

為了后期工廠建造的便捷性，盡可能的優化模塊的種類，先根據使用功能將模塊分為四大類，辦公模塊、會議模塊、公共模塊與特殊模塊，基本能涵蓋辦公類建筑的所有使用功能。

1.1 辦公模塊

辦公功能是辦公類建筑的基本功能，也是占比最大的功能，在進行辦公模塊化的設計過程中，以共享、高效、舒適作為模塊設計的出發點。

項目定位為高科技創業型公司，根據創業型公司團隊特點，辦公空間趨向于共享化、混合化、開放化的特點，因此，對辦公模塊進行設計時，也充分考慮了這幾個特點。

首先是共享化，單元功能模塊內不僅有辦公工位的空間，還有供小型團隊的交流討論空間。針對不同團隊的使用要求，辦公模塊分為高效型和舒適型兩種，高效型工位布置更為緊湊，可滿足9～12人同時辦公的需求，共享交流空間可滿足4～6人的小型交流，舒適型工位布置更為靈活，可滿足6～9人同時辦公的需求，共享交流空間更為充裕，可滿足6～12人交流，其中所有的交流空間都可以在團隊間共享，實現空間利用的高效配置。

其次是混合化，據調查，目前越來越多的公司都有混合辦公的需求，特別是疫情時代，混合辦公已經逐漸成為一種趨勢。因此模塊化設計里也充分考慮了此部分需求，采用固定工位與非固定工位相結合的模式，另外，由于非固定工位時間使用上的不確定性，將非固定工位設計成空間上的靈活工位，可相互組合成臨時的討論或者會議空間，高效配置辦公資源。

最后是開放化，由于項目定位是科創型公司，因此開放與交流是影響空間的一個重要因素，另外，還要考慮開放中考慮一定的私密性，給員工一定的場所感與歸屬感。在模塊設計中，將每個9m×9m的單元模塊定義為一個團隊的場所，這個場所在開放度上分為三個層級，第一個層級是公共交通空間，用于連接整層的場所，屬于最為開放的公共空間；第二個層級是團隊交流空間，用于團隊間的協作，屬于半公共空間；第三個層級是工位，屬于團隊內部的私密空間，由于有交流空間作為過渡空間，私密性上得到一定的加強。

1.2 會議模塊

會議部分也是辦公類建筑的一個重要組成部分， 尤其對于科技創業型公司來說，交流的時間占了很大的比重，由于辦公模塊里已經設置了4～6人的開放型小型討論空間，因此會議模塊里都為6人以上的私密會議空間。另外，經過以往辦公樓類項目使用情況調研，對于小型的會議空間使用頻率最高，而大型會議使用頻率較少，但卻必不可少，因此在會議模塊設計中，為了最大化的提高空間的使用效率，通過可移動分隔的方式劃分模塊空間，在9×9m模塊中劃分為兩間10人左右的小型會議室，而當需要開大型會議時，可移動分隔以及家具便能調整為一個供20人會議的大型會議室，最大化的提高空間的可適用性。

1.3 公共模塊

隨著遠程辦公的日益普及化，企業需要提升辦公空間的人性化以及舒適性，因此在公共模塊中吸取居家辦公環境的優勢并將其融入辦公空間當中。此部分模塊主要以服務功能為主，圍繞一個多功能吧臺設置可移動的桌位，滿足日常員工的餐飲、休閑需求，同時兩個公共模塊可整合成一個公司內部舉辦活動的一個場所。另外，還包括一個接待展示模塊，主要用于入口前臺的展示。

1.4 特殊模塊

在項目中設置了部分的室外陽臺空間，屬于單元模塊的附加部分，作為模塊功能的延伸以及補充，既能解決室內空氣質量問題，也為員工提供的多樣化的空間選擇。此部分模塊是基本模塊的一個延續，功能上以靈活的適用性功能為主，包括休閑、交流、靈活辦公等功能，同時也是作為建筑藝術性表現的一個附加元素，可以在一定的框架內最大化的實現建筑的美學表達[1]。

基于這四種模塊設置，基本能滿足大部分辦公類功能需求，同時這四種模塊類似于一塊塊積木，可根據具體的使用需求以及規模進行組合,最大化的提高功能的適用性。

2 建造模塊化

一個完整的產品模塊不僅要滿足功能設計的要求，還要具有實現的可能性，要滿足工廠加工、現場安裝等現實條件。而且一個完整的建筑模塊空間不同于一般的工業產品，需要滿足人們的日常生活、工作需求，以及一定的美學需求，因此他是一個多系統的集成模塊，包括結構、室內精裝、機電以及幕墻等部分，而要將這些系統集成到一個模塊當中需要集成技術、加工技術、連接技術、材料技術的綜合應用。

首先是集成技術，箱板鋼結構體系是工廠預加工現在安裝的模式，結合國內的運輸條件工廠加工條件，無法滿足9×9m整體單元模塊的運輸和加工，因此先將模塊拆分成圍壁墻以及樓板兩個部分，一塊完整的圍壁墻板由九大部分組成，外圍壁墻板、加勁肋、防火構造、設備和管線、保溫隔聲構造、橫龍骨、外保溫構造、防水構造以及外飾面板。而加勁樓板也包括八個部分，鋼板、加勁肋、防火構造、隔聲構造、設備及管線、架空地面模塊，吊頂飾面以及龍骨。以上構成了一個基本的單元模塊。

由于涉及的系統繁多，我們利用BIM技術對樓板以及圍壁墻進行集成化設計，將建筑、幕墻、結構、設備、裝修等各系統信息集成到一個BIM模型當中，實現全過程的集成設計、精益制造、精準建造，確定工廠在價值鏈中的核心位置，提升工廠在價值鏈中的地位，將工地作為工廠制造的延伸，實現建筑工業化、智能化的產品設計與加工生產。

第二是組件技術，組件技術與工廠加工技術直接掛鉤，在圍壁墻與樓板兩大系統的基礎上根據工廠加工條件進一步劃分，比如鋼板樓板，單元模塊是9×9m的鋼結構樓板，但是這個尺度不能直接工廠生產，因此結合結構計算、生產模數將整塊樓板劃分為1.5m×3m的更小單元塊，同理應用于圍壁墻板、幕墻、設備等等，將這些系統化整為零，再運到現場進行焊接。

連接技術指的是不同體系的連接，包括幕墻與結構的連接、室內裝飾與基層的連接、吊頂與樓板的連接、設備與樓板的連接等，由于是工廠預先架構，都需要提前在工廠預留好連接條件，以設備管線與樓板的連接為例，需要提前根據橋架位置進行吊架設計，確定吊架位置，在生產鋼板樓板時即提前加工好連接件，同樣的還有室內外裝修構件與結構的連接[2]。

材料技術是指針對材料的特殊性，需要研究鋼結構與防火、防腐、保溫構造一體化集成的產品和技術。首先是結構防火，一般有兩種主流方式，一種是防火涂料噴涂，一種是用防火板包覆蓋，基于這兩種方式的對比，綜合造價使用等各種因素，最終選擇了防火涂料作為主要的鋼結構防火方式，對于一般部位，采用水泥基非膨脹型防火，外有裝飾板作為裝飾層，而對于需要露明的部位，就采用膨脹型防火涂料，可以真實地表達箱板鋼結構的結構特性。

另外，由于是鋼結構材料，所以還要兼顧防腐性能，綜合經濟性以及適用性原則，鋼結構模塊采用以下防腐措施：

表1 鋼結構防腐措施

防腐涂層按弱腐蝕下10～15年設計，并預留檢修口定期檢查維護。

鋼結構表面在涂料前，應徹底除銹。承重構件的表面采用機械除銹，除銹等級不低于Sa2，其他可采用手工除銹，除銹等級不低于St2，并按照《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB/T8923的有關規定進行。構件出廠前，鋼結構表面安裝連接的接觸面，柱子插圖基礎部分和工地兩側50mm范圍內及高強螺栓連接處均涂防銹底漆。

而對于模塊的保溫性能設計，先是鋼板部分，采用A級防火憎水保溫巖棉板保溫層的外保溫模式，既能滿足保溫要求還能兼具防火性能。而透明部分采用斷橋鋁合金low-e中空玻璃窗或玻璃幕墻，中間為空氣層，滿足當地節能要求。

3 BIM協同設計

在建筑工程設計領域，協同設計主要有兩種方式，二維協同設計及BIM三維協同設計。二維協同設計基于二維CAD工程圖紙的傳統設計方法中已經有所應用，它是以傳統CAD計算機輔助繪圖軟件的外部參照功能為基礎的文件級協同，是一種文件定期更新的階段性協同模式。而BIM協同設計指的是各專業設計師在BIM軟件平臺下，用同一套標準來完成同一個設計項目，在整個設計過程中，各專業實時的進行設計，并融合設計手段本身（設計協調、組織和管理手段），基于三維信息模型的及時準確的信息協作模式，即基于“BIM協同化設計”。專業內各設計師甚至專業間各設計師的設計數據成果可以實時更新，以此實現高效的BIM協同設計。

另外，模塊產品的實現與傳統的建筑建造不同，傳統的建筑建造可以在施工過程中解決很多問題，但模塊產品的生產模式因為是在工廠預制加工，因此需要在設計階段消化掉所有生產建造問題，BIM三維技術就為這種模式提供了諸多便利，一是三維模型可以更直觀地發現問題；二是各專業集成在一個模型中便于各專業進行實時碰撞檢查，運用三維手段建立建筑及管線設備模型，利用計算機在模擬真實空間內對各系統進行預裝配模擬，能夠直觀的調整、細化、優化、合理管線走向及設備排布，從而達到模擬可視化、優化設計和縮短工期、提高項目質量的目的[3]。

4 經驗總結

隨著數字化和共享經濟的快速發展，催生了新的生活方式和工作方式，生活和工作的界限變得越來越模糊，形成了工作環境生活化和工作時間碎片化的趨勢。當下的辦公空間結構和形式不利于空間資源的靈活配置，而使用者對空間功能的靈活性和多樣性提出了更多的需求。模塊化設計是被當下廣泛應用和接受的一種設計方法，其具有靈活拆分與組合的特點，本項目將模塊化設計方法引入到辦公空間設計之中，試圖探索空間結構與功能的可變性，探尋適應當下和未來辦公需求的空間設計形式。從模塊化設計方法探討著手，基于辦公共享性、開放性、便捷性的特點，探討如何利用模塊化設計放大其整合多種要素和調配閑置資源的優勢，以期通過模塊化設計創造出具有可變性的空間結構，調配空間資源，滿足用戶與企業的需求。但由于箱板式結構體系是一種新型的結構體系，在民用建筑中運較少，很多做法要在項目過程中摸索，比如鋼結構防火、防腐等措施，幕墻與箱板結構的結合等問題，都需要設計師做進一步的探索。