新西蘭鋼結構模塊化公寓設計及案例解析

李任戈 喬永強 李志禹 溫慶年

中建科工集團有限公司 廣東 深圳 518040

鋼結構模塊化建筑是一種新興的建筑結構體系，具有較高的裝配化與預制化程度，同建筑行業的工業化及綠色發展要求相符。傳統的建筑業施工周期長、能耗大、建筑垃圾較多，有待改革，建筑工業化發展勢在必行。當前，工業化建筑主要有預制混凝體結構、鋼結構等結構形式，其中，鋼結構體系抗震性能良好，材料循環使用率較高，且空間布置靈活，其應用范圍正在不斷拓展[1-2]。比起傳統的建造方式，鋼結構模塊化建筑有著建造速度快、質量好、綠色環保等優勢。本文簡述鋼結構住宅與模塊化設計的基本概述，探討鋼結構住宅中模塊化設計的具體應用思路，以期為鋼結構模塊化住宅的設計提供一定的參考，進一步提升鋼結構模塊化住宅的大眾認可度。

1 模塊化設計的基本概述

1.1 模塊化設計的概念

模塊化設計是一種著眼于建筑系統整體，對功能進行分解和組合、由總而細且自上而下的設計。模塊化設計能夠借助一系列的標準化設計，讓建筑系統整體變得更為靈活、有序，有助于提高住宅品質[3-4]。裝配式住宅有著漫長的發展歷史，形成SAR體系、中國百年住宅體系等多種住宅體系，這些住宅體系中都蘊含著明顯的模塊化思想。例如，中國百年住宅體系是一種將全生命周期理念為基礎，以建造可持續居住的人居環境為目標的一套住宅體系。該住宅體系能夠有效提高住宅的整體價值，可推動建設產業化、綠色低碳化、建筑長壽化的實現。建設產業化的核心在于發展裝配式住宅，利用科學的管理與系統的設計來落實，想要實現該目標，需始終堅持貫徹落實模塊化思想[5]。建筑的長壽性受許多因素影響，需注重提高主體耐久性，內裝會因人們的需求轉變、時間推移等原因而發生變化，想要提升主體耐久性應積極研究住宅單一部品，從而提高部品性能，發揮出部品的可替代性，完成住宅的靈活多變。針對通用化部品，相關人員也可通過模塊化手法對其進行拆分研究，以便實現使用目標。

1.2 模塊化建筑思想解析

20世紀50年代，歐美發達國家提出模塊化設計這一產品設計方法，該方法能夠有效緩解產品需求多樣化、成本控制及批量生產速度間的矛盾。隨著時間的推移，模塊化設計逐漸朝著方法論的方向發展，并對建筑、經濟等領域形成了一定的影響[6,7]。人們普遍認為，模塊化是一個把復雜系統拆分為獨立運行的子系統的一個過程，在遵守共同規則的前提下，各個模塊能夠獨立設計。我國的專家學者童時則認為：模塊化是一種思維，通過對系統的特征、規律進行分析，采用分析和綜合、歸納和演繹、抽象和具體等邏輯方法，使其標準化、規范化、有序化。模塊化設計有著廣闊的發展前景，現代社會為追求標準與效率，越發注重標準化建造與工業化生產，模塊化設計時常被用于建筑行業。模塊化建筑設計的重點在于通過標準的建筑模塊單元，借助多元化的組合方式滿足各類使用需求。模塊化設計有著彈性可拓性、功能靈活性的特點，能夠適應建筑設計本質，符合建筑應變發展潮流。對于建筑，模塊化設計能夠從功能、結構、空間等屬性方面對其實施層級化分類，利用特定的組合方式組建為一個有機成體，通過組合不同的模塊完成建筑系統的進化和升級，可有效增強建筑的環境屬性及功能屬性，具有重要意義。

2 模塊化建筑與傳統建筑的區別

隨著經濟結構的轉型，高消耗、低效率、高污染的傳統粗放式建造模式正在朝著建筑產業化的方向發展[8-9]。模塊化建筑具有明顯的節能環保特征，是建筑產業化進程中的重要載體。按照結構體系，模塊化建筑可被劃分為全模塊化建筑和復合結構模塊化建筑。其中，全模塊化建筑全部是由模塊單元組合而成，復合結構模塊建筑是模塊單元同其他結構形式復合而成。模塊化建筑所具有的優勢大致可歸納為以下三點：其一，速度快。模塊化建筑從設計到施工開展多線程作業，能夠極大程度縮短項目周期。比起傳統的從設計到施工的單線程流程，模塊化建筑的施工效率明顯更高。更快的施工效率意味著更短的資金周期與更為快速的項目回報，故而模塊化建筑十分適合高周轉的項目。其二，質量好。模塊化建筑的整體建筑均由集成化的模塊單元構成，所有模塊的結構、設備管線等均于工廠中進行預制，能夠進行更為精細化的施工，投資者可通過有效的投入獲取性能更高的模塊單元。其三，綠色環保。比起傳統建筑，模塊化建筑在運輸、材料循環使用等方面都更為環保。

當前，模塊化建筑在技術層面已然非常接近傳統混凝土住宅，但建造成本相對更高。但相關人員在評價模塊化建筑的經濟性時不應當僅僅考慮建造成本，可從全生命周期角度考量，模塊化建筑在建筑材料回收利用等方面有著十分明顯的價格優勢。現如今，模塊化建筑未能得到大規模的普及，分析其原因，除技術原因外，還在于公眾對于模塊化建筑的認知程度較低，模塊化建筑受到的社會認可較低。當前，模塊化建筑也存在一些不足。模塊化建筑由模塊單元組合而成，若是單一模塊的細節處理較為粗糙，將會影響到建筑的質量。比如，如果發生內外梁柱裸露的現象，既影響內裝與人們的視覺生理感受，又干擾到室內空間的使用率。又比如，若是在拼裝的過程中發生接縫處理不夠到位、管線布置較為隨意等情況，同樣會形成不良影響。此種現象出現的原因在于許多模塊化建筑項目尚處于前期摸索階段，需要積累經驗，相關人員應當積極開展標準化設計、建筑模塊等方面的相關研究，使得模塊化建筑的設計方法變得更為多元化。模塊化建筑的發展體現了工業化住宅技術正在向著更為精細化與完善的方向前進與發展，相關人員需在掌握結構與構造后對細節部分進行更為縝密細致的處理，積極探索模塊化建筑的設計方案，促使模塊化設計理念不斷進步，模塊化建筑不斷發展，以推動建筑行業的變革步伐。

3 模塊化設計在鋼結構住宅中的具體應用

3.1 靈活的大空間技術

傳統的住宅存在戶內剪力墻，管井管線設施直接入戶，加大了改造與維修的難度，想要進行二次裝修也面臨著較大的困難，無法因人們的需求變化而及時做出應變，難以實現建筑的長壽化[10]。鋼結構可有效避免上述弊端，整個建筑的構成采用模塊化設計方法，由套型模塊與公共交通模塊組成住棟單元，相關人員可按照市場的需求變化來選擇套型的組合[11]。鋼結構住宅將管井管線等設施集中設計于公共空間內，便于出現問題時能夠及時進行管理維修。在鋼結構住宅的套型模塊中，除衛浴、廚房等獨立模塊，其余空間運用輕鋼龍骨隔墻，或是從使用功能的角度出發，或是由住戶家庭結構出發進行分割，可有效保證分割的靈活性。

3.2 整體廚衛

在鋼結構住宅的戶型設計中，廚衛既是不可或缺的功能區，也是管線集中的重點區域，具有位置固定、使用頻率高等特點。因廚衛區域的空間設計關系到上下水與排污，常常會進行降板處理，布置著較為密集的管線，優先選取靠近入口處的位置，方便使用公共管井，也可同生活區進行結合，借助生活陽臺進行管線檢修[12-13]。除此之外，廚衛規格應當盡可能統一，以便于內裝工業化建造的實現。對廚衛開展模塊化處理，能夠有效解決部分細節處理粗糙的不足之處，提升住戶的居住品質，有利于提高住戶的生活質量。

3.3 模數協調的應用

模數是模塊化策略的落實基礎，貫徹于建筑設計始終。裝配式鋼結構住宅運用了模數協調技術和標準模塊系統，能夠組合由80m2至160m2的各類住宅建筑的立面與平面，通常選取以M為基本模數，1M為300mm。于水平擴大模數數列方面選取1/2M、1M、2M、4M、5M與10M，運用范圍包括開間、進深；門窗、洞口等。于豎向擴大模數數列方面選取1M、1/2M、1/3M，運用范圍包括層高、洞口與門窗。于節點構造與構配件截面方面選取1/30M。在建立模數數列后，只需生產基本模塊形成所需的部分異形板與標準版，便可滿足不同類型的居住要求，進而發展成標準化設計，并可成為工廠化生產的重要基礎。

4 項目概況

本文以新西蘭當地開發企業Dialog Fitzroy Limited推進模塊化住宅項目Dixon Street為例，分析新西蘭地區鋼結構模塊化公寓的設計要點。該項目是基于裝配式理念專門研發的模塊化產品，嚴格遵守當地的建筑規范和抗震設計要求，其研發目的在于期望通過現代建筑方法來實現開發高質量的經濟適用房和公寓，比傳統建筑更快、更高效的交付。104 Dixon Street是Dialog Fitzroy Limited模塊化住宅的首個項目，位于新西蘭首都惠靈頓，地塊購置于2018年，該項目計劃開發46個1居室公寓和臨街一層的商業單元組，綜合公寓將以開發商名義出售給投資者和首次購房者。

5 新西蘭鋼結構模塊化公寓的設計方案

5.1 模塊化總體布局

104 Dixon Street項目由兩棟樓組成，臨街為4層樓體，內側為8層樓體。臨街地面層為商業模塊和休閑模塊，2-4層為公寓模塊，每層設有2個帶陽臺的住宿單元。內側一棟均為公寓模塊，每層設有5個住宿單元。商業模塊靠近休閑模塊，公寓模塊占比最重，各功能模塊既具有關聯性，又具有相對獨立性，最終形成了完整且合理的住宅體系。臨街地面層最接近道路，易被噪音干擾，不適合設計為公寓模塊，但作為商業模塊與休閑模塊具有明顯的優勢。該公寓的設計方案以模塊化布局適應用地條件，建筑群體內外暢通，模塊組合錯落有致，空間結構虛實相間，有效保證了建筑的通風與采光的優越性。在104 Dixon Street項目中，公寓模塊是設計方案的基礎與重點，每層設有帶陽臺的住宿單元，保證公寓內能夠擁有良好的通風采光條件。

5.2 模塊化功能組織

104 Dixon Street項目住宿單元由兩個箱體拼接組成，單個箱體尺寸（長*寬*高）：8000*3250*3145mm。左側箱體為廚房客廳間，右側箱體為住宿間，如下圖所示。該公寓的居住單元模塊采用比較成熟的平面布置形式，對模塊種類進行檢查，同時將管道集中設置于兩個模塊的相鄰部位，有利于共用。該公寓的單元空間標準化程度較高，有著很強的可復制性，同模塊化建筑的基本要素特征相符[14]。每一個箱體都能夠在工廠中進行精細化預制，而后拼接為一個住宿單元。該公寓建筑屬于鋼結構住宅，不被室內空間柱梁體系所限制，空間布局靈活性較高。混凝土公寓被戶內剪力墻所影響，通常而言無法改變戶型，但本項目的公寓內并無承重剪力墻體，居住者能夠自行確定內部空間的分隔，隔墻所運用的輕質隔板想要拆卸也較為方便，無需耗費大量的時間與精力。

圖1 104 Dixon Street項目住宿單元示意圖

6 結語

鋼結構住宅的設計需要模塊化的設計思想，此類住宅借助對單元式標準模塊的設計、制造與組裝，完成住宅建設的標準化設計、生產與施工，填充體和結構體的分離。將單元模塊當作基礎，利用基本模塊的組合形成住戶單元，進而組合為單棟建筑完成預制裝配式住宅。多元化的單元組合方式能夠形成個性化的功能分區，且模塊化的分割方式可有效適應不同業主的實際需求，還可為匹配建筑內裝提供便利。模塊化設計對于鋼結構住宅的空間靈活布局與標準化生產有著十分重要的意義。鋼結構模塊化建筑具有工期短、綠色環保、質量優良等優點，應用前景廣闊。