“結(jié)構(gòu)單元”成就“空間單元”
——裝配式混合結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造高層住宅套型的可變性

李少鋒 丁茂華

闡述“空間單元=結(jié)構(gòu)單元”概念，基于我國高層住宅建筑結(jié)構(gòu)和套型設(shè)計現(xiàn)狀，分析鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、裝配式混合結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合具體案例，采用裝配式混合結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)高層住宅套型在生命周期內(nèi)的可變性。

高層住宅；住宅套型；可變性；裝配式；混合結(jié)構(gòu)

1 “空間單元=結(jié)構(gòu)單元”概念

“空間單元=結(jié)構(gòu)單元”是20世紀(jì)美國著名建筑師路易斯·康在早期代表作耶魯大學(xué)藝術(shù)館中，開始展現(xiàn)并逐步走向成熟的空間設(shè)計概念。在隨后一系列作品中，路易斯·康將柱和承重墻等構(gòu)件從空間中整合并分離出來形成“結(jié)構(gòu)單元”。該單元既發(fā)揮了結(jié)構(gòu)作用，又起到劃分建筑空間的作用。除“結(jié)構(gòu)單元”外的單元均為“空間單元”，“空間單元”里不再有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，故得到完整自由的建筑空間。在此基礎(chǔ)上，路易斯·康將樓梯、衛(wèi)生間等輔助功能及設(shè)備管線整合至“結(jié)構(gòu)單元”中，所有為建筑空間服務(wù)的內(nèi)容均可被整合至“結(jié)構(gòu)單元”中以保證“空間單元”中空間的純凈、自由和完整。由“結(jié)構(gòu)單元”容納服務(wù)功能形成服務(wù)空間，將被服務(wù)的“空間單元”解放形成被服務(wù)空間，即“服務(wù)空間與被服務(wù)空間”設(shè)計理論。在該理論走向成熟階段，路易斯·康開始追求“空間單元”的統(tǒng)一，即以“結(jié)構(gòu)單元”（服務(wù)空間）為中心，圍繞其布局“空間單元”（被服務(wù)空間），形成整體。

2 我國高層住宅建筑結(jié)構(gòu)和套型設(shè)計現(xiàn)狀

1）住宅市場 隨著生活水平不斷提高，人們對于住房的需求已逐步從“有沒有”轉(zhuǎn)向“好不好”，居住條件與空間品質(zhì)成為房屋的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。其中，居住者對住宅空間布局多樣化、可變性的需求與日俱增，該需求與大部分建成后就已基本固定的具體套型之間的矛盾日益凸顯。

2）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 2012年5月18日，中國房地產(chǎn)業(yè)協(xié)會和日本日中建筑住宅產(chǎn)業(yè)協(xié)會共同簽署了《中日住宅示范項目建設(shè)合作意向書》，提出以建筑產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)方式建設(shè)“中國百年住宅”新型產(chǎn)品，其具有長壽化、高品質(zhì)、低能耗特點，并委托設(shè)計單位進行技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定。“百年住宅”對長壽化提出了除物理壽命外的適應(yīng)性層面的壽命延長要求，考慮建筑的使用功能是否能在住宅主體結(jié)構(gòu)不變的前提下滿足多樣化家庭結(jié)構(gòu)與生活方式的需求，套型空間是否具有靈活可變性，并提出了新的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

以“空間單元=結(jié)構(gòu)單元”概念指導(dǎo)建筑設(shè)計，實現(xiàn)高層住宅套型在生命周期內(nèi)的可變性，梳理整合并分離套型中的“結(jié)構(gòu)單元”，將套型中必要的服務(wù)功能部分（包括豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件、永久性圍護結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線等）裝配安置在此類單元中，因其相對固定不可變，故在套型中占用面積較小。同時，留出空白且占套型較大面積和尺寸的“空間單元”作為套型中相對自由完整的大空間，其內(nèi)部無柱無墻且無豎向管線設(shè)備。圍繞自由完整的“空間單元”布局“結(jié)構(gòu)單元”，可根據(jù)不同住戶的需求通過裝修改變布局得到不同的套型空間；根據(jù)相同住戶在不同階段的需求變化，通過二次裝修改造套型空間，裝配重組并升級設(shè)備，進而實現(xiàn)住宅套型在生命周期內(nèi)的可變性。

3 我國高層住宅建筑結(jié)構(gòu)

3.1 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系因具有較好的耐久性、適宜的造價及成熟的技術(shù)，成為近年來高層住宅最普遍采用的建筑結(jié)構(gòu)形式。同時其空間靈活性較差、工業(yè)化程度較低、施工周期較長等缺點愈發(fā)明顯，特別是鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件導(dǎo)致套型格局難以被打破。在節(jié)能降耗方面，混凝土無法滿足目前“雙碳”的時代要求，應(yīng)減少利用砂石等不可再生資源，而混凝土形成的建筑垃圾也極難處理，應(yīng)有計劃地降低其在建筑結(jié)構(gòu)中的使用，尋找替代方案。

3.2 鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)

由鋼構(gòu)件或組合構(gòu)件與鋼筋混凝土構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu)體系被稱為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系，為近年來在我國快速發(fā)展起來的高層建筑結(jié)構(gòu)體系，包括鋼框架-混凝土剪力墻（芯筒）、鋼筋混凝土筒體-鋼梁、組合框架-支撐等結(jié)構(gòu)體系。混合結(jié)構(gòu)通過不同材料構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的混合使用，最大化發(fā)揮混凝土材料抗壓性能優(yōu)良、剛度大、成本低廉、鋼型材重量輕、施工速度快、抗拉強度高等優(yōu)點。此種混合結(jié)構(gòu)相較全鋼結(jié)構(gòu)具有節(jié)省型鋼與節(jié)點用料、簡化防火處理、降低施工難度和工程造價等優(yōu)點，相較混凝土結(jié)構(gòu)具有減輕結(jié)構(gòu)自重、降低基礎(chǔ)造價、施工速度快和減少現(xiàn)場濕作業(yè)等優(yōu)點。

3.3 裝配式混合結(jié)構(gòu)

鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部列為推廣應(yīng)用新技術(shù)，近年來在我國高層、超高層公共建筑領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用，在住宅建筑中應(yīng)用較少。基于結(jié)構(gòu)特性，裝配式混合結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)化集成設(shè)計既具有上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又可實現(xiàn)高層住宅套型的可變性。

4 實現(xiàn)套型可變性的具體措施

在混合結(jié)構(gòu)高層住宅建筑體系的平面布局中，柱網(wǎng)布置宜以住宅單元或套型為單位實現(xiàn)模塊化，以臥室、起居室最小開間尺寸為模數(shù)確定總開間尺寸，廚衛(wèi)結(jié)合管線一體化集成設(shè)計。同時要考慮承重骨架、樓屋蓋、圍護結(jié)構(gòu)及設(shè)備管線的優(yōu)化選型，適應(yīng)住宅個性化、多樣化和可變性等需要。采用鋼-混凝土組合框架-約束屈曲支撐（BRB）結(jié)構(gòu)體系，即由鋼管混凝土柱+H型/箱型鋼梁+約束屈曲支撐（BRB）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。鋼管混凝土柱采用方形（矩形）截面有利于“結(jié)構(gòu)單元”的集成，約束屈曲支撐（BRB）可布置于“服務(wù)空間”（包括衛(wèi)生間、廚房間、樓梯間、電梯間等）的隔墻及分戶墻中，作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件。

為提高得房率并獲得靈活的室內(nèi)空間，可采用7～9m大開間，在減少框架柱的同時，將框架柱和約束屈曲支撐（BRB）結(jié)合，對機電管井進行封閉，避免室內(nèi)露梁露柱。將框架柱向室外凸出布置，結(jié)合建筑立面適當(dāng)處理可有效避免室內(nèi)露柱。預(yù)應(yīng)力疊合樓板適用于7～9m跨度，且經(jīng)濟性較好。樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板組合樓板、鋼筋桁架樓承板等形式，起到承擔(dān)豎向荷載、傳遞水平荷載的作用，且滿足隔聲性能及在樓板集成布置管線的要求。

采用焊釘?shù)燃袅盒弯摪搴弯摿哼M行連接，在澆注混凝土?xí)r用作模板，混凝土成型后可參與受力，極大方便了施工，節(jié)省了工期，宜在裝配化施工的鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)中使用，因其整體性能好，還可在高層鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)住宅中使用。此外，在相同梁格布置條件下，總厚度與現(xiàn)澆混凝土樓板相當(dāng)，但混凝土的平均厚度約為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的80%，樓板自重較輕，減輕了主體結(jié)構(gòu)豎向荷載和地震反應(yīng)。開口型壓型鋼板相較閉口型壓型鋼板用鋼量少，但閉口型壓型鋼板形式更便于進行住宅內(nèi)部的吊頂裝修。

豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件與“服務(wù)空間”的功能緊密結(jié)合，并將該空間中的管線設(shè)備進行模塊化集成，形成“結(jié)構(gòu)單元”。大跨度的柱網(wǎng)、裝配式樓板及向室外凸出的鋼架柱均保證了“空間單元”內(nèi)空間的完整性。在此種套型中，除相對固定的“結(jié)構(gòu)單元”外，其他“空間單元”內(nèi)的大空間可采用輕質(zhì)隔墻靈活劃分各功能房間，通過對填充體的靈活調(diào)整，得出房間數(shù)量不同的多種套型，以適應(yīng)不同家庭及同一家庭的不同階段對內(nèi)部空間的需求，實現(xiàn)住宅套型在生命周期內(nèi)的可變性。以某裝配式混合結(jié)構(gòu)高層住宅為例，共包括3種套型：①1對夫妻與父母同住；②1對夫妻與父母及2名子女同住；③既滿足居住功能又滿足居家辦公需求（見圖1～4）。

1 A套型（圖片來源：劉一帆）

2 B套型（圖片來源：劉一帆）

3 C套型（圖片來源：劉一帆）

4 結(jié)構(gòu)平面（圖片來源：劉一帆）

套型內(nèi)各部品部件因使用頻率、自身材料不同，耐久年限也各不相同。裝配式混合結(jié)構(gòu)住宅采用管線分離的方式，將管線集成在“結(jié)構(gòu)單元”中，通過設(shè)置檢修口和清潔口對管線進行日常維護、增加使用壽命，維修更新不會對建筑結(jié)構(gòu)造成影響甚至破壞，進而使維修費用降低，改造更為便捷，可做到隨壞隨修，隨改隨換，且增建改建難度降低，整體適應(yīng)性更強。

5 綠色環(huán)保

相較傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配式混合結(jié)構(gòu)住宅生命周期結(jié)束時構(gòu)件的回收率具有明顯優(yōu)勢。通用化體系下預(yù)制通用部件部品的適用范圍得到極大擴展，集中回收經(jīng)由專業(yè)廠家處理后的部件部品可快捷、經(jīng)濟地投入下一輪建設(shè)。將部件部品的生命周期與建筑生命周期分離，客觀上延長了部件部品的使用壽命，有利于實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”的發(fā)展目標(biāo)。

6 結(jié)語

以“空間單元=結(jié)構(gòu)單元”概念指導(dǎo)建筑設(shè)計，基于我國高層住宅建筑結(jié)構(gòu)和套型設(shè)計現(xiàn)狀，分析鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、裝配式混合結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合具體案例，采用裝配式混合結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)高層住宅套型在生命周期內(nèi)的可變性。