裝配式模塊化集成房屋在嚴寒寒冷地區設計研究

郭 震，張志喜

（甘肅省科工建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

現階段，集成房屋作為裝配式建筑中工業化、產業化程度最高的一種結構形式，得到了迅速的發展和應用，其不但延續了裝配式建筑設計模數化、工廠生產化、施工裝配化等優點，而且在此基礎上充分體現“集成”的綜合化、一體化理念，即將房屋各個組成部分有機的整合為一體，從而實現 1+1＞2 的整體效果［1］。

由于集成房屋設計、建造理念的不同，我國集成房屋的應用主要在臨時性建筑、城市辦公、民用安置、旅游區休閑別墅、度假屋、公共衛生間、隔離病房等臨時性用房。近年來，集成房屋如何能夠更好地在高海拔嚴寒寒冷地區大批量的使用成為研究熱點，在對國內外集成房屋研究現狀進行總結的基礎上，本文提出了一種適用于嚴寒寒冷地區的裝配式模塊化應急房屋整體解決方案，為模塊化集成房屋在極端環境下的應用提供借鑒。

1 模塊化集成房屋的概述及發展現狀

在房屋建筑領域中“集成”的概念來源于自動化領域，集成并不只是簡單的集合，通過系統的集成，將關聯度較低的各個子系統進行有機組合，形成各個部分相互協調、效能整體提高的新系統，因此，一個成功的集成并不是盲目的做加法，而是將最終的系統提高一個層次。裝配式模塊化集成房屋作為集成后的最終產品，是住宅工業化、專業化、社會協作化的產物，它集成了先進的生產方式、生產材料、設計方案、施工方法，為我們創造了一種全新建造理念和居住模式［2］。

目前，隨著裝配式模塊化集成房屋在我國的一些應急工程中的大量應用，這種建造速度快，安拆方便、舒適環保的房屋越來越受到人們的關注，如 2003 年非典時期的小湯山醫院、2008 年汶川地震安置房以及 2020 年舉世矚目的雷神山、火神山醫院等。隨著我國經濟社會的不斷發展，裝配式模塊化房屋將具有廣闊的發展空間［3］。

1.1 國外發展現狀

歐美、日本等國家由于戰后住房問題突出，20 世紀60、70 年代開始研發輕鋼模塊房，主要用于臨時性過度房屋使用，隨著技術的不斷發展，模塊化房屋各組成系統逐漸完善和成熟。隨著臨時性房屋市場的飽和，各公司推出了模塊房屋租賃的經營模式，其中典型代表為 Algeco 公司，作為歐洲最大的模塊化房屋生產企業，每年售出和租賃模塊房屋數量為 30 萬個左右。現階段，箱式集成房屋主要應用于城市建設、應急設施、臨時居住建筑、商業建筑等領域。與國內不同的是，歐洲模塊化集成房屋用于工程施工臨時性使用僅占到總數的 30 %，更多被應用于民用住宅、學校和商業建筑。

同樣，美國在集成房屋的發展也逐步成熟，日趨完善，進入 21 世紀，美國主要推廣在郊區采用低層木結構形式，推出標準戶型和個性化需求設計服務，受到了美國民眾普遍的青睞，但由于木材的大量消耗，造成了嚴重的環境問題，美國的工程設計師們又著力研發出鋼結構集成房屋和模塊化裝配式房屋，這兩種結構形式的使用率正在逐年提高，據統計，美國每 16 個人中就有 1 人居住模塊化集成房屋，集成技術體系不斷發展成熟，極大地提高了住宅質量和舒適度。

1.2 國內發展現狀

我國建筑行業工業化推廣較為緩慢，20 世紀末由國內多家大型企業發起成立了住宅產業集團聯盟，雖然取得了些成績，但生產效率和科技水平依舊較低。近年來，我國經濟發展高速穩定，近兩年建設行業經濟增長有所放緩，但整個國內建筑市場依舊活躍，且體量巨大。2000 年以前國內市場主要采用 K 型房屋作為主要的臨時性房屋建筑，通過科技研發和技術進步逐步形成了輕鋼集成模塊房屋建筑，但由于當時社會經濟條件和市場規模等原因應用數量較少。從 2013 年開始，包括中建集團在內的一大批大型建筑集團企業開始大批量地生產應用箱式集成房屋，市場規模逐漸擴大，且廣泛應用于其他各領域，例如從 2020 年開始大肆蔓延的新冠病毒，模塊化集成房屋以其施工安拆速度快，功能集成度高，大量應用于臨時應急處置用房當中。目前，我國模塊化集成房屋在工程建設領域的使用量可以達到總數的 80 % 左右，模塊化集成房屋在其他領域的批量使用也在不斷地嘗試和探索。

2 裝配式模塊化集成房屋的特點及存在問題

裝配式模塊化集成房屋采用模塊化的設計理念和生產方式，將單元模塊箱房拆解成若干零部件，如頂框、底框、角柱、頂板、底板、墻板等，運至現場后組裝成箱房單元，再通過吊裝拼接成為建筑整體，如圖1所示。鋼框架結構具有梁、柱、板等構件易于標準化、定型化生產的優點，便于結構的整體裝配，為工廠化生產制作提供了有利的條件。

圖1 裝配式集成房屋部件拆分

裝配式模塊化集成房屋具有以下特點。

1）標準制造。裝配式模塊化集成房屋采用“搭積木”的建造方式，即部品部件均采用模塊化設計、標準化生產，運至現場組裝或吊裝落位即可，建造方式的巨大變革為鄉村、城鎮的發展提供了新的思路和契機，助力我國工業化、智能化發展。

2）拆運方便。裝配式模塊化集成房屋采用全干式連接，并且由于結構特性，通常為單層或多層，建設周期短，安裝速度快。國外發達地區家用的集裝箱房，一般在工廠就已經將房屋的各類設施預制完成，運送至指定位置，吊運落位后即可投入使用，也可根據甲方實際需求，靈活組裝、拼接使用單元（見圖1）；待房屋需要轉移至其他地點時，只需將模塊單元拆解成標準構件，裝車運送到指定地點安裝即可。

3）節能環保。裝配式模塊化集成房屋的建設較比相同面積的傳統房屋，可節省一定的鋼材、混凝土和木材的消耗，并且建造過程全程工廠化，對大氣環境的污染較小，單個箱房可減少二氧化碳排放 3.49 t［4，5］，大力發展裝配式模塊化集成房屋與國家倡導的低碳環保發展政策不謀而合。

隨著我國模塊化集成房屋工業化生產技術的快速發展，工業生產能力與市場消費能力還不能有效地匹配，箱式房屋即將迎來產能過剩時代。但我國對于集成模塊化房屋的技術標準較為缺乏，市場監管機制還不夠完善，導致集成模塊化房屋行業門檻、技術門檻和生產門檻相對較低，大量小工廠涌現，造成市場上產品良莠不齊，大量產品質量達不到實際使用要求，同時存在著安全方面的隱患。

3 集成房屋在嚴寒寒冷地區的設計應用

目前，裝配式模塊化集成房屋在高海拔嚴寒地區的應用已然成為此領域的下一個研究開發熱點，由于高海拔嚴寒地區溫度極低，氣候復雜、空氣稀薄、晝夜溫差大等特點，集成房屋的拆卸、移動方便、功能集成、節能環保的優點可最大程度地發揮，以滿足各類正常生活條件，如住宿、衛浴、電力、熱源、飲食、垃圾處理等，設計思路如圖2 所示。

圖2 本解決方法總體設計思路

3.1 房屋布局

利用裝配式模塊化集成房屋多接口、可定制的特點，與已有模塊或新建模塊進行連接組合，實現多功能的集成。標準模塊單排布置；多功能室及衛生間設置在兩端，起到一定的保溫隔熱作用；盥洗室相鄰衛生間設置，方便水源連接供給；宿舍外部設置玻璃走廊，起到保溫隔熱作用，同時可有效避免開關門的熱損失，玻璃暖廊設置門 M3，平時關閉，用于緊急疏散，整體場地布置如圖3 所示。熱源則單獨設置，與單排布置的集成房屋隔開一段的距離，防止火災的發生。

圖3 整體場地布置圖

高寒、高海拔地區所使用的應急房屋整體布置坐北朝南，實現全天最大采光時間，發電機組及垃圾間與生活區保持一定的距離，避免噪聲和垃圾對生活區的影響，便于發電機組定期維護和保養，同時，集中垃圾處理間的設置，大大增加了場地垃圾處理能力，有助于居住環境的整潔衛生。應急房屋內可布置 6 張附墻式床位（3 層或 2 層），床具通過現場組裝，固定在墻柱上，安拆方便，節省空間，桌子、座椅等可采用折疊式家具，方便收納；多功能活動室內可安裝電視或投影，便于黨建活動或其他活動安排；衛生間采用干濕分離型蹲便器，通過固液分離器在源頭將大小便進行分離，并經加熱烘干，使糞便變為水蒸氣和少量固體粉末，只需專人定期清理烘干殘渣，衛生環保、易于管理。

3.2 運輸方式

裝配式模塊化集成房屋可拆分為部品部件，通過打包箱和集運箱進行運輸。集成打包箱由箱底、箱頂、立柱、擋板組成，集成模塊化房屋的其他構件如墻板、門窗、輔料等存放于形成的空間內。集運箱是由多個打包箱盒子組成，尺寸規格需符合相關運輸要求，一般來說由 3 個或 4 個打包箱盒組合成為一個集運箱，相鄰兩個打包箱盒要連接可靠，滿足整體吊運安全性要求，支持陸運、海運乃至空運，適用于運輸數量大，距離遠，施工場地復雜的工程。集成模塊化房屋也可整體運輸，適用于工期緊，運輸距離近，模塊化集成房屋需求量少的情況。

3.3 電源、熱源

1）電源。電源可采用燃油電車或太陽能板，亦可使用現場已有電源與相應模塊接入。表1 為不同型號燃油電車的功率，按照額定功率 300 kW 計算，油耗率為 210 g/kWh，供電 8 h 油耗為 504 kg/d。5～8 t 柴油運輸車可滿足應急房屋 10 d 的用電需求。

表1 不同型號燃油電車的功率

太陽能光伏板 1 kW 組件（10 m2）有效日照 6 h，不考慮損耗，1 d 發 6 度電；單體屋頂可排布兩組組件，發電量約為 12 度；配置控制器，逆變器及蓄電池組，可滿足應急房屋日常用電需求。

2）熱源。熱源采用清潔熱源站，采用電力驅動壓縮機，使 CO2制冷劑從空氣中取熱，一度電產生三度電的熱量，用熱水循環加熱的方式供暖，清潔無污染。適用于場地固定、現場電力充足的高寒、高海拔地區。單個清潔熱源模塊電力負荷不超過 25 kW，可解決 20 個 18 m2的應急房屋供暖，熱水系統循環，供熱舒適度高，最高出水溫度可達 75 ℃。

4 結語

本文通過對裝配式模塊化集成房屋的特點和發展現狀進行研究分析，提出了一種適用于嚴寒寒冷地區的模塊化集成應急房屋整體解決方案，通過研究分析，從房屋布局、運輸方式、電源和熱源等方面給出建議，得出以下結論。

1）裝配式模塊化集成房屋采用全干式連接，并且由于結構特性，通常為單層或多層，建設周期短，安裝速度快。

2）裝配式模塊化集成房屋對大氣環境的污染較小，可大大減少二氧化碳排放，節能環保。

3）應急房屋應單排或雙排布置，可設置玻璃暖廊，增加采光和保溫性能；發電機組和垃圾間應與生活區需保持一定的距離，避免噪聲和垃圾對生活區的影響。

4）應急房屋室內應采用附墻式床位和可折疊式桌椅，可大大節省室內空間并方便搬運；衛生間內應采用干濕分離性蹲便器，衛生環保、方便管理。Q