英國模塊化建筑中的工藝分析

■ 忻劍春 Xin Jianchun 劉群星 Liu Qunxing紀振鵬 Ji Zhenpeng

0 引言

在英國，模塊化建筑是住宅產(chǎn)業(yè)化的主要模式，模塊化建造的建筑在住宅樓宇、衛(wèi)生和教育用建筑中已經(jīng)占有了相當大的市場份額，例如：酒店、學生宿舍、軍事住宿和社會住房。模塊化結(jié)構(gòu)，是以房間大小為單位的預制建筑體，在建筑現(xiàn)場通常用“搭積木”的方式完整地拼裝、組合起來。模塊化施工速度快，環(huán)境污染小，工藝優(yōu)秀，成本易控制，在國家的可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位[1]。

模塊化建筑的通用結(jié)構(gòu)形式包括：承重墻式模塊和角支撐式模塊。它們有著完全不同的建造技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域。模塊化結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用有很大的限制，普通模塊結(jié)構(gòu)只能建造最高8層的建筑，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，模塊化結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以應(yīng)用在15層或者更高的建筑中。本文根據(jù)最新的住宅項目進行案例研究，包括25層高學生宿舍。調(diào)查數(shù)據(jù)包括，安裝速度，減少建設(shè)中斷期，提高生產(chǎn)率，更少的交通運輸環(huán)節(jié)，更可靠的散熱性能，減少浪費和更多的可回收材料等。

1 簡介

模塊化結(jié)構(gòu)，是以房間大小為單位的預制建筑體，在建筑現(xiàn)場通常用“搭積木”的方式完整地拼裝、組合起來。其主要經(jīng)濟優(yōu)勢包括：規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、現(xiàn)場安裝的速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量和制造精度。

模塊化的建筑在潛在意義上也可以被拆除和再利用，從而有效地維護它們的資產(chǎn)價值。模塊化結(jié)構(gòu)建筑由于對于模塊尺寸的生產(chǎn)、安裝、運輸?shù)奶厥庖螅壳爸饕膽?yīng)用范圍是在蜂窩式建筑物群中，例如：酒店、學生宿舍、軍事住宿和社會住房。

1.1 通用模塊化結(jié)構(gòu)形式

通用的模塊化結(jié)構(gòu)形式分為兩類，有著完全不同的應(yīng)用范圍：①承重墻式模塊，其荷載是通過側(cè)墻轉(zhuǎn)移的模塊(圖1)；②角支撐式模塊，其荷載是通過角柱邊梁轉(zhuǎn)移的模塊(圖2)[3]。

當使用承重墻式模塊時，墻壁的抗壓性是至關(guān)重要的。當前這種類型的模塊化建筑高度一般僅限于4～8層。當使用角支撐式模塊時，角柱的抗壓性是主要控制因素，基于這個原因，方形空心型材（SHS）由于其高屈曲阻力被廣泛使用。這種類型的模塊化建筑高度的限制只和SHS的尺寸有關(guān)，通常150 ×150 ×12.5使用SHS模塊結(jié)構(gòu)的極限最大尺寸。

1.2 模塊化結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用

高層建筑是模塊化結(jié)構(gòu)的特殊應(yīng)用領(lǐng)域之一，其建造高度受到很大限制。在模塊化結(jié)構(gòu)建筑中，通常墻是承重和抵御風剪切力的主體，這種技術(shù)傳統(tǒng)只用于最高8層高度的建筑中。不過，隨著技術(shù)的發(fā)展，通過使用額外的混凝土芯或結(jié)構(gòu)框架來提供穩(wěn)定性和魯莽性，模塊化結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在15層或者更高的建筑中。近3年里10～25層的高層模塊化建筑已經(jīng)建造完成并投入使用。

有一種高層模塊化建造技術(shù)體系，是圍繞一個核心再集群化設(shè)置模塊來建造高層建筑，在這種技術(shù)體系中，沒有任何一個分散的模塊在單獨地受力，提供以核心為基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。這種技術(shù)理念已經(jīng)在倫敦西部的一個主要建筑項目Paragon上得到了使用(圖3)。該種模塊由承重角柱建造。整個建筑形體可能會被拉長，對于這種情況，通過在走廊使用平行桁架、結(jié)構(gòu)加固件和其他核心加固件，將橫向風載荷轉(zhuǎn)移至核心，保證整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

在Bristol市Bond街有一個12層樓高的建筑群，用于學生宿舍與商業(yè)建筑，其中第8～10層由2層的鋼框架模塊結(jié)構(gòu)建造(圖4)。400個臥室模塊寬2.7m，但是有大概100間高檔工作室由2間臥室組成。廚房模塊寬3.6m。整體穩(wěn)定性由四個鋼核心支撐提供(圖5)。這種模塊化結(jié)構(gòu)提供了開放的空間，適用于零售、商業(yè)或地面停車場。

不可忽視的是，網(wǎng)格員招聘人員也存在許多弊端。 例如： 招聘的工作人員流動性大、三班倒的工作時制如何有效保障網(wǎng)格員的安全、家庭住址遠近等問題。

2 高層建筑使用模塊化技術(shù)的案例研究

2.1 項目介紹

在Wolverhampton的模塊化建設(shè)項目中有3棟建筑，8～25層，總共由824模塊組成。最高的建筑是A座(圖6)。承建商為Fleming Developments，委托方為Victoria Hall Ltd，建筑單位是O’Connell East Architects。模塊化制造商為Vision。該項目開始于2008年7月，于2009年8月（共59周）被移交給委托方。該項目位于Wolverhampton市中心的主要鐵路線以北。更重要的是，使用預制技術(shù)意味著建筑現(xiàn)場的活動和材料存儲遠小于傳統(tǒng)建造方式，這是該項目規(guī)劃至關(guān)重要的意義。

這3個建筑物的總樓面面積2 073m2。總樓面模塊的面積是16 340m2。平均模塊大小為21m2，最大尺寸為37m2。Vision體系使用了SHS和與PFC型鋼來構(gòu)建模塊。在最高的A棟建筑中，Vision使用了多種懸臂式模塊結(jié)構(gòu)。同時整個建筑還使用了輕量化渡覆技術(shù)確保模塊間的防水和絕緣性能。

2.2 生產(chǎn)和運輸

生產(chǎn)和內(nèi)部管理工作據(jù)估計為每平方米模塊樓面面積的生產(chǎn)率相當于7.5個工時（模塊樓面面積設(shè)為21m2）。考慮到建筑師和外部顧問的設(shè)計，這項數(shù)據(jù)可能會增加20%左右。每2個模塊的平均運輸距離為300km，運輸時間估計為每個模塊20個工時，相當于13%的制造用工時。這表明在英國的模塊化項目中運輸距離相當于生產(chǎn)所用工時的6%～8%。

模塊重量根據(jù)它們的大小重約10～25t。模塊自重約5.7 kN/m2。較高樓層模塊的重量約由14%鋼構(gòu)件和56%的混凝土樓板組成。而較低樓層的模塊，鋼材重量在模塊的重量中的比重增加至19%。

2.3 施工數(shù)據(jù)

全部824模塊的安裝時間為32周，8支安裝隊伍，2個項目經(jīng)理。平均安裝速度為每天7個模塊，最快達到了每天15個模塊。建筑其他非模塊化部分的建造動用了約110人以及4名項目經(jīng)理。現(xiàn)場工作總工時估計為17萬（或約每平方米樓面面積為8.2個工時）。

完成整個項目建造所占工時比重約為：生產(chǎn)36%，運輸和安裝9%，建筑其余部分施工55%。在整個項目中的生產(chǎn)和施工環(huán)節(jié)中，每完成一平方米樓面需要約16個工時，比傳統(tǒng)現(xiàn)場施工提高了80%的效率。

3 影響模塊化建造經(jīng)濟效益的因素

模塊化施工技術(shù)的特點是，采取盡可能遠離施工現(xiàn)場的生產(chǎn)手段，將緩慢的現(xiàn)場施工更有效地取代為更快的裝配式施工。模塊化建造的經(jīng)濟效益必須考慮以下幾個因素：

(1)生產(chǎn)設(shè)施的投資成本。

(2)材料使用方面的生產(chǎn)增益。

(3)現(xiàn)場施工占整體建造成本的比例。

(4)運輸和安裝成本。

(5)快速安裝的效益。

(6)施工場地基礎(chǔ)設(shè)施和管理費用。

4 英國關(guān)于建筑可持續(xù)發(fā)展的法規(guī)條例

在英國，與模塊化建筑、綠色建筑的法規(guī)條例發(fā)展成熟，使用領(lǐng)域廣泛，包括了施工、環(huán)境、社會和經(jīng)濟發(fā)展。在眾多規(guī)范中，綠色標準BREEAM 被廣泛使用于辦公室，同時英國政府的住宅可持續(xù)發(fā)展守則（CfSH）已成為在住宅部門使用的環(huán)境標準。CfSH評估程序是一個公認的環(huán)境標準，由各項分數(shù)以及加權(quán)比重組成(表 1)。

5 關(guān)于模塊化建筑可持續(xù)發(fā)展性的分析

模塊化結(jié)構(gòu)建筑是節(jié)能的。能源在建筑中的主要作用之一是供熱（在某些情況下供冷），模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高絕緣性，泄漏率小于2m3/m2/hr。同時模塊化結(jié)構(gòu)是輕量化的。對比一個傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅，模塊化結(jié)構(gòu)建筑的重量不到其30%。

根據(jù)建筑科學研究院報告，英國建造材料行業(yè)平均水平在現(xiàn)場的各項浪費占13%。相比之下，模塊化建筑能夠大大減少現(xiàn)場浪費，并且將生產(chǎn)運輸中產(chǎn)生的所有邊角料充分回收利用。在全國范圍內(nèi)，98%的鋼材在使用后被回收，而目前在歐洲的鋼鐵制造50%來自廢鋼。

模塊化建筑同時極大地改善了施工現(xiàn)場環(huán)境。模塊結(jié)構(gòu)通過合理安排只在合理的時間點上被運至現(xiàn)場，施工的現(xiàn)場存儲被降至最低，噪聲和其他干擾來源也最小。相對于傳統(tǒng)的施工建造方法，模塊化建筑在現(xiàn)場的施工活動能夠減少70%。

表1 CfSH環(huán)境標準的各項分數(shù)和比重

6 結(jié)語

模塊化建筑是英國住宅產(chǎn)業(yè)化的主要模式，模塊化建筑目前主要應(yīng)用在蜂窩式建筑物群中，如酒店、學生宿舍、軍事住宿和社會住房。模塊化結(jié)構(gòu)主要經(jīng)濟優(yōu)勢包括：規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、現(xiàn)場安裝的速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量和制造精度。

承重墻式模塊和角支撐式模塊是模塊化建筑的通用結(jié)構(gòu)形式。模塊化結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用有很大的限制，普通模塊結(jié)構(gòu)只能建造最高8層的建筑，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，模塊化結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以應(yīng)用在15層或者更高的建筑中。圍繞一個核心再集群化設(shè)置模塊來建造高層建筑是一種成熟可靠的高層模塊化建造技術(shù)體系，在這個技術(shù)體系中，沒有任何一個分散的模塊在單獨地受力，提供以核心為基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。

根據(jù)最新的住宅項目分析，施工平均安裝速度為每天7個模塊，完成整個項目建造各項所占工時比重約為：生產(chǎn)36%，運輸和安裝9%，建筑其余部分施工55%。在整個項目中的生產(chǎn)和施工環(huán)節(jié)中，每完成一平方米樓面需要約16個工時，比傳統(tǒng)現(xiàn)場施工提高了80%的效率，有更可靠的絕緣、防水、散熱性能。

模塊化建筑在國家可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。模塊化結(jié)構(gòu)有著節(jié)能和輕量化的設(shè)計，同時大大減少現(xiàn)場浪費，并且將生產(chǎn)運輸中產(chǎn)生的所有邊角料充分回收利用。模塊化建筑同時極大地改善了施工現(xiàn)場環(huán)境，相對于傳統(tǒng)的施工建造方法，模塊化建筑在現(xiàn)場的施工活動能夠減少70%。

[1]Lawson R.M. Building Design using Modules , The Steel Construction Institute P367, 2007.Lawson R.M., Ogden R.G., Pedreschi R,Popo-Ola S and Grubb J Developments in Pre- abricated Systems in Light Steel and Modular Construction The Structural Engineer. Vol 83 No 6, 15 March 2005 p 28-35.

[2]Building Regulations, England and Wales Approved Document A, 200C6a.rtz J.P. and Crosby M Building High-rise Modular Homes The Structural Engineer Vol 85 no l 9 January 2007.

[3]National Audit Office, UK Using Modern Methods of Construction to Build Homes More Quickly, 2004.

[4]Department for Committees and Local Government (UK)Code for Sustainable Homes - Technical Guide, May 2009.