個性化裝配式住宅建筑形式WikiHouse淺析

湯建新 陳冬威 楊 健 宮 婷 潘珠峰

1. 上海市城市建設工程學校（上海市園林學校） 上海 200232；2. 上海外高橋造船有限公司 上海 200137 3. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240

1 預制裝配式住宅建筑以及WikiHouse介紹

預制裝配式建筑通過在工廠中生產所需構件、運輸至施工現場并進行安裝，可以大大提高施工效率、優化現場管理、減少能耗和施工垃圾，是一種綠色可持續的建筑形式。隨著國家政策的大力推動，與20世紀50年代早期引入階段相比，我國預制裝配式建筑的施工技術不斷創新，建筑質量和居住體驗也得到了不斷改進。

常見的裝配式建筑通常為木、鋼或混凝土結構，在施工中仍具有一定的現場現澆作業量，需要使用一些中大型機械，對于施工人員的技術要求高于傳統的現澆模式，且建筑造型相對單一。目前的預制裝配式建筑成本偏高，模塊化程度較低[1]，預制構件運輸堆放的管理難度較大，構件起吊安裝風險較大，構件拼裝定位較難[2]。

WikiHouse是一種集自主設計、電腦數值控制（Computer Numerical Control，CNC）機床和裝配式施工于一體的新型裝配式房屋建筑技術。用戶可以從開源平臺上下載免費的SketchUp設計包，利用WikiHouse的相關插件編寫程序并由CNC實現數字化剪裁，最終通過楔、釘方式簡單高效地在現場組裝個性化房屋。同時，用戶可將修改變化后的材料或設計上傳WikiHouse，從而實現動態的分享互動。

WikiHouse的個性化程度高、施工技術要求低、作業量少且低價環保，具有十分強大的市場發展潛力。

2 WikiHouse的建造特點

2.1 WikiHouse的優勢分析

2.1.1 個性化的建造設計

WikiHouse最大的吸引力在于擺脫了常規的建筑和結構設計，節約了大筆的設計費用。除了下載平臺上已有的設計模板外，WikiHouse目前正在開發一種互動的房屋設計平臺，用戶可以自主設計并下載，同時獲得完整的成本估算，從而能夠更加直觀地在自己預算范圍內進行建筑設計。而且即使模板相同，每個用戶對外觀、功能的不同需求也保證了不會出現兩棟一模一樣的WikiHouse。隨著越來越多的建筑設計被上傳到設計庫，可以漸漸形成一些具有區域特色的設計方案，這些設計能夠更好地契合當地規范，為用戶獲得當地建筑許可提供極大的幫助。

2.1.2 簡單高效的構件加工以及拼裝施工

WikiHouse的建造理念就是可以像拼裝家具一樣建造房屋，所有建筑在設計過程中都貫徹“簡化”的原則。在傳統的房屋建造中，人工費用一般占總成本的15%～20%[3]，而WikiHouse的現場組裝往往只需要短短幾天。這種裝配簡單、工時較短的施工方式可以大大減少人工費的輸出，從而節約建筑成本。

此外CNC機床目前已經較為普及，建筑構件的加工變得很方便。用戶可以通過購買或租賃機床的方式在施工現場進行構件生產，其大小最多不超過原膠合板尺寸（比如2.4 m×1.2 m），因此不論是戶外運輸還是室內搬運都非常方便。對于大型的施工項目而言，現場加工可以節省一筆很可觀的運輸費用。除了現場加工，也可以將設計方案發送給當地的CNC工廠進行加工，再將構件運回施工現場。當然，隨著WikiHouse的不斷發展成熟，會逐漸誕生出專業的WikiHouse生產團隊，從而進一步降低建造施工的難度。

2.1.3 可持續性表現

建筑所用的結構膠合板是一種價格低廉、應用廣泛的建筑材料。環保級的膠合板（如PEFC認證）在建筑拆除后可進行自然降解，從而減少建筑垃圾的產生。如果采取恰當的防護措施（如隔水、防潮），WikiHouse的使用壽命甚至可以超過普通的磚結構。同時WikiHouse使用的復合板材也具有非常好的隔熱、隔聲與防火效果。

2.1.4 WikiHouse與其他新型建筑形式的優勢比較

WikiHouse并不是唯一一種采用現場加工、裝配式施工的建筑形式。混凝土3D打印[4]、SIPs板式建筑[5]、FACIT木匣建筑和MODCELL稻草建筑就是4種類似的新型建筑形式。

混凝土3D打印是將配置好的混凝土漿體按照預先設置的打印程序，由噴嘴擠出，經“分層制造，逐層疊加”，最終得到設計的混凝土構件。SIPs板則已在住房及其他建筑中得到廣泛應用，具有輕質高強、節能環保、隔熱的特點，不僅可以現場直接裝配成高性能的房屋建筑，也可以用于維護材料。FACIT木閘建筑是將木材、數控機床運到施工現場，生產中空的木匣，內部吹填絕緣泡沫塑料，組裝形成建筑構件，個性化程度高，有專門的FACIT 3D設計團隊幫助用戶進行細節設計。MODCELL與SIPs類似，只是其墻板由木材和稻草等植物纖維混合形成，意在打造能呼吸的、負碳排放的房屋建筑。表1對上述幾種建筑形式從價格、技術成熟度、用戶吸引力等10個方面進行了評分。表格中0分表示沒有涉及，1分代表對應選項程度很低，10分則代表程度很高，依次對10個評分項目進行打分，并結算出最終得分（滿分100分）。

比較可以看出，混凝土3D打印建筑方式的薄弱項在于其個性化設計程度。考慮到該種方式側重于速成、低價的房屋施工，因此對設計的個性化要求并不高。對于SIPs建筑形式，高達3 000元/m2的結構成本導致其價格競爭力較低。同樣的，FACIT、MODCELL雖然發展已較為成熟，個性化程度、建筑質量和可持續性評分都很高，但其高昂的建設成本拉低了二者的競爭力評分。

WikiHouse簡化設計的建筑理念一定程度上局限了“自主設計”房屋高端市場領域中的競爭力，因此個性化設計程度的得分并不是最高，但其建造成本、施工效率、建筑質量和可持續性等項目的綜合競爭力評分名列前茅，且其發展成熟度具有非常廣闊的提升空間。

表1 WikiHouse綜合競爭力評價

2.2 WikiHouse的結構特點和連接方式

2.2.1 WikiHouse的骨架結構

雙層WikiHouse荷載傳遞路徑與常見的框架結構相似，荷載從屋蓋、樓蓋傳遞到結構骨架并最終傳遞到地面。但與傳統的框架結構不同的是，WikiHouse的骨架（圖1）是由一系列一定規格的“骨架薄片”以及骨架連接構件現場組裝固定而成。其拼裝構件的尺寸小于單片2 440 mm×1 220 mm膠合板。房屋的骨架排列并非均勻分布，且留下合適的空間，方便后期門窗的安裝。

圖1 WikiHouse單個骨架

2.2.2 WikiHouse的3種連接方式

不同于大多數裝配式建筑節點現澆混凝土的連接方式，WikiHouse的構件通過楔子和銷釘連接，使用橡皮錘就可以將構件敲打定位，隨后可用專用膠水進一步固定連接處。膠水本身并不提供結構強度，但可以防止因噪聲等外界振動造成的連接件脫落。WikiHouse連接種類少，方式簡單，可避免施工過程中的混淆和錯誤。連接方式主要分為以下3類。

1）骨架連接方式。骨架水平支撐與骨架結構的連接方式（圖2）：將兩端連接構件分別插入“骨架薄片”預留孔后，將銷釘敲打定位并用膠水固定，避免因振動造成的松動移位。

2）墻體連接方式。由于組裝端墻時沒有可以用于穿插定位的“骨架薄片”，因此需要專門的端墻支撐系統，橫向與縱向構件主要通過插入方式進行連接（圖3）。

圖2 骨架連接方式

圖3 端墻連接方式

3）由于構件尺寸局限為2 440 mm，因此可以采用將2個C形連接片分別插入左右兩個構件S形端部的預留槽中，再將楔子釘入膠水固定的方式進行連接加長（圖4）。

3 雙層WikiHouse設計案例

WikiHouse目前尚處于發展的初期階段，設計主要局限于單層建筑，本節將提出一個雙層WikiHouse的設計案例，對其骨架結構、節點連接、板材設計、現場施工方法及計算校核進行詳細介紹。

3.1 建筑設計

本案例中房屋總建筑面積為86 m2，雙層設計（圖5）。

3.2 骨架設計

首先確定房屋骨架的排列方式。“骨架薄片”可以沿著房屋橫向與縱向兩種方式排列（圖6）。目前較多使用的是圖6中的方式2，荷載可以分布在更多薄片上，從而提供更好的結構強度和橫向剛度，本設計亦采用這種排列方式，并根據建筑平面圖確定骨架尺寸（圖7）。

圖4 端墻接長連接方式

圖5 雙層WikiHouse住宅建筑平面設計

圖6 WikiHouse“骨架薄片”排列方式

WikiHouse的規范要求每一個“骨架薄片”都分為兩層（圖8）。構件的連接節點應避開結構拐角，錯開排列，鏡面對稱并且定位孔排列完全一致。將A、B兩層對應在一起，用M8低碳鋼螺栓固定，即形成一個完整的“骨架薄片”。

圖7 雙層WikiHouse骨架薄片尺寸設計

圖8 雙層WikiHouse“骨架薄片”結構設計

將一系列“骨架薄片”按照建筑平面設計的尺寸進行有序排列，并通過骨架橫向連接構件固定，即可形成建筑框架系統（圖9）。

圖9 雙層WikiHouse骨架結構設計

由于旋轉樓梯的存在，樓梯部位主梁會有一定撓度，導致其附近的“骨架薄片”內力相對其余薄片較差，但考慮到所有薄片都通過骨架橫向連接構件進行固定，共同抵抗各方向的彎矩，因此幾乎不會對整體的承載力和結構強度造成影響。

3.3 墻板、屋面板和樓面板設計

為保證房屋有良好的防水性能，在墻板、屋頂設計過程中應考慮加入密封層和呼吸薄膜。此外，利用防火石膏板和有效的填充材料以保證房屋的抗火性、隔熱性以及隔聲性（圖10）。

對于建筑內墻，不需要特別添加密封層和呼吸薄膜，但需要使用防火石膏板保證建筑的防火安全（圖11）。

圖10 WikiHouse外墻板設計

圖11 WikiHouse內墻設計

WikiHouse的屋面設計與外墻設計類似，但施工時要注意使密封層和呼吸薄膜形成一個完整的防潮系統，在從外墻部位到屋面部位的過渡過程中不可產生間隙。由于設計中不存在挑檐結構，因此要實現完整過渡并不難（圖12）。

底層樓板應添加防潮層，并與屋面、墻壁的密封層連接形成連貫的防潮系統（圖13）。

圖12 WikiHouse屋面設計

圖13 WikiHouse底層樓板設計

3.4 施工方法

3.4.1 施工步驟

本設計中所有建筑構件均由2.4 m×1.2 m的膠合板材數字化剪裁得到。構件上標明序號，由工廠運輸到施工現場進行組裝。每一個構件上都有對應的編號，因此專業技術要求較低，用具簡單，用戶和幾個團隊成員一起就可以完成。組裝步驟如下：

1）將所有骨架構件堆放在空曠的施工場地，并按照序號拼接，組裝出12片“骨架薄片”。

2）將橫向連接構件按照組別分堆，以便依次安裝“骨架薄片”及骨架橫向連接件。

3）組裝端墻支撐系統，平放于地面，將第1個“骨架薄片”固定在端墻部位。

4）將第1組骨架水平連接件拼接到第1個“骨架薄片”上，并用楔子、銷釘連接固定。此時該部分骨架結構可以起吊直立。

5）起吊第2個“骨架薄片”并固定于第4步中的骨架連接件上。此時可組裝第2組骨架連接件，以此類推，最終將另一端的端墻支撐系統安裝固定。

6）骨架搭建好后，先安裝樓板以提供后續的工作平臺。

7）安裝呼吸薄膜、防潮層和外部板材，確保整個建筑的防水性。8）安裝建筑設備、內部板材、天花板等。9）內外裝修。

3.4.2 施工設備

為起吊結構骨架，需要使用1臺小型起重機。由于每部分骨架結構可以先在平地上組裝好后再起吊安裝，因此減少了起重機的使用量。此外，安裝板材和裝修需使用腳手架。

4 結語

與傳統的現澆施工及常見的預制裝配式建筑相比，WikiHouse具有明顯的價格優勢。其施工簡單高效，目前已經在一些災后重建項目中取得了不錯的進展。然而現階段的設計大多局限于單層建筑，一方面對土地的利用效率不充分，另一方面也無法滿足用戶日益增強的個性化需求。

本文針對上述問題提出了一種雙層WikiHouse的設計方案，并對結構安全性進行了計算分析。WikiHouse尚處于發展的初始階段，一個符合建筑法規、結構優良、適宜居住、設計和使用文件齊全、有規范的性能標準、符合WikiHouse許可的成熟的建筑設計系統尚未完成。因此后續仍有大量與設計師、工程師、政府部門、制造商的溝通工作需接洽，還需不斷完善WikiHouse的可持續性、安全性、供應鏈及規范標準。