基于模數協調的裝配式鋼結構住宅設計研究*

文/新疆生產建設兵團城市建設投資集團有限責任公司 翟 皓

0 引言

自2009年起，新疆生產建設兵團將裝配式鋼結構住宅作為兵團新型城鎮化建設的突破點，有意做大做強該產業。新疆德坤實業集團有限公司以自主研發的“DSC鋼結構鑲嵌復合保溫板建筑體系”為主，在新疆建設了多個項目，共完成棚戶區改造和新農村建設試點項目30余萬m2[1]。筆者通過對新疆地區裝配式鋼結構住宅示范工程的調研，發現由于設計人員對模數體系認知和實踐方面的不足，導致建筑構配件等缺少整體尺寸配合，建筑部品標準化及通用化程度低，難以實現工廠批量生產和現場拼裝，影響鋼結構快速裝配優勢的發揮，無法有效減少房屋綜合建造成本。本文旨在總結分析裝配式鋼結構住宅設計存在的問題，提出相關建議，以期為設計人員提供參考。

1 裝配式鋼結構住宅存在的突出問題

1.1 缺乏模數協調的柱中心線軸線定位法

新疆地區由于缺乏專業的裝配式建筑設計團隊，設計人員設計理念較陳舊，仍沿用傳統的建筑設計思路，表現為：設計以結構為中心，建筑功能次之，內部裝修基本不考慮。在進行鋼結構住宅設計時，平面定位軸線沿用鋼筋混凝土框架結構的定位方法，采用以結構承重柱、梁為主的中心線定位法，導致柱距雖然滿足模數要求，但柱間排板無法滿足模數要求，造成板材大量浪費（見圖1）。很多設計單位片面強求降低鋼結構用鋼量，造成梁、柱、支撐等鋼結構構件不統一，規格過多，室內露柱露梁現象普遍，以犧牲住宅使用功能換取結構的經濟性，導致居民對裝配式鋼結構住宅認同度和滿意度均較低。

1.2 缺乏模數協調的結構構件規格多，板材制品裝配率低

新疆地區鋼結構體系設計未實行標準化、模塊化，既未強調鋼結構構件的模數化、系列化，導致結構構件規格過多，又造成外圍護墻板的規格在水平、豎直方向排布不統一，導致工業化板材運到施工現場后裁切量巨大，現場工人勞動強度并未降低，房屋成品觀感粗糙，同時也造成材料、人工浪費，建筑成本增加。

1.3 缺乏模數協調的部品互換性較低

因未遵循模數協調原則進行設計，在前期方案設計和中期訂購住宅部品等環節中又未進行嚴格論證，造成部品進場隨意性較大，品種繁多、規格雜亂，嚴重影響安裝質量。如部品尺寸規格多，互換性較低，與原建筑設計無法匹配；下游產業構件預制場因缺失模數協調，造成構件預制類型多，每種構件加工量少，生產效率低，構件產品定型在新疆地區多年無法完成，對部品系列化、通用化發展造成嚴重影響。

1.4 接口技術缺乏研究，住宅成品觀感粗糙

新疆地區由于住宅設計構件規格尺寸隨意性較大，建筑與部品、構件與構件間缺少固定模式的接口配合，造成住宅成品質量不高，觀感檔次低。不成熟的接口技術與不配套、不齊全的接口配件是降低最終成品質量的主要原因（見圖3）。細節決定成敗，好的建筑設計作品若無精良的住宅構件、部品相配合，將是空中樓閣；好的部品若無很好的配合接口技術，就是粗劣制造。

圖1 施工現場板材浪費嚴重

圖2 缺乏模數協調，板材規格不統一

圖3 施工細節不到位，觀感粗糙

2 解決方案與策略

標準化是產業化的基礎，而模數協調統一是實現住宅產業化的重要前提，若缺失模數化技術對全產業系統的約束和協調，住宅產業化將無從實施。注重發揮模數協調的最大效能，需對住宅空間部位和住宅部品的參數系列進行優化選擇，因此新疆地區必須用標準化理念指導設計，用工業定制化方式實施生產。

2.1 基于模數協調的雙軸線平面定位法

裝配式鋼結構住宅是采用框架柱承重，輕質條板填充墻體的一種工業化住宅類型，鋼結構體宜采用擴大模數數列3nM[2]，考慮到柱、梁結構體系與墻板圍護體系是兩個大類，為減少部品構件規格，均應執行模數標準化設計，可采用復合定位法滿足結構構件和圍護構件的雙重定位要求。在鋼結構住宅平面傳統的柱中心線定位系統的基礎上，再設置1套柱間凈距排板的定位軸線系統，即雙軸線定位法，既考慮承重構件柱、梁的定位，又顧及墻板排板的模數要求。采用結構柱和圍護墻板雙軸線定位法更科學，該定位法提示設計人員進行預排板時，應充分考慮住宅門窗位置、門斗入口和拐角等構造因素對排板尺寸的影響，以盡量減少現場裁切板材。

2.2 基于模數協調的剖立面層高、凈高線定位法

裝配式鋼結構住宅層高或凈高是控制住宅建筑垂直方向外墻墻板高度定位的主要因素，層高通常不變，采用同樣的外墻墻板，根據外圍護體系墻板施工安裝方法的不同，剖立面的定位方式有2種：①層高線模數定位當采用外掛墻板構成的圍護系統時，層高就是墻板選取的高度，模數網格線位于上下層樓板上或下表面上，通過樓層的建筑層高進行定位，層高線就是垂直模數定位線；②凈高線模數定位 當采用嵌入式墻板構成的圍護系統時，凈高就是墻板選取的高度，即層高減去梁的高度就是凈高，凈高線就是模數定位線。住宅層高宜采用基本模數和擴大模數nM。

2.3 基于模數協調的廚房、衛生間二級模數網格

在裝配式鋼結構住宅部品密集區域，如廚房、衛生間等小尺寸空間功能區，空間凈尺寸先采用300mm為進級基數的一級模數網，再嵌進30mm為基數的二級模數網。采用二級模數對住宅套內小空間和多種部品設計可在一級模數標準化前提下，按設計意圖或居住者需求更深層次調整并選擇最佳的適配方案，從根本上消除空間與部品、部品與部品尺寸不協調的情況。另外，限定內裝部品尺寸進級的模數，能更好地控制主要部品尺寸，形成規范化系列標準，方便設計者選擇更多的部品組合功能，提高部品的互換性。對于小尺寸產品，可使用二級模數系統的分模數進行設計，如以模數3mm為進級基數的加密網格，使設計更加精細化[3-5]。

2.4 基于模數協調的工業化部品體系

裝配式鋼結構住宅由一系列功能相對獨立的模塊部品組成，因此建立工業化模塊協調體系的關鍵是建立并實施部品系列化和通用化。住宅不同部品的使用壽命各異，隨著現代居民生活品質的提高和對居住質量的重視，住宅部品維修與更換頻率加快，因此部品的系列化和通用化尤為重要，因此應在滿足基本需求的基礎上，推行最少化，以實現多種住宅部品和組合品種簡量化，保證工廠制造的簡易、經濟及施工現場安裝的方便和高效。在目前住宅工業化初期，強調工業化部品協調體系面面俱到并不現實，特別是如新疆等偏遠地區，首先應該做的是鋼結構支撐體部品的定型化和模塊化，以大量減少結構構件和圍護墻板的規格，使構件可高度復制生產，提高裝配化率。其次是住宅廚房、衛生間的定型化和模塊化，考慮到廚房和衛生間漏水或現場設計問題可能對鋼結構后期圍護造成的影響，需強調盡可能采用整體式廚房和衛生間，這要求在設計時廚房和衛生間盡可能模數化，能高度復制。最后才是內裝體系的定型化、模塊化設計，內裝體宜采用基本模數或M／2、M／5的分模數。

3 結語

裝配式住宅建筑設計系統性較強，與施工建造組織設計密切相關，標準化和多樣化并不對立，二者的有機協調配合能實現標準化前提下的多樣性和個性化。新疆地區地廣人稀，經濟相對落后，裝配式鋼結構住宅設計應突出以少而精的套型和少量的標準化構件規格，組合出多樣化建筑形式的設計原則。在滿足使用功能和空間靈活性與可變性的前提下，強調標準化設計的易建性和高效性要求，從而獲得居民可接受的經濟性和舒適性，使新疆地區裝配式鋼結構住宅開發進入新階段。