模塊化建造游走四方的居所
——基于2018全國高校學生鋼結構創新競賽的思考

■ 程東偉 CHENG Dongwei 羅 宇 LUO Yu 湯朔寧 TANG SHuoning

0 引言

近些年國內裝配式建筑發展迅速，許多建筑都有裝配化率要求，集裝箱改造成為建筑的案例在國內屢見不鮮，模塊建筑集合了兩方面的優勢，在建造質量、建設速度、生態環保、回收利用等方面都有很大的優勢[1]（圖1）。

與傳統設計、施工、驗收的建造方式不同，模塊建筑設計、生產、建造過程很大程度上可以重疊，從而大大縮短建設周期，提高資金回收率[2]。模塊建筑都是模塊堆疊而成，結構形式和連接方式與傳統建筑有較大差異。另外，因為運輸條件和構造方式等因素，模塊建筑也有建筑尺寸受限、雙墻板及與傳統居住使用習慣沖突等一些使用局限。同濟大學學生團隊參加了中國鋼結構協會主辦的2018全國高校學生鋼結構創新競賽，參賽作品“四方之舍”，用模塊鋼結構的方式建造一個能容納1 500人的多層大學生宿舍，取得了特等獎的成績，本文基于本次競賽作品，結合其他一些實際案例，對模塊鋼結構建筑的優缺點和使用局限與突破進行一些總結。

圖1 模塊建筑優勢

圖2 總平面圖

1 競賽作品介紹

中國鋼結構協會定期舉辦全國高校學生鋼結構創新競賽，以激發學生結構創新的熱情，每年的競賽作品中都可以看到當下比較先進的結構體系和具有創新性的節點構造等內容。2018年的競賽要求是，用裝配式鋼結構建造一個能容納1 500人的大學學生宿舍，沒有具體場地限制，僅給出結構使用年限50年、設防烈度8度基本地震加速度0.3g、場地類別、抗震設防類別、地面粗糙度、基本分壓、基本雪壓等結構設計的基礎條件?；趯W生宿舍功能要求、建筑盡可能適應全國大多數地方、結構體系創新等多方面考慮，同濟大學同學們用“四方之舍”的參賽作品贏得了特等獎，以下簡要介紹一下其參賽作品。

1.1 設計立意及方案生成過程

設計的出發點還是基于學生宿舍的基本特征，即每一個宿舍都是幾乎一樣的單元，這個特征是比較適合用模塊建筑建造的。這個參賽作品就采用了模塊自堆疊形成四個帶退臺的方形院子，被一個公共功能環連成整體的方式，滿足功能需要和競賽要求（圖2～4）。這個作品取名“四方之舍”也有多重含義：①任何大學的學生都是來自五湖四海，這是一個四方學子的宿舍；②設計用四個方形的院子來滿足宿舍數量要求，這是四個方形組成的宿舍；③因為模塊建筑建成后可以快速拆裝到另外一個場地使用，這是一個游走四方的宿舍，所以，這個宿舍是四方學子的港灣，也是可以游走四方的居所。模塊可以快速拆裝到另外一個場地這個優勢，也可以讓這個學生宿舍可以很好地適應學生數量增減的要求：當學生數量減少，可以拆掉一些模塊運輸到另外需要的地方；當學生數量增加，可以增補一些模塊增加使用人數（圖5）。

方案的生成過程是基于傳統宿舍的雛形：①為了提升居住品質，把傳統內廊式宿舍拆解成四個外廊式宿舍拼成的一個方形院子；②如果方形院子是正南北布置，難以避免左右兩側東西曬的問題，所以把院子旋轉45°，使得院子的每一邊都有南向采光；③院子做退臺，豐富建筑造型的同時，也可以最直觀地體現模塊建筑的特征；④經過計算，四個院子是可以滿足1 500人居住要求比較合適的布置方式；⑤引入公共功能環，把四個居住院子連成整體，增加了學生居住之外的公共活動空間（圖6）。從設計生成過程可以看到，雖然作品的取名上有一些浪漫的色彩，也是基于功能要求理性分析的結果。

圖3 總體鳥瞰圖

圖4 剖面透視圖

圖5 模塊建筑快速適應學生人數增減

1.2 多層級公共空間

公共功能環的引入是設計的一個亮點，但是這個宿舍的公共功能并不僅于此，整個方案的公共空間是多層級的。第一級最重要的公共空間就是中間的功能環，可以在里面設置一些學習室、活動室等提供學生室內的活動；第二級公共空間就是建筑圍合形成的五個院子，是學生進入室內的門廳，也是學生很好的室外活動空間；第三級就是退臺，這些退臺并不是簡單的空置，也是由框架模塊拼接形成，可以給學生提供半室外的活動空間；第四級就是在樓層之間，局部地方抽出幾個模塊，形成樓層之間的半室外活動空間（圖7）。

1.3 模塊類型

作品在滿足基本居住功能的同時，提供了豐富的公共活動空間和富于變化的建筑外觀，這些豐富的變化都是通過基本一致的模塊單元組成的?；诮ㄖδ芊诸?，整個作品使用的模塊可以分成六種。最主要的就是兩種宿舍模塊，一種在3.3m寬、3.3m高、8.7m長的基本宿舍模塊里,布置帶衛生間和陽臺的雙人間，把衛生間放在外側可以有較好的采光通風；另一種在院子的角部，把兩個模塊組成在一起，布置形成無障礙宿舍，居室、衛生間和陽臺都充分考慮無障礙的使用。

第三種模塊是退臺模塊，只有框架結構和部分頂板；第四種模塊是三層和四層的公共環；第五種是公共環一層和二層架空部分，也只有框架結構起結構支撐作用；第六種是樓梯交通模塊。除了第四和第五兩種模塊因為功能原因略長一點，其他所有模塊尺寸是一樣的，方便生產制作，減少運輸成本和施工吊裝成本（圖8）。

1.4 結構體系與構造方式

在建筑構造上，該作品采用了輕鋼龍骨構造體系，這個體系有自重輕，施工便捷，可以快速建設安裝等優點。具體構造措施上著重考慮設備管道集成和模塊之間的連接兩個方面，在衛生間和走道的部分位置，把設備管道集合起來便于生產施工和設備檢修。在模塊之間連接的部位，考慮通過密封膠或拼縫板現場安裝的方式，可做到模塊連接之后的密封和建筑整體完整（圖9）。

結構體系的創新也是本次競賽的重點內容，基于建筑方案設計，結構采用了模塊自我堆疊的方式，主要的創新點有定位抗剪雙功能鍵和消能減震技術兩項。節點中設計的定位抗剪雙功能鍵，在安裝時提供定位功能，提高安裝速度和精度，服役時傳遞模塊間剪力，保證結構安全。體系中使用的波紋鋼板剪力墻，比一般鋼支撐尺寸小，不影響室內空間的使用，同時具有消能減震功能（圖10）。另外，結構設計不僅考慮了建成后建筑的受力情況，每個模塊單元的吊裝工況都做了充分的計算[3]。

圖6 方案生成圖解

圖7 多層級公共空間

圖8 功能模塊單元

圖9 管道集成節點

該競賽作品因為宿舍的功能和尺度要求非常適合模塊建筑，采用這種建造方式，通過建筑方案公共空間的設計和結構節點和做法的創新，取得了不錯的成績。但是競賽過程中還是有體量穿插受限、出入口公共空間尺寸受限、難以形成大空間架空等受限制的地方，很多都是因為模塊這種建筑的特點產生的。因此，也引發了筆者對模塊建筑局限性及如何突破局限的一些思考。

2 模塊建筑使用局限

模塊建筑高效、高回收率、便捷拆裝等優點使其有巨大的發展空間，在歐美發達國家都有許多實際應用，但是在我國實際應用并不多，國內主要生產制造企業的產品主要還是用于出口，這個現狀說明，具體到實際應用，模塊建筑還有其局限性，主要體現在建造成本、尺寸受限、與使用習慣沖突等方面。

2.1 建造成本

模塊建筑在國內建成的案例少，一個重要的原因是造價成本偏高，工廠生產、高運輸成本和雙墻板體系材料增加，造成了模塊建筑比同類型裝配式建筑或傳統的建筑造價高一些。不過在某些程度上，成本的偏高會因為模塊建筑的施工周期短和高效的資金利用率抵消一些，國內也有越來越多的企業和個人認識到這一優勢。另外，如果更多地采用模塊建筑建造，流水線生產的模塊會因為產量提升而降低單體生產成本，同時也會相應降低運輸成本，而且隨著傳統建造方式人工成本的增加，也會進一步減小價格差?？梢哉f，隨著模塊建筑進一步發展，越來越多的應用會有效降低建造成本。

圖10 波紋鋼板剪力墻

圖11 模塊單元結合裝配式鋼結構形成高大空間

圖12 模塊變化組合形成高大空間

2.2 尺寸受限

因為模塊建筑生產拼裝在工廠已經完成，運輸的就是一個已經建好的單體，難以避免建筑尺寸需要受到運輸尺寸限制。拿常規的陸路運輸來說，全國通行的公路運輸標準車貨總高4.2m、車貨總長18m、車貨總寬2.5m，扣除車子本身的尺寸，貨物尺寸基本在高3m、長15m、寬2.5m的范圍內。特殊貨物尺寸可以適當突破，但尺寸越大突破的代價越高，而且也遇到運輸路徑上有高架、涵洞、隧道等無法突破限制的條件。模塊建筑每一個單體都是結構獨立的“盒子”，單體內的柱和梁不但要支撐自身結構完整，還要考慮到在建筑整體里的其他荷載及運輸和吊裝過程中的完整性。所以，要把單體的某些梁柱取消是難以實現的，每個“盒子”這樣的尺寸限制，使得難以直接用模塊建筑實現大跨、通高等內部高大空間的要求。

2.3 雙墻板系統

每一個單體都是獨立完整的單元，這一特征也決定了模塊建筑拼裝完成之后都有雙層的內墻和雙梁雙柱并置的情況，通常為了單體自身結構穩定，頂板和底板都有次結構支撐，所以樓板也是雙層的。這樣的構造形式帶來了一定的結構重復和材料的浪費，相比同類型鋼結構建筑，模塊建筑的用鋼量也會有所增加。這個局限是模塊建筑這種建造方式帶來的，雙柱雙梁外露的地方還需要做裝飾板蓋住，或者采用特殊的拼縫處理才能保證建筑的密封性和美觀，雙墻雙板的優點是增加了建筑的隔熱和隔聲性能，雙層墻板間距的合理控制可以大大增加隔聲性能。

2.4 構造方式與使用習慣的沖突

因為運輸和整體吊裝的原因，模塊單元的重量是需要考慮的重點內容。因為鋼結構重量輕，是模塊建筑采用最多的結構形式，輕鋼龍骨墻板體系也是隔墻和樓板使用最多的方式。但是這樣的構造形式和居民傳統的居住習慣有一定的偏差，習慣鋼混結構砌體墻的居住者對于輕鋼龍骨體系有天然的抵觸。許多購房者因裝配式隔墻是“空心”的從而擔心房子的質量，雖然輕鋼龍骨體系的隔墻在隔聲保溫方面有更優越的性能。另外，預制墻板體系難以滿足居民二次裝修在墻上敲敲打打的需求，甚至掛一幅畫釘個釘子都有困難，而現實中二次改造的需求又是難免的。

3 模塊建筑設計突破

模塊建筑有一些局限是難以避免的，有一些可以通過設計手法和材料的改善得到一定突破，結合本次競賽的一些考慮，筆者對模塊建筑的一些局限做了突破的嘗試。

3.1 尺寸限制的突破

因為運輸限制，每個單元的尺寸受限是難以避免的，通常來說3.3m的寬度（公路運輸允許的尺寸）和近15m的長度可以滿足大多數建筑對面寬和進深的要求，但是3m的高度對于多數公共建筑來說是偏低的。解決建筑高度問題最常用的方式是使用特殊運輸車輛，對于常規道路限高4.5m的要求，采用高度0.8m的低板運輸車，模塊的高度可以做到3.7m，這樣可以滿足多數建筑的層高要求。對于進一步滿足突破高度或跨度的要求，是有一些設計手法可以嘗試的。

（1）可以把模塊立起來解決高度問題，即把模塊的長度當作高度使用，這樣可以有效增加建筑高度，但是這樣拼裝之后的建筑開間和進深都只有3m左右，而且這樣的安裝方式，模塊單元要滿足運輸時穩定和安裝后立起來的結構穩定，結構成本會相應增大。

（2）當兩層模塊疊加時可以取消下一層的頂板，適當抬高上一層的底板，這樣可以適當增加下層建筑高度，但是這樣的方式增加高度有限，上層模塊的高度也會降低，而且下層模塊的高度增加范圍也會限制在模塊的寬度和長度尺寸之內，難以滿足大范圍增加高度要求，小范圍增加高度提升空間趣味還是一個可行的辦法。

（3）可結合裝配式鋼結構體系，比如酒店建筑，首層用裝配式鋼結構體系建造滿足建筑開間和層高需要的功能，二層以上再用模塊單元建造房間。也可以是在兩排模塊單元之間用裝配式鋼結構搭起一個通高空間，滿足大空間使用要求（圖11）。這樣的組合結構形式可以很好地解決特殊空間要求，是一個突破尺寸限制比較理想的方式。

（4）可以通過模塊單元拼接方式實現高大空間要求，本次競賽作品就在公共功能環首層入口處，通過單元的堆疊方式變化營造出一個寬6.6m、高6.6m，進深9m的較大入口空間。在一二層兩個疊加的模塊上面橫向疊加長13.2m的模塊，等于抽取了下面四個疊加的模塊增加空間尺寸（圖12）。類似的方法應該還有很多，可以局部放大空間尺寸，突破模塊單元的限制。

3.2 構造措施的完善

良好的建筑熱工性能和更好的隔聲構造是模塊建筑發展的重要基礎，通過構造措施的完善，可以更好地達到這個效果。在保溫隔熱方面，輕鋼結構的模塊建筑防止框架構件穿過外墻保溫形成“冷橋”是非常重要的，所以，通常都是外保溫的做法降低冷橋和冷凝的風險。作為外保溫的補充，在輕鋼構件之間填充保溫材料也可以進一步降低U值。單元模塊通過這種方式可以達到較好的保溫隔熱性能，單元之間的保溫連續性也非常重要，確保單元拼接節點部位的密封性，可以有效防止外部冷熱空氣進入單元之間的縫隙之中。

在建筑隔聲方面，模塊建筑具有高水平的隔聲性能，主要是因為其每個模塊具有單獨的樓板、天花板和墻體構件，可以防止聲音沿構件直接傳播。模塊單元往往在酒店建筑中使用，也是由于酒店一般對房間之間的隔音性能要求很高的緣故。模塊之間的間隙降低了噪音貫穿整個建筑的風險。同樣，由于模塊的樓板結構與天花板結構是獨立的，所以上下模塊之間也有一道間隙。單元之間僅在角部或其他離散點進行結構連接，在這些位置也會使用隔聲墊來限制聲音的直接傳遞。另外，在輕鋼龍骨構造體系中，通過設置空腔、安裝多層材料、使用隔音性能好的材料等方式，達到提高隔音性能的目標，增加隔音棉和隔音板便可得到更高的隔音性能。

考慮到室內裝飾的需要，在可能需要掛置裝飾物的地方，需要設計時就加以考慮。如果特定區域的墻有較重的裝飾，例如廚房用具、附加輕鋼板或者壁磚，應在模塊設計中加以體現。可采用自鉆、自攻螺絲來直接將裝飾物固定在鋼龍骨和鋼托梁上。較輕裝飾物的固定可以采用石膏板墻面專用固定件，有很多成品可以選擇直接使用。

3.3 居住體驗的提升

針對居民對在心理上不接受“空心”的輕鋼構造體系，許多模塊制造商在材料的突破上也做了大量的嘗試。如，底板采用現澆的輕質陶?；炷炼o人一種堅實耐用的感受，外墻板也可以采用外掛輕質陶土板或者高密度CCA板灌漿外墻板等比較密實的材料提升居住感受。一次性建造完成內裝是模塊建筑的優勢，合理的管線安排和適當的二次裝飾考慮，有效避免在墻上開洞等二次裝修的需求，也是提升居住感受的一個重要方面。材料和設計細節的考慮可以很好地提升居住體驗，隨著模塊建筑使用的推廣，居住習慣的慢慢改變也會是模塊建筑發展的進一步推動力。

4 結語

模塊建筑進一步發展是工業化發展的一個趨勢，快速施工、受場地影響小等優點是其他建造方式不可比擬的優點，雖然尺寸限制等也是其固有的局限，如何突破局限揚長避短是設計、建造過程中需要重點考慮的內容。本文結合競賽作品進行了一些思考總結，也是模塊建筑推廣過程中的一次嘗試。

（2018中國鋼結構學會主辦的全國高校學生鋼結構創新競賽同濟大學參賽作品“四方之舍”獲得特等獎。指導老師: 陳琛、王彥博；參賽學生:程東偉、羅宇、張林鈴、陳紅磊、陸鈺佳、趙逍）