模塊化自由組裝式集成房屋的設計★

李旭楠 謝成越 張成武 譚周銘 張 凡 劉晶茹

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

裝配式建筑作為近些年來建筑行業(yè)逐漸興起的建筑形式，其施工更加簡單，成本更加節(jié)約，過程更加環(huán)保，受到廣大建筑企業(yè)的重視，消費者的青睞，如今裝配式建筑房屋發(fā)展日趨成熟。我們在現(xiàn)有裝配式建筑的基礎上，創(chuàng)新性地提出了模塊化與集成式的理念，并且闡述了其優(yōu)缺點，旨在為我國后續(xù)的裝配式建筑房屋提供一種新的發(fā)展方向。

1 集成房屋的優(yōu)勢

集成式房屋采用模塊化設計，即將我們正常居住的房屋的各個功能區(qū)域設計成模塊，可以自由拼裝組合，有豎向、橫向串聯(lián)、相交、打通、錯位和懸吊等多種組合方式。該房屋的出現(xiàn)可以讓消費者根據(jù)自己的需求，讓房屋DIY化。其雖然同樣屬于裝配式建筑，但是其實用性與靈活性遠超目前存在的裝配式房屋。具體優(yōu)勢在于以下幾個方面：

1)集裝箱式建筑。

把房屋的各個功能模塊采用集裝箱的形式進行模塊化，可以實現(xiàn)批量工業(yè)化，大大降低房屋的整體成本。

2)搭建拆卸便利。

由于采用模塊化組裝方式，房屋的搭建與拆卸十分便利，該特性將會徹底改變我們對房屋的認識，未來可移動的房屋將會成為現(xiàn)實。

3)充分考慮到了生活使用。

該新型拼裝房屋有標準模塊與可擴展模塊，其中房屋的一樓為標準模塊，包括客廳、廚房、衛(wèi)生間模塊，二樓為可擴展模塊，有衛(wèi)生間模塊，樓梯模塊，臥室模塊。每個模塊都有著自己獨立的供電與給排水系統(tǒng)，充分考慮到了房屋的實用性。

2 目前國內(nèi)外裝配式建筑的研究狀態(tài)

2.1 國外裝配式建筑研究狀態(tài)

在裝配式建筑領域，美國與歐洲走在世界前列。裝配式建筑最早起源于歐洲，在17世紀時，歐洲就開始了建筑工業(yè)化之路，而第二次世界大戰(zhàn)之后，由于勞動力短缺，這更進一步促進了歐洲在裝配式建筑領域里開發(fā)新技術(shù)的動力，此外，裝配式建筑在歐洲已經(jīng)廣泛實施，歐洲工程界人士因此積累了廣泛的設計、施工經(jīng)驗，并且這些經(jīng)驗又反過來推動了技術(shù)理論研究的進步，歐洲建筑科學界截至目前在該領域內(nèi)的理論積累在世界范圍內(nèi)首屈一指。其中近五年內(nèi)對行業(yè)推動比較大的研究如下所述：

1)裝配式建筑建造效率方面：Diana Lopez(2016)利用定量和定性的科學評估方法，對單體式的住宅進行了系統(tǒng)完善的評估，重點評估其建造方式，即現(xiàn)場澆筑式建造和裝配式建造并且分別從這兩種建造方式的建造效率和質(zhì)量來評定其效益性。此外，對裝配式建造的住房而言，其效益還和質(zhì)量控制、施工現(xiàn)場工作與交易相關(guān)聯(lián)[1]。

2)研究裝配式的施工安全方面：相繼出現(xiàn)了J.James，RY Zhong，F(xiàn).M等歐美研究人員分別在施工人員安全，施工質(zhì)量監(jiān)督，裝配式建筑的施工穩(wěn)定性等領域做出了深入研究，積累了較多的研究成果，對裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻[2]。

3)研究裝配式的建筑成本和利潤方面：Alfred A Yee等研究人員，通過對裝配式建筑與現(xiàn)澆式建筑的施工成本進行橫向與縱向的深入對比，發(fā)現(xiàn)裝配式建筑由于適用性更強，基本可實現(xiàn)預制化，批量化生產(chǎn)帶來的顯著成效就是與現(xiàn)澆式房屋對比，其經(jīng)濟性更加突出，并且基于這一特性，根據(jù)市場需求，研究出了控制預制產(chǎn)品數(shù)量與銷售數(shù)量的經(jīng)濟性理論[3]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國裝配式建筑領域的研究起步比較晚，我國學者正式進入到裝配式建筑的研究領域是從20世紀50年代開始，科研人員在充分參考歐美發(fā)達國家的研究結(jié)論的基礎上，結(jié)合我國的實際發(fā)展狀況，得出了符合國情的研究與應用體系，但是從總體來看，我國在裝配式建筑領域的基礎理論還比較薄弱，但是在應用層面，中國的研究已經(jīng)突顯出迎頭趕超的趨勢。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻，總結(jié)了對行業(yè)發(fā)展比較大的研究成果，具體描述如下：

1)裝配式建筑項目安全和可靠性方面：研究人員黃靈，建立了對整個裝配式建筑施工安裝過程的觀察標準，該標準當中涉及到十余項指標參數(shù)，通過對這些參數(shù)的收集與定量分析，可以判斷得出裝配式建筑在施工過程中的各類問題，并且能比較準確地評價出建筑物的安全隱患與使用壽命[4-6]。

2)裝配式建筑的經(jīng)濟效益和成本控制方面：經(jīng)濟學研究學者呂青通過研究整個建筑業(yè)的宏觀數(shù)據(jù)，結(jié)合材料、人工、經(jīng)濟發(fā)展水平、施工工藝類型等參數(shù)，開發(fā)出了符合中國實情的裝配式建筑評價系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以有效地總結(jié)出在某個地域施工裝配式建筑的經(jīng)濟性[7]。

3)裝配式建筑施工技術(shù)層面革新方面：國內(nèi)研究人員于龍飛，張家春等人利用BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應用出發(fā)，研究開發(fā)了裝配式建筑集成集造系統(tǒng)，系統(tǒng)當中對施工各環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)都有設定，并且闡述了使用條件，同時還能不斷地更新系統(tǒng)的技術(shù)庫，由此對我國裝配式建筑的施工指導有著深遠的意義[8，9]。

綜上所述，在裝配式建筑領域，國內(nèi)外學者在質(zhì)量安全、經(jīng)濟成本、施工技術(shù)、評價體系等方面付出了巨大的努力，產(chǎn)生了對行業(yè)發(fā)展深遠而持續(xù)的研究成果。而從研究方向看來，歐美發(fā)達國家由于起步較早，更多地是在基礎理論上不斷加深，中國由于具備龐大的市場需求，則更傾向于在技術(shù)應用層發(fā)力。

3 模塊化集成房屋設計的實踐

3.1 設計方案構(gòu)思

在目前裝配式建筑的基礎上進行提升，通過以集裝箱的形式，使全屋功能區(qū)域?qū)崿F(xiàn)模塊化，讓裝配式建筑的便利性更徹底，并且增強了裝配式建筑的靈活性，這是非常創(chuàng)新的設計。未來房子可以真正實施按需定制，靈活搭建與拆卸，不動產(chǎn)變成徹頭徹尾的動產(chǎn)。

3.2 設計構(gòu)思綜述

1)以集裝箱形式實現(xiàn)模塊化。

通過查詢行業(yè)論文得知，目前在行業(yè)內(nèi)提出以集裝箱式的構(gòu)造方案還并不多見，本方案在設計立意上具備一定的創(chuàng)新性，其次集裝箱的形式在目前的眾多形式當中最容易模塊化，過去的裝配式建筑絕大多數(shù)以預制構(gòu)件為基礎，在施工現(xiàn)場對各預制件進行拼裝組合，無法實現(xiàn)全屋功能的組合，但是以集裝箱形式則比較完美地實現(xiàn)了該效果(見圖1)。把房屋各大功能區(qū)拆分成各大模塊，消費者喜歡哪些功能，或者希望以什么樣的形式進行組合布置，可以更加聽從內(nèi)心的選擇，所以集裝箱式的模塊化，是我們的房屋設計理念的第一步。

2)墻壁折疊與卡槽結(jié)合進行安裝。

與傳統(tǒng)的裝配式建設采用框架焊接截然不同，集成式房屋采用自由靈活的墻側(cè)卡槽安裝，在安裝過程中墻壁可折疊，方便整個房屋的自由組裝，任何房屋模塊只要通過墻側(cè)卡槽的契合，就可以實現(xiàn)穩(wěn)固連接，考慮到組合的自由度，在安裝層面，集成式房屋設計有豎向、橫向串聯(lián)、相交、打通、錯位和懸吊等多種組合方式。由此實現(xiàn)房屋像搭積木一般的方便自如。

3)標準模塊與擴展模塊相結(jié)合。

房屋的設計采用標準模塊與擴展模塊，房屋設計共分兩層，其中一層按照標準模塊設計，包括房屋的主要使用功能，如臥室、廚房、客廳、衛(wèi)生間(見圖2，圖3)，二樓采用可擴展模塊，讓消費者可以根據(jù)自己的喜好搭配，這樣做的好處在于一方面充分考慮房屋的實用性，另一方面給消費者自由發(fā)揮的空間，讓房屋按照自己希望的方式進行呈現(xiàn)。

4)完全滿足房屋的生活使用。

由于各模塊可以自由組裝拆卸，因此在房屋用電用水的基礎功能上，各模塊都是有著自己獨立的供電與給排水系統(tǒng)，由此消除某一模塊改變時影響整個房屋的正常使用。在組裝時，供電與給排水系統(tǒng)通過相關(guān)的組件進行統(tǒng)一連接接口，由此保障了供電與供水的順暢，而拆卸時僅需拔掉相應模塊的鏈接管路，對其他模塊的供電給排水絲毫不影響。其工作原則如下：

a.在供電方面：每個模塊都有著獨立的電路輸送線路，預留連接口，其中供電由每個模塊單獨的太陽能板解決。

b.給排水方面：其中一層標準模塊可采用當?shù)氐氖姓┧c排水管網(wǎng)解決，二層的供水由單獨安裝在二層的高達3.7 m水箱解決，水箱與市政給水管網(wǎng)連接，為二層擴展模塊給水，水箱帶有止水球，防止水箱中的水溢出。擴展模塊當中的衛(wèi)生間，包括馬桶與洗手池的廢水則先排放到排水箱中，排水箱再連接到房屋所在地塊的市政污水管網(wǎng)，進行廢水排放。模塊內(nèi)的所有管道都采用塑料管道進行連接，這樣有利于房屋各功能模塊的組裝拆卸。

5)設計有牽引掛鉤，方便拖運。

集成式房屋另一大不同之處在于，其不再像傳統(tǒng)裝配式建筑一樣一旦安裝就固定不變，集成式房屋還可以隨著住戶的遷徙而移動，從不動產(chǎn)變成為動產(chǎn)，這樣給消費者一種可以自由旅居的體驗，未來隨著消費者的生活水平的提高，喜歡旅居體驗的人會越來越多，之前的房車是一種有錢人的享受，未來有了集成式房屋之后，可以以更少的錢享受到房車的體驗，這對于未來年輕人的誘惑是相當大的。集成式房屋的標準模塊設計有類火車牽引掛鉤，當需要對房屋進行長距離移動時，只需通過牽引掛鉤的咬合，就可以達到相當高的穩(wěn)固系數(shù)，可以掛在汽車后面去到消費者想去的地方[10]。

4 結(jié)語

采用集裝箱式的模塊化設計，使得房屋各功能單元真正實現(xiàn)了各自獨立，也讓消費者能針對自己的房屋進行個性化的設計裝配，該種新型房屋是裝配式建筑的升級，它的便利性，模塊化，靈活性，定制化功能大大擴展了我們對于房屋的想象，未來房屋帶給消費者的體驗將是多元化的，尤其滿足新生代年輕人對于旅居的暢想，個性化定制的需求，同時大大降低當下消費者購房成本，組裝式集成房屋將有望開啟一種全新的居住模式。