模塊化技術(shù)在裝配式木構(gòu)建筑中的應(yīng)用及發(fā)展

文／楊 瑛 湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 教授級高級工程師 博 士（通訊作者）

劉梓玉 湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 碩士研究生

1 模塊化技術(shù)及其發(fā)展歷程

隨著城市化進程的加快，城市規(guī)模迅速擴張，已經(jīng)有越來越多的建筑師開始面臨著一個難題：如何能夠在很短的時間內(nèi)快速建造出更加經(jīng)濟的建筑？作為一種新興的建筑設(shè)計理念，模塊化技術(shù)逐漸走入人們的視野。以一個空間作為一個模塊單元，提前建筑工廠內(nèi)部，率先進行批量生產(chǎn)，完成后運輸至施工現(xiàn)場并通過可靠的連接方式組裝成為建筑整體，完成后直接運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場并通過多種可靠的連接方式將其進行組裝組合起來從而成為一個大型建筑整體[1]。這個過程中，靈活多樣的連接方式給建筑本身的設(shè)計和維護帶來了極大的便利。

1.1 模塊化技術(shù)特點

模塊化主要是在解決某一個復(fù)雜的問題時，把它們劃分成若干個子程序，再將其逐步解決。在進行設(shè)計時，以一個房間單元為一個模塊，并將這些模塊在工廠進行施工，施工完成后再運送到施工現(xiàn)場進行拼裝。模塊化建筑預(yù)制程度高，能夠極大減少人力物力，使用模塊化技術(shù)能夠縮短施工周期，并且綠色環(huán)保[2]。模塊是結(jié)構(gòu)的一個組成部分，由一個單一的建筑構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的一部分或整個建筑的一部分，即功能單元。通過基本模塊的重復(fù)組合，能夠得到許多不同的結(jié)構(gòu)。模塊也應(yīng)該是簡單的預(yù)制，很容易連接到另一個模塊。與傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相比，模塊化體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于能夠化繁從簡，將復(fù)雜系統(tǒng)逐個分解并將其模數(shù)化，使建筑更易于管理[3]。

1.2 模塊化技術(shù)的發(fā)展歷程

國外最早在1962年，為了解決工商管理方面的問題，西蒙提出了模塊化的概念并對其相關(guān)理論加以研究。西蒙指出將要解決的問題分成多個模塊，并且在這種形勢下，每個模塊都能夠獨立運作，使整體工作效率達到最高[4]。1965年，Starr提出了模塊化就是通過設(shè)計和生產(chǎn)一個模塊，并以盡可能多的方式與另一個模塊之間進行組合[5]。在面對復(fù)雜的問題時，模塊化能進行有效的簡化，從而提高質(zhì)量及效益。因此在建筑設(shè)計中，模塊化技術(shù)的運用能夠極大地提升效率，解決復(fù)雜的建筑設(shè)計和施工過程[6]。

模塊化的建筑最早開始發(fā)展并且形成的一個框架結(jié)構(gòu)體系就是在加拿大的蒙特利爾市，該框架結(jié)構(gòu)利用一個盒子所設(shè)計而形成的整體造型共由158個單元和多個體塊組成，并且每個單元模塊都以38×17英尺的尺寸通過混凝土澆筑組合完成。每個模塊在加工完成后都通過吊裝的方式運輸?shù)街付ㄎ恢茫僖詤⒉铄e落的形式堆積起來，給人們呈現(xiàn)了一種新的建筑形象。Habitat 67綜合居住體一直保存到今天，并且遠遠超過它的預(yù)期壽命，可以預(yù)料，它仍然會以一個成功的綜合居住體繼續(xù)存在，成為一個時代的象征。

到了現(xiàn)代，模塊化技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，美國、英國、加拿大、日本等國家對模塊化技術(shù)進行了深入的研究，將其應(yīng)用到醫(yī)院、學(xué)校、體育館等建筑設(shè)計中，并在建筑設(shè)計與建筑建造等方面有了一定的成果。隨后，模塊化技術(shù)又被應(yīng)用在木結(jié)構(gòu)建筑中，目前采用模塊化技術(shù)的木結(jié)構(gòu)建筑在國外得到大力推廣，多被應(yīng)用在住宅或公共建筑中[7]。

在我國古代，模塊化建筑在建筑建造中可以追溯到明清時期，中國古代最完整的建筑技術(shù)書籍《營造法式》中有明確記載。在1103年，當時的建筑師和工匠們就已經(jīng)提出用單位來測量和切割木材，由此逐漸形成一套規(guī)范的模數(shù)體系。《營造法式》規(guī)范了木材計量單位，劃定了設(shè)計尺度和施工原則，也為中國木結(jié)構(gòu)建筑奠定了堅實的基礎(chǔ)。

我國自1980年從國外引進模塊化技術(shù)以來也在逐步發(fā)展，2018年1月，《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》發(fā)布后，國家正在大力支持發(fā)展裝配式木結(jié)構(gòu)建筑，隨著各項政策的積極推動，模塊化技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2 模塊化技術(shù)在裝配式木構(gòu)建筑中的應(yīng)用

模塊化技術(shù)代表了目前世界上最先進的建造技術(shù)，也是建筑工業(yè)化最徹底的表現(xiàn)形式。在建筑中，模塊化技術(shù)有著不同的表現(xiàn)方式，如采用相同結(jié)構(gòu)的不同組裝方式，未來建筑可能會有不同的用途，便于日后改擴建；幾個相同空間單元的不同組合，在不同區(qū)位、氣候、地形條件的制約下，建筑仍然能夠適應(yīng)；整體藏體式的盒子建筑只需在工廠預(yù)制，包括廚浴部品在內(nèi)，在施工時僅僅需要簡單地安裝即可完成。

2.1 結(jié)構(gòu)模塊化——日本福岡T-nursery幼兒園

T-nursery幼兒園處于郊外，出于對日本未來出生率的考慮，建筑師希望建造一個便于日后擴建或縮小的建筑，因此將模塊化技術(shù)應(yīng)用于此。在建造設(shè)計中，建筑內(nèi)部房間未設(shè)有支柱，這會使房間變得非常實用，可以隨時變換各種用途；外圍墻面由支撐結(jié)構(gòu)組成，能夠支撐9米的無柱空間，為日后建筑空間靈活變動奠定了基礎(chǔ)[8]。模塊化技術(shù)則運用在它的結(jié)構(gòu)木桁架梁上，木桁架梁在工廠安裝，再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。復(fù)雜的組合拼裝工序也是在工廠制作的，只有一個相對容易的工序在現(xiàn)場組裝。這樣的建造工程施工管理模式不僅大大提高了建筑的建造施工管理效率，還大大縮短了建筑的施工時間。

2.2 結(jié)構(gòu)模塊化——永續(xù)咖啡館

永續(xù)咖啡館（圖1）通過裝配式建造方式，通過模數(shù)化設(shè)計得到標準單元，進行結(jié)構(gòu)驗算得出可能的組合方式，所有的組合方式可以在上海的任何公園中建立[9]。采用模塊化設(shè)計，通過兩塊板材的空間布置，“T”型、倒“U”型等實現(xiàn)合理的受力和傳遞，不同形態(tài)的空間組合有利于建筑日后的改造以適應(yīng)不同的功能。

圖1 永續(xù)咖啡館及基本形態(tài)（圖片來源：作者自繪）

2.3 結(jié)構(gòu)模塊化——MU50小屋（土耳其模塊化單元50號）

模塊化單元（MU50）是一種小型模塊化的非網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建筑原型，它具有良好可持續(xù)回收性并且能夠廣泛應(yīng)用于不同的環(huán)境場所。結(jié)構(gòu)用落葉松木框架和圍面板預(yù)制好后，便于現(xiàn)場安裝，減少了安裝時間。相同結(jié)構(gòu)的不同組合形成了完整的艙體，艙體包括浴室和廚房以及必要的存儲空間，所有的管道、電力、通風(fēng)等系統(tǒng)都可以在工廠預(yù)先安裝，一體化建造完成之后直接運送到現(xiàn)場。

2.4 空間模塊化組合——組裝式單元生活空間

組裝式單元生活空間（圖2）的每一個折角模塊寬2.5米，長4.5米，高2.7米。它們被設(shè)計成一個個獨立的單元，建筑單體的內(nèi)部空間能夠靈活布置，無論是在豎直方向還是水平方向都能夠進行靈活組合，以適應(yīng)不同的區(qū)位、氣候和地形。單一的模塊具有單一的功能，但是多個模塊組合起來之后，就在三維上增長，建筑更加穩(wěn)定，適應(yīng)不同的場所和功能的需要。

圖2 組裝式單元生活空間及基本單元模塊（圖片來源：作者自繪）

2.5 空間模塊化組合——托卡納卡特鄉(xiāng)村酒店

這是俄羅斯地區(qū)唯一的模塊化木結(jié)構(gòu)建筑案例。先將規(guī)格為3.5×7米的模塊在工廠生產(chǎn)組裝好再運輸?shù)綀龅厣希缓髮?nèi)部裝修、各類管道和衛(wèi)生設(shè)施安裝起來，最后安置家具。托卡納卡特鄉(xiāng)村酒店（圖3）由三部分組成，其中32個標間就是由32個面積為18平方米的標準模塊組成；獨立設(shè)置的套房部分由兩個模塊拼裝而成；套房接待樓則是由三個模塊和一些預(yù)制組件拼裝而成。為了保護當?shù)氐淖匀画h(huán)境，模塊化技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，所有的建筑模塊都避開松樹建造，使得這些樹木既能夠被保留下來，免于遭到被砍伐的厄運，又可以加深人與自然之間的聯(lián)系。

圖3 托卡納卡特鄉(xiāng)村酒店及基本單元模塊（圖片來源：作者自繪）

2.6 整體艙體模塊化——望山蜂巢

望山蜂巢作為旅游度假酒店，采用模塊化設(shè)計成為一個個單元模塊，可多次重復(fù)拆裝，包括雨水回收、太陽能電池等環(huán)保技術(shù)集成在內(nèi)。為了適應(yīng)各類地形環(huán)境的同時又不影響當?shù)氐淖匀画h(huán)境，將其架于空中，無論是位于湖邊、山地或是森林，安裝時人力即可操作。

2.7 整體艙體模塊化——A45黑色小木屋

著名建筑事務(wù)所BIG在哈德遜河谷設(shè)計了一座帶有傾斜屋頂?shù)暮谏∧疚荨＿@種木屋的三角形結(jié)構(gòu)墻體是用黑色的松木進行彎曲搭配而成，并且建于四個鋼筋混凝土的基座上。內(nèi)部空間主要包含一個全新的開放式生活區(qū)與一個睡眠室、開放式的廚房空間、洗手間和一個閣樓。它可以被運送至任何地方，只需要改變它的基座就可以適應(yīng)不同地形，這也是艙體的優(yōu)勢之一。

3 木結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)的發(fā)展挑戰(zhàn)與展望

在我國，建筑行業(yè)雖然在逐漸推廣并開始使用模塊化木結(jié)構(gòu)建筑，但沒有標準的規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計施工。雖然建筑師有熱情采用模塊化技術(shù)進行木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計，但往往因為缺乏相應(yīng)的標準而止步于設(shè)計階段，無法進行下一步的施工深化。除了缺乏相關(guān)設(shè)計規(guī)范，模塊化技術(shù)無法全面發(fā)展的原因之一還在于高昂的造價成本。

由于建筑配件模塊需要在工廠中進行預(yù)制加工，目前我國正在進行的是工廠化預(yù)制加工，建筑配件生產(chǎn)的企業(yè)主要以施工單位和企業(yè)為主，若是項目所在地距離廠家較遠，運輸成本不可忽視。尤其在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計中，部分木材本身就要進口，再加上模塊化技術(shù)的應(yīng)用，在這些限制之下，建造成本也相對增加。

在國內(nèi)外案例的分析中可以發(fā)現(xiàn)，模塊化木結(jié)構(gòu)建筑尺度較小，是因為受制于在工廠安裝，運輸?shù)跹b比較困難，所以使建筑在功能層數(shù)上具有一定程度上的限制，通常被應(yīng)用在臨時建筑、酒店建筑、小型商業(yè)建筑或者小型公共建筑上。因此，如何將此類建筑應(yīng)用在更多方面也將是人們需要考慮的問題。

“十四五”規(guī)劃提出“堅持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，全面推進鄉(xiāng)村振興”“完善新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，提升城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量”“推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生”等綱領(lǐng)，中央明確了在推進建筑工業(yè)化的同時，要繼續(xù)推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，推廣智能裝配式建筑，同時隨著國家對環(huán)保的重視程度的增加，以節(jié)能環(huán)保為導(dǎo)向，將加快核心、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域新技術(shù)推廣應(yīng)用，對模塊化木結(jié)構(gòu)建筑的研究也必將更加深入。