既有多層住宅集成木構(gòu)交通模塊設(shè)計(jì)研究

羅澤，張楠

（中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 419300）

0 引言

隨著城市化的進(jìn)程和人口老齡化的加劇，20 世紀(jì) 80～90年代及之前建成的多層既有住宅未增設(shè)電梯、空間狹小，已然不能滿足當(dāng)下市民的居住需求。全國(guó)各市區(qū)城市核心地帶存在著大量既有多層住宅，這些舊住宅多為磚混結(jié)構(gòu)且常年未維護(hù)，立面并不美觀，但是由于其規(guī)范設(shè)計(jì)70 年的建筑年限和扎實(shí)的建筑用材，良好的建筑文脈的保存，使其具備一定的再利用的基礎(chǔ)與價(jià)值[1]。對(duì)既有住宅交通空間的更新研究的是當(dāng)前社會(huì)的熱門(mén)話題，汪建平[2]從中部省會(huì)城市的既有住宅加裝電梯政策角度，梳理了鄭州、長(zhǎng)沙、南昌、合肥四個(gè)城市在實(shí)施條件、實(shí)施程序、安全監(jiān)管的文件發(fā)布情況。楊智凱[3]對(duì)既有住宅增設(shè)電梯及其關(guān)聯(lián)環(huán)境空間的空間構(gòu)成要素進(jìn)行了歸納，總結(jié)了電梯與既有建筑的構(gòu)成模式和電梯關(guān)聯(lián)環(huán)境空間構(gòu)成模式。張恒等[4]依托具體實(shí)施案例，從樓梯平臺(tái)入戶和直接入戶、戶型與電梯位置間的相互影響、現(xiàn)狀和建筑規(guī)范對(duì)電梯加建的制約等方面探討，為多層住宅電梯加建提供思路 。本文從裝配式木結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)體系出發(fā)，依托國(guó)家力推的“雙碳” 和裝配式建筑政策，運(yùn)用集成木材（膠合木）構(gòu)件與剛性連接節(jié)點(diǎn)裝配，形成穩(wěn)定的集成梁柱模塊單元，再在其內(nèi)部集成水暖電等設(shè)備，具有的質(zhì)量輕、可快速拆卸、抗震性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，此外集成木構(gòu)體系綠色環(huán)保、工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)僅需吊裝施工，可以更好地為如火如荼的城市更新和既有住宅改造賦能。

1 研究概述

1.1 研究背景

2021 年底，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展第一批城市更新試點(diǎn)工作的通知》，決定在北京等 21 個(gè)城市（區(qū)）開(kāi)展第一批城市更新試點(diǎn)工作[5]。在2021 年兩會(huì)期間首次將碳達(dá)峰、碳中和寫(xiě)入政府工作報(bào)告中，CO2排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[6]。木材可再生、可重復(fù)利用、可生物降解的特性使其成為重要的綠色材料。北京林業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)建筑研究與檢測(cè)中心數(shù)據(jù)表明，建設(shè)同樣一棟大樓，與使用鋼筋混凝土相比，使用木結(jié)構(gòu)可減少碳排放 300 多t[7]。

1.2 概念界定

本文所涉及的交通模塊是指以輕木結(jié)構(gòu)為主體支撐結(jié)構(gòu)，具有拓展空間、載客運(yùn)輸、組織動(dòng)線等功能的標(biāo)準(zhǔn)單元模塊。交通模塊根據(jù)使用者的需求分為以集成“電梯”功能為主要形式的垂直交通模塊和以集成“廊道陽(yáng)臺(tái)”功能為主要形式的水平交通模塊，如圖1 所示。交通模塊集機(jī)械設(shè)備、水暖電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及智慧場(chǎng)景系統(tǒng)等十幾個(gè)專業(yè)系統(tǒng)為一體，其外觀規(guī)則、尺寸符合人體工程學(xué)，并且采用集裝箱模數(shù)設(shè)計(jì)，所有構(gòu)部件及智能化設(shè)備均在工廠預(yù)制、集成，現(xiàn)場(chǎng)僅需整體吊裝施工即可使用。

圖1 交通模塊平面構(gòu)成示意圖

2 交通空間模塊增設(shè)面臨的主要問(wèn)題

20 世紀(jì)80、90 年代的老舊小區(qū)，由于城鎮(zhèn)加速擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大多處于商業(yè)中心等黃金地帶，同時(shí)具備得天獨(dú)厚的交通和醫(yī)療資源。隨著使用年限增加，人口老齡化加劇，并且缺少的科學(xué)的物業(yè)管理及適老適殘服務(wù)設(shè)施，集中呈現(xiàn)出破、舊、暗、小等集中問(wèn)題，已成為城市中心的“毒瘤”，老舊社區(qū)建筑更新刻不容緩。

2.1 加建交通模塊對(duì)原住宅結(jié)構(gòu)破壞較大

既有住宅增設(shè)電梯已經(jīng)成為新建住宅的標(biāo)準(zhǔn)配置，而這一批舊住宅樓未預(yù)留電梯井，多為垃圾通道及煙囪通道，改造及再利用成本大，對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)破壞較大。既有多層住宅建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在滿足結(jié)構(gòu)承載力較強(qiáng)的前提下，模塊增設(shè)要充分綜合樓層高度、電梯軌道安裝位置和設(shè)備的占用體積。在交通模塊井道結(jié)構(gòu)，盡可能不采用懸挑結(jié)構(gòu)井道（不落基礎(chǔ)），減少對(duì)建筑構(gòu)造柱及圈梁的受力。同時(shí)根據(jù)戶型和入戶方向，據(jù)具體情況勘察評(píng)估后制定合理結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，例如在受力節(jié)點(diǎn)增設(shè)鋼梁、鋼柱等支撐結(jié)構(gòu)，在保證安全性和穩(wěn)定性前提下進(jìn)行增設(shè)。

2.2 加建交通模塊與原建筑立面不協(xié)調(diào)

當(dāng)下加建的交通模塊多為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，這兩種建筑材料形式與原住宅的立面風(fēng)格不和諧，亦不符合老舊街區(qū)歷史風(fēng)貌，提倡在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用符合街區(qū)和文化的語(yǔ)言和材質(zhì)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)主流加建電梯單元模塊多為鋼結(jié)構(gòu)框架，維護(hù)結(jié)構(gòu)普遍采用玻璃幕墻體系的入戶陽(yáng)臺(tái)模塊，對(duì)增加室內(nèi)的采光有一定幫助，但新與舊的對(duì)比非常突出，如圖2 所示，相對(duì)較虛的玻璃幕墻與原建筑實(shí)墻形成了強(qiáng)烈的對(duì)比，較大材料和色彩元素的使用，對(duì)現(xiàn)有住區(qū)風(fēng)貌有一定的影響，而混凝土井道需要對(duì)整體立面進(jìn)行統(tǒng)一重新粉刷，工程量大、施工效率低，帶來(lái)不必要的成本。

圖2 既有多層住宅電梯模塊增設(shè)現(xiàn)狀

2.3 加建交通模塊對(duì)室內(nèi)采光的影響

增設(shè)交通模塊會(huì)對(duì)原建筑的室內(nèi)采光有較大影響，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)單元模塊加建方向選擇應(yīng)提前做方案的日照分析模擬計(jì)算。如圖2 所示，在南向入戶陽(yáng)臺(tái)加建交通單元模塊，通常對(duì)用戶的采光影響較大；在北向加建單元模塊，影響較小，但需要針對(duì)戶型考慮其北側(cè)起居室、臥室的影響。此外，考慮對(duì)場(chǎng)地內(nèi)遮光影響較大的園林綠植進(jìn)行定期修剪，如存在古樹(shù)及名貴樹(shù)種，需按照有關(guān)法規(guī)進(jìn)行避讓和移栽等保護(hù)措施。在不影響室內(nèi)日常采光的前提下，現(xiàn)行方案多為玻璃加鋁合金框架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，玻璃多為雙層中空的Low-E 低輻射玻璃，具有優(yōu)良的隔熱效果和透光性。而部分采用混凝土加建模塊的井道，井道基本未設(shè)置大尺寸開(kāi)窗，基礎(chǔ)立柱截面大，對(duì)既有住宅采光影響非常大，但降噪減震性能較突出。

2.4 加建交通模塊侵占宅前道路、綠化空間和停車空間

老舊小區(qū)存在停車難以及宅前道路狹窄的情況，調(diào)研走訪發(fā)現(xiàn)，八九十年代既有住宅未規(guī)劃停車庫(kù)及足夠比例的停車位。如圖2 所示，加建交通模塊電梯井道的過(guò)程中，通常會(huì)侵占宅前停車道路的流暢性以及宅前綠化樹(shù)木遭到砍伐或移栽，施工成本和周期一定程度會(huì)延長(zhǎng)，也會(huì)影響整個(gè)街道的交通流線組織和其關(guān)聯(lián)的環(huán)境空間。

3 集成木構(gòu)技術(shù)運(yùn)用于既有多層住宅更新的優(yōu)勢(shì)

集成木構(gòu)技術(shù)是一種現(xiàn)代的建筑技術(shù)，它通過(guò)將木材和其他材料集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更靈活的建筑施工。在既有多層住宅電梯增設(shè)中，使用集成木構(gòu)技術(shù)有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

3.1 集成木材具有綠色低碳的材料屬性

裝配式木結(jié)構(gòu)取材于大自然，天然具備融合歷史文化的特性，且由于材料與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具備平面布置靈活、方便運(yùn)輸、裝配簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，與老舊社區(qū)建筑改造特別是位于歷史街區(qū)住宅的建筑風(fēng)貌的修繕要求相契合[8]。如圖3 所示，集成木構(gòu)水平模塊可有效拓展居住空間及增加觀景面，陽(yáng)臺(tái)模塊提前集成景觀等園藝設(shè)施澆灌設(shè)備，具有調(diào)節(jié)微氣候，以提供更好的室內(nèi)空氣質(zhì)量，為住戶創(chuàng)造更健康的居住環(huán)境。同時(shí)木材密度小，集成模塊相對(duì)于傳統(tǒng)的建筑材料來(lái)說(shuō)更輕，因此可以減小對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)的影響。集成木構(gòu)技術(shù)采用的木材是一種天然的可再生資源，不僅可以減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)也可以減少建筑垃圾的產(chǎn)生，減輕對(duì)環(huán)境的壓力。木材本身是“固碳”材料，集成木構(gòu)技術(shù)的設(shè)計(jì)可以提高建筑的能效，減少能源的浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)“減碳”的目的，順應(yīng)國(guó)家“雙碳政策”，低碳環(huán)保意味著擁有很大的市場(chǎng)潛力。

圖3 既有住宅加建電梯模塊單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 集成木構(gòu)技術(shù)具有快速裝配、可拆卸的優(yōu)勢(shì)

老舊城區(qū)的改造具有施工周期短、施工工序簡(jiǎn)易、施工質(zhì)量好、施工成本低的要求，集成木構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制模塊施工快、造價(jià)低、人力少，可拆卸且現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有濕作業(yè)，對(duì)比傳統(tǒng)施工工藝來(lái)說(shuō)效率更高、更具有競(jìng)爭(zhēng)力。集成木構(gòu)技術(shù)可以在工廠制造，而不是在現(xiàn)場(chǎng)制造，可以減少施工現(xiàn)場(chǎng)的工作量，加快建筑項(xiàng)目進(jìn)度，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成施工，因此減少施工對(duì)住戶生活的影響，讓他們?cè)谳^短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常生活。集成木構(gòu)技術(shù)采用的集成部件可以進(jìn)行拆卸和重復(fù)利用，這意味著如果需要對(duì)電梯進(jìn)行進(jìn)一步的改造或拆除時(shí)，可以避免浪費(fèi)資源和材料。

3.3 集成木構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、可塑性更強(qiáng)

集成木構(gòu)交通模塊相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，主體支撐結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好，對(duì)于原始建筑結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何的負(fù)擔(dān)。木構(gòu)件采用膠合木（集成木）涂刷阻燃劑工藝，斷面尺寸不小于180mm×180mm，膠合木爆火面滿足燃燒溫度達(dá)到250℃后以0.64mm/min 炭化，炭化層有效阻止木構(gòu)件繼續(xù)燃燒，木構(gòu)件相對(duì)鋼構(gòu)件在燃燒后更具有荷載能力，為安全逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)取更加充裕時(shí)間。集成木構(gòu)技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)和制造，可以適應(yīng)不同的空間和結(jié)構(gòu)需求，因此非常靈活，與傳統(tǒng)的建筑材料相比，集成木構(gòu)模塊構(gòu)部件需要的維護(hù)成本較低，同時(shí)也可以提高建筑的壽命和穩(wěn)定性。

4 集成木構(gòu)交通模塊部件劃分

4.1 垂直交通模塊

垂直交通模塊具體包括樓板墻部件（結(jié)構(gòu)部件）、電梯設(shè)備、數(shù)控及安保門(mén)（設(shè)備部件）。在預(yù)制墻板部件內(nèi)集成電梯軌道和電梯數(shù)控設(shè)備管線，同時(shí)在外側(cè)預(yù)留空調(diào)新風(fēng)機(jī)外機(jī)平臺(tái)；預(yù)制樓板部件內(nèi)集成電梯軌道、安保門(mén)軌及智能化報(bào)警等設(shè)備。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)吊裝樓墻板部件即可實(shí)現(xiàn)垂直交通客梯的精準(zhǔn)增設(shè)裝配，如圖4 所示。

圖4 交通模塊部件構(gòu)成示意圖

4.2 水平交通模塊

水平交通模塊具體包括集成鋼木結(jié)構(gòu)框架、吊頂部件、底部樓板部件、圍護(hù)墻體部件（結(jié)構(gòu)部件）和廚衛(wèi)集成設(shè)備（設(shè)備部件）。模塊之間可任意組合排列，上下水平（含廚衛(wèi)）交通模塊的以相同模數(shù)孔位對(duì)接，并且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸推拉出陽(yáng)臺(tái)空間，如圖4 所示。集成樓墻板，包括面板層和基板層，水暖電控制盒設(shè)置于廚房框架的空腹柱面上，空腹柱內(nèi)同時(shí)集成有絕緣水管和電管的安全控制閥。

4.3 集成木構(gòu)交通模塊裝配流程

在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和施工組織時(shí)需要考慮以下兩點(diǎn)：確定電梯和入戶陽(yáng)臺(tái)增設(shè)位置，如梯間式電梯井道布置于樓梯間入口一側(cè)或原建筑陽(yáng)臺(tái)一側(cè)，盡可能避開(kāi)南向陽(yáng)臺(tái)，影響室內(nèi)采光；對(duì)鋼木電梯井道做初步方案設(shè)計(jì)后，需要對(duì)整體做標(biāo)準(zhǔn)化分塊處理。施工人員必須現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘，測(cè)量施工現(xiàn)場(chǎng)道路的轉(zhuǎn)彎半徑，再確定現(xiàn)場(chǎng)吊裝和運(yùn)輸車輛的長(zhǎng)度及型號(hào)。

當(dāng)集成木構(gòu)交通模塊到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，其裝配流程一般包括以下步驟：首先進(jìn)行主結(jié)構(gòu)模塊現(xiàn)場(chǎng)吊裝，將工廠內(nèi)預(yù)制完成的交通模塊自下往上依次分層裝配，采用“結(jié)構(gòu)部件＋電梯設(shè)備部件＋結(jié)構(gòu)部件”的模式，如圖4 所示，現(xiàn)場(chǎng)僅需將樓板梁柱和墻板梁柱通過(guò)螺栓鉸接；主體結(jié)構(gòu)吊裝完成后，安裝電梯軌道：電梯軌道是電梯安裝的基礎(chǔ)，首先需要按照設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行軌道的拼接和校平，然后使用固定螺栓將軌道固定在交通模塊井墻上；接下來(lái)，需要安裝電梯門(mén)套和井道設(shè)備：這包括電梯門(mén)套、門(mén)套導(dǎo)軌、限位開(kāi)關(guān)、擋板等。安裝過(guò)程中需要注意門(mén)套和設(shè)備的位置和尺寸，以確保其安裝位置和井道的大小相符；安裝電梯車廂和驅(qū)動(dòng)裝置：首先需要安裝電梯頂部驅(qū)動(dòng)裝置和電纜，然后將電梯轎廂放入井道內(nèi)，與軌道和門(mén)套配合連接；接下來(lái)連接電氣和控制系統(tǒng)：連接電氣和控制系統(tǒng)是電梯安裝的重要環(huán)節(jié)。這包括電纜連接、控制面板的安裝和連接、各種傳感器和安全裝置的安裝等。在連接過(guò)程中需要注意各項(xiàng)連接是否正確、電纜是否固定牢固等；最后進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試：安裝完電梯各個(gè)組件后，需要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。這包括對(duì)電梯的控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，以確保電梯的正常運(yùn)行和安全性能符合要求；竣工驗(yàn)收：最后，需要進(jìn)行交通模塊的竣工驗(yàn)收，確認(rèn)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。驗(yàn)收工作包括對(duì)電梯的質(zhì)量、安全性能等進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，并出具相應(yīng)的驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。

5 結(jié)論

綜上所述，集成木構(gòu)技術(shù)在既有多層住宅交通模塊增設(shè)中具有多種優(yōu)勢(shì)，為當(dāng)下增設(shè)電梯交通模塊提供了具有可行性的設(shè)計(jì)和施工解決方案。本文通過(guò)調(diào)研現(xiàn)階段電梯交通模塊增設(shè)的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)普遍存在施工效率低周期長(zhǎng)、對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出運(yùn)用集成木構(gòu)技術(shù)的材料、結(jié)構(gòu)和高度工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)來(lái)解決。此外，集成模塊的構(gòu)部件可重復(fù)使用性高、可塑性強(qiáng)、維護(hù)成本更低，可為居民創(chuàng)造更加舒適、安全和健康的居住環(huán)境。整體上，我國(guó)的既有住宅更新產(chǎn)品尚處于起步階段，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化是集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心思路，集成木構(gòu)同時(shí)又踐行著“綠色低碳”理念。在存量時(shí)代城市更新和高度工業(yè)化住宅的大趨勢(shì)下，集成木構(gòu)技術(shù)在既有住宅舊交通模塊增設(shè)方面具有廣闊的前景和重要的一定前瞻性實(shí)踐意義。