模块化建造游走四方的居所——基于2018全国高校学生钢结构创新竞赛的思考

■ 程东伟 CHENG Dongwei 罗 宇 LUO Yu 汤朔宁 TANG SHuoning

0 引言

近些年国内装配式建筑发展迅速，许多建筑都有装配化率要求，集装箱改造成为建筑的案例在国内屡见不鲜，模块建筑集合了两方面的优势，在建造质量、建设速度、生态环保、回收利用等方面都有很大的优势[1]（图1）。

与传统设计、施工、验收的建造方式不同，模块建筑设计、生产、建造过程很大程度上可以重叠，从而大大缩短建设周期，提高资金回收率[2]。模块建筑都是模块堆叠而成，结构形式和连接方式与传统建筑有较大差异。另外，因为运输条件和构造方式等因素，模块建筑也有建筑尺寸受限、双墙板及与传统居住使用习惯冲突等一些使用局限。同济大学学生团队参加了中国钢结构协会主办的2018全国高校学生钢结构创新竞赛，参赛作品“四方之舍”，用模块钢结构的方式建造一个能容纳1 500人的多层大学生宿舍，取得了特等奖的成绩，本文基于本次竞赛作品，结合其他一些实际案例，对模块钢结构建筑的优缺点和使用局限与突破进行一些总结。

图1 模块建筑优势

图2 总平面图

1 竞赛作品介绍

中国钢结构协会定期举办全国高校学生钢结构创新竞赛，以激发学生结构创新的热情，每年的竞赛作品中都可以看到当下比较先进的结构体系和具有创新性的节点构造等内容。2018年的竞赛要求是，用装配式钢结构建造一个能容纳1 500人的大学学生宿舍，没有具体场地限制，仅给出结构使用年限50年、设防烈度8度基本地震加速度0.3g、场地类别、抗震设防类别、地面粗糙度、基本分压、基本雪压等结构设计的基础条件。基于学生宿舍功能要求、建筑尽可能适应全国大多数地方、结构体系创新等多方面考虑，同济大学同学们用“四方之舍”的参赛作品赢得了特等奖，以下简要介绍一下其参赛作品。

1.1 设计立意及方案生成过程

设计的出发点还是基于学生宿舍的基本特征，即每一个宿舍都是几乎一样的单元，这个特征是比较适合用模块建筑建造的。这个参赛作品就采用了模块自堆叠形成四个带退台的方形院子，被一个公共功能环连成整体的方式，满足功能需要和竞赛要求（图2～4）。这个作品取名“四方之舍”也有多重含义：①任何大学的学生都是来自五湖四海，这是一个四方学子的宿舍；②设计用四个方形的院子来满足宿舍数量要求，这是四个方形组成的宿舍；③因为模块建筑建成后可以快速拆装到另外一个场地使用，这是一个游走四方的宿舍，所以，这个宿舍是四方学子的港湾，也是可以游走四方的居所。模块可以快速拆装到另外一个场地这个优势，也可以让这个学生宿舍可以很好地适应学生数量增减的要求：当学生数量减少，可以拆掉一些模块运输到另外需要的地方；当学生数量增加，可以增补一些模块增加使用人数（图5）。

方案的生成过程是基于传统宿舍的雏形：①为了提升居住品质，把传统内廊式宿舍拆解成四个外廊式宿舍拼成的一个方形院子；②如果方形院子是正南北布置，难以避免左右两侧东西晒的问题，所以把院子旋转45°，使得院子的每一边都有南向采光；③院子做退台，丰富建筑造型的同时，也可以最直观地体现模块建筑的特征；④经过计算，四个院子是可以满足1 500人居住要求比较合适的布置方式；⑤引入公共功能环，把四个居住院子连成整体，增加了学生居住之外的公共活动空间（图6）。从设计生成过程可以看到，虽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结果。

图3 总体鸟瞰图

图4 剖面透视图

图5 模块建筑快速适应学生人数增减

1.2 多层级公共空间

公共功能环的引入是设计的一个亮点，但是这个宿舍的公共功能并不仅于此，整个方案的公共空间是多层级的。第一级最重要的公共空间就是中间的功能环，可以在里面设置一些学习室、活动室等提供学生室内的活动；第二级公共空间就是建筑围合形成的五个院子，是学生进入室内的门厅，也是学生很好的室外活动空间；第三级就是退台，这些退台并不是简单的空置，也是由框架模块拼接形成，可以给学生提供半室外的活动空间；第四级就是在楼层之间，局部地方抽出几个模块，形成楼层之间的半室外活动空间（图7）。

1.3 模块类型

作品在满足基本居住功能的同时，提供了丰富的公共活动空间和富于变化的建筑外观，这些丰富的变化都是通过基本一致的模块单元组成的。基于建筑功能分类，整个作品使用的模块可以分成六种。最主要的就是两种宿舍模块，一种在3.3m宽、3.3m高、8.7m长的基本宿舍模块里,布置带卫生间和阳台的双人间，把卫生间放在外侧可以有较好的采光通风；另一种在院子的角部，把两个模块组成在一起，布置形成无障碍宿舍，居室、卫生间和阳台都充分考虑无障碍的使用。

第三种模块是退台模块，只有框架结构和部分顶板；第四种模块是三层和四层的公共环；第五种是公共环一层和二层架空部分，也只有框架结构起结构支撑作用；第六种是楼梯交通模块。除了第四和第五两种模块因为功能原因略长一点，其他所有模块尺寸是一样的，方便生产制作，减少运输成本和施工吊装成本（图8）。

1.4 结构体系与构造方式

在建筑构造上，该作品采用了轻钢龙骨构造体系，这个体系有自重轻，施工便捷，可以快速建设安装等优点。具体构造措施上着重考虑设备管道集成和模块之间的连接两个方面，在卫生间和走道的部分位置，把设备管道集合起来便于生产施工和设备检修。在模块之间连接的部位，考虑通过密封胶或拼缝板现场安装的方式，可做到模块连接之后的密封和建筑整体完整（图9）。

结构体系的创新也是本次竞赛的重点内容，基于建筑方案设计，结构采用了模块自我堆叠的方式，主要的创新点有定位抗剪双功能键和消能减震技术两项。节点中设计的定位抗剪双功能键，在安装时提供定位功能，提高安装速度和精度，服役时传递模块间剪力，保证结构安全。体系中使用的波纹钢板剪力墙，比一般钢支撑尺寸小，不影响室内空间的使用，同时具有消能减震功能（图10）。另外，结构设计不仅考虑了建成后建筑的受力情况，每个模块单元的吊装工况都做了充分的计算[3]。

图6 方案生成图解

图7 多层级公共空间

图8 功能模块单元

图9 管道集成节点

该竞赛作品因为宿舍的功能和尺度要求非常适合模块建筑，采用这种建造方式，通过建筑方案公共空间的设计和结构节点和做法的创新，取得了不错的成绩。但是竞赛过程中还是有体量穿插受限、出入口公共空间尺寸受限、难以形成大空间架空等受限制的地方，很多都是因为模块这种建筑的特点产生的。因此，也引发了笔者对模块建筑局限性及如何突破局限的一些思考。

2 模块建筑使用局限

模块建筑高效、高回收率、便捷拆装等优点使其有巨大的发展空间，在欧美发达国家都有许多实际应用，但是在我国实际应用并不多，国内主要生产制造企业的产品主要还是用于出口，这个现状说明，具体到实际应用，模块建筑还有其局限性，主要体现在建造成本、尺寸受限、与使用习惯冲突等方面。

2.1 建造成本

模块建筑在国内建成的案例少，一个重要的原因是造价成本偏高，工厂生产、高运输成本和双墙板体系材料增加，造成了模块建筑比同类型装配式建筑或传统的建筑造价高一些。不过在某些程度上，成本的偏高会因为模块建筑的施工周期短和高效的资金利用率抵消一些，国内也有越来越多的企业和个人认识到这一优势。另外，如果更多地采用模块建筑建造，流水线生产的模块会因为产量提升而降低单体生产成本，同时也会相应降低运输成本，而且随着传统建造方式人工成本的增加，也会进一步减小价格差。可以说，随着模块建筑进一步发展，越来越多的应用会有效降低建造成本。

图10 波纹钢板剪力墙

图11 模块单元结合装配式钢结构形成高大空间

图12 模块变化组合形成高大空间

2.2 尺寸受限

因为模块建筑生产拼装在工厂已经完成，运输的就是一个已经建好的单体，难以避免建筑尺寸需要受到运输尺寸限制。拿常规的陆路运输来说，全国通行的公路运输标准车货总高4.2m、车货总长18m、车货总宽2.5m，扣除车子本身的尺寸，货物尺寸基本在高3m、长15m、宽2.5m的范围内。特殊货物尺寸可以适当突破，但尺寸越大突破的代价越高，而且也遇到运输路径上有高架、涵洞、隧道等无法突破限制的条件。模块建筑每一个单体都是结构独立的“盒子”，单体内的柱和梁不但要支撑自身结构完整，还要考虑到在建筑整体里的其他荷载及运输和吊装过程中的完整性。所以，要把单体的某些梁柱取消是难以实现的，每个“盒子”这样的尺寸限制，使得难以直接用模块建筑实现大跨、通高等内部高大空间的要求。

2.3 双墙板系统

每一个单体都是独立完整的单元，这一特征也决定了模块建筑拼装完成之后都有双层的内墙和双梁双柱并置的情况，通常为了单体自身结构稳定，顶板和底板都有次结构支撑，所以楼板也是双层的。这样的构造形式带来了一定的结构重复和材料的浪费，相比同类型钢结构建筑，模块建筑的用钢量也会有所增加。这个局限是模块建筑这种建造方式带来的，双柱双梁外露的地方还需要做装饰板盖住，或者采用特殊的拼缝处理才能保证建筑的密封性和美观，双墙双板的优点是增加了建筑的隔热和隔声性能，双层墙板间距的合理控制可以大大增加隔声性能。

2.4 构造方式与使用习惯的冲突

因为运输和整体吊装的原因，模块单元的重量是需要考虑的重点内容。因为钢结构重量轻，是模块建筑采用最多的结构形式，轻钢龙骨墙板体系也是隔墙和楼板使用最多的方式。但是这样的构造形式和居民传统的居住习惯有一定的偏差，习惯钢混结构砌体墙的居住者对于轻钢龙骨体系有天然的抵触。许多购房者因装配式隔墙是“空心”的从而担心房子的质量，虽然轻钢龙骨体系的隔墙在隔声保温方面有更优越的性能。另外，预制墙板体系难以满足居民二次装修在墙上敲敲打打的需求，甚至挂一幅画钉个钉子都有困难，而现实中二次改造的需求又是难免的。

3 模块建筑设计突破

模块建筑有一些局限是难以避免的，有一些可以通过设计手法和材料的改善得到一定突破，结合本次竞赛的一些考虑，笔者对模块建筑的一些局限做了突破的尝试。

3.1 尺寸限制的突破

因为运输限制，每个单元的尺寸受限是难以避免的，通常来说3.3m的宽度（公路运输允许的尺寸）和近15m的长度可以满足大多数建筑对面宽和进深的要求，但是3m的高度对于多数公共建筑来说是偏低的。解决建筑高度问题最常用的方式是使用特殊运输车辆，对于常规道路限高4.5m的要求，采用高度0.8m的低板运输车，模块的高度可以做到3.7m，这样可以满足多数建筑的层高要求。对于进一步满足突破高度或跨度的要求，是有一些设计手法可以尝试的。

（1）可以把模块立起来解决高度问题，即把模块的长度当作高度使用，这样可以有效增加建筑高度，但是这样拼装之后的建筑开间和进深都只有3m左右，而且这样的安装方式，模块单元要满足运输时稳定和安装后立起来的结构稳定，结构成本会相应增大。

（2）当两层模块叠加时可以取消下一层的顶板，适当抬高上一层的底板，这样可以适当增加下层建筑高度，但是这样的方式增加高度有限，上层模块的高度也会降低，而且下层模块的高度增加范围也会限制在模块的宽度和长度尺寸之内，难以满足大范围增加高度要求，小范围增加高度提升空间趣味还是一个可行的办法。

（3）可结合装配式钢结构体系，比如酒店建筑，首层用装配式钢结构体系建造满足建筑开间和层高需要的功能，二层以上再用模块单元建造房间。也可以是在两排模块单元之间用装配式钢结构搭起一个通高空间，满足大空间使用要求（图11）。这样的组合结构形式可以很好地解决特殊空间要求，是一个突破尺寸限制比较理想的方式。

（4）可以通过模块单元拼接方式实现高大空间要求，本次竞赛作品就在公共功能环首层入口处，通过单元的堆叠方式变化营造出一个宽6.6m、高6.6m，进深9m的较大入口空间。在一二层两个叠加的模块上面横向叠加长13.2m的模块，等于抽取了下面四个叠加的模块增加空间尺寸（图12）。类似的方法应该还有很多，可以局部放大空间尺寸，突破模块单元的限制。

3.2 构造措施的完善

良好的建筑热工性能和更好的隔声构造是模块建筑发展的重要基础，通过构造措施的完善，可以更好地达到这个效果。在保温隔热方面，轻钢结构的模块建筑防止框架构件穿过外墙保温形成“冷桥”是非常重要的，所以，通常都是外保温的做法降低冷桥和冷凝的风险。作为外保温的补充，在轻钢构件之间填充保温材料也可以进一步降低U值。单元模块通过这种方式可以达到较好的保温隔热性能，单元之间的保温连续性也非常重要，确保单元拼接节点部位的密封性，可以有效防止外部冷热空气进入单元之间的缝隙之中。

在建筑隔声方面，模块建筑具有高水平的隔声性能，主要是因为其每个模块具有单独的楼板、天花板和墙体构件，可以防止声音沿构件直接传播。模块单元往往在酒店建筑中使用，也是由于酒店一般对房间之间的隔音性能要求很高的缘故。模块之间的间隙降低了噪音贯穿整个建筑的风险。同样，由于模块的楼板结构与天花板结构是独立的，所以上下模块之间也有一道间隙。单元之间仅在角部或其他离散点进行结构连接，在这些位置也会使用隔声垫来限制声音的直接传递。另外，在轻钢龙骨构造体系中，通过设置空腔、安装多层材料、使用隔音性能好的材料等方式，达到提高隔音性能的目标，增加隔音棉和隔音板便可得到更高的隔音性能。

考虑到室内装饰的需要，在可能需要挂置装饰物的地方，需要设计时就加以考虑。如果特定区域的墙有较重的装饰，例如厨房用具、附加轻钢板或者壁砖，应在模块设计中加以体现。可采用自钻、自攻螺丝来直接将装饰物固定在钢龙骨和钢托梁上。较轻装饰物的固定可以采用石膏板墙面专用固定件，有很多成品可以选择直接使用。

3.3 居住体验的提升

针对居民对在心理上不接受“空心”的轻钢构造体系，许多模块制造商在材料的突破上也做了大量的尝试。如，底板采用现浇的轻质陶粒混凝土而给人一种坚实耐用的感受，外墙板也可以采用外挂轻质陶土板或者高密度CCA板灌浆外墙板等比较密实的材料提升居住感受。一次性建造完成内装是模块建筑的优势，合理的管线安排和适当的二次装饰考虑，有效避免在墙上开洞等二次装修的需求，也是提升居住感受的一个重要方面。材料和设计细节的考虑可以很好地提升居住体验，随着模块建筑使用的推广，居住习惯的慢慢改变也会是模块建筑发展的进一步推动力。

4 结语

模块建筑进一步发展是工业化发展的一个趋势，快速施工、受场地影响小等优点是其他建造方式不可比拟的优点，虽然尺寸限制等也是其固有的局限，如何突破局限扬长避短是设计、建造过程中需要重点考虑的内容。本文结合竞赛作品进行了一些思考总结，也是模块建筑推广过程中的一次尝试。

（2018中国钢结构学会主办的全国高校学生钢结构创新竞赛同济大学参赛作品“四方之舍”获得特等奖。指导老师: 陈琛、王彦博；参赛学生:程东伟、罗宇、张林铃、陈红磊、陆钰佳、赵逍）