多层模块化钢结构学生宿舍设计初探——2018全国高校钢结构创新竞赛特等奖“四方之舍”设计解析

罗宇 程东伟 LUO Yu，CHENG Dongwei

1同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

2同济大学

随着我国经济结构转型，高消耗、高污染、低效率的“粗放”式建造模式将逐步向建筑产业化过渡，具备节能环保特征的装配式建筑是我国建筑产业化进程中的主要载体之一，而模块化建筑是其中预制装配率最高的一种。根据结构体系的不同，模块建筑又可分为全模块化建筑与复合结构模块化建筑，前者为建筑全部由模块单元组成，后者则是模块单元与其他结构形式复合。相比传统的建造方式，全模块化建筑具有如下优势：

（1）速度快：从设计到施工多线程作业，缩短项目周期。相比传统单线程从设计到施工的流程，模块化建筑在时间上可节约高达50%。这意味着更短的资金周期和更快速的项目回报，尤其适用于高周转的项目。

（2）质量好：整体建筑将由集成化的模块单元组成，每个模块的结构、围护墙体、设备管线、内外装修都在工厂内预制，施工更精细化，有限的投入能带来更高性能的模块单元。

（3）绿色环保：钢结构模块化建筑在整个运输、建造与材料循环使用等方面比传统建筑更环保（图1）。

多层大学生公寓单元空间标准化程度高、可复制性强，符合模块化建筑的基本要素特征。单个宿舍房间可以作为一个模块在工厂进行精细化预制，完成后再运输至场地进行拼接。因此，模块化建筑在学生宿舍这一类型建筑中有非常广阔的应用前景。近年来，国外陆续建成大量模块化宿舍项目，例如新加坡南洋理工大学学生宿舍、美国天普大学学生宿舍等，但国内暂时未见此类项目建成。

中国钢结构协会举办的2018年度“津西杯”全国高校学生钢结构创新竞赛，试图探讨装配式钢结构建筑形式在大学生公寓上的应用前景及相关技术要点，参赛项目“四方之舍”正是探索多层全模块化钢结构学生宿舍设计的一次尝试。

1 模块化建筑优点

1 模块化钢结构宿舍的模块单元设计

首先需要对模块化、标准化的空间单元进行一系列的精细化设计。模块单元是一种高度集成化的体系，单个模块需要在工厂完成全部装修与管线安装，以避免在现场进行模块内的二次装修，从而将现场安装量降到最小。

通过对理想的学生宿舍空间的畅想，“四方之舍”预先设计了3类6种基本模块单元，分别为：居住单元模块——标准宿舍模块（无障碍宿舍模块）、公共空间模块——露台模块（服务用房模块和架空模块）、交通空间模块。同时综合考虑功能、模数、运输等因素，将基本模块单元尺寸定为3.3m×9.9m×3.0m，其他衍生模块均在此基础上进行恰当的尺寸调整。

居住单元模块：标准宿舍设计为双人间，采用较成熟的平面布置形式，同时将走廊设计在模块单元内部，简化模块的种类。单元内结构考虑以角柱支承，单元各面根据需要设计相应的围护墙体。管道井集中设置在两个模块相邻部位，便于共用。无障碍宿舍因为轮椅的存在，使标准宿舍只能改为单人居住。但从人文心理关怀的角度来看，将其设计为成套双人间的形式，既可以满足轮椅尺度，也可将它兼作青年教师公寓。

公共空间模块：利用露台模块为学生提供半露天的公共空间。它以凉亭的形式呈现，在模块内设计有直跑楼梯，形成某种垂直相连的空间关系。服务用房模块是指在基本模块的基础上去掉不必要的内部分隔，简化为单个空间，为公共活动提供空间载体；而架空模块则将基本模块的围护结构全部去除，仅用钢结构框架支撑上部模块，形成一些架空的灰空间，兼作风雨连廊等功能（图2）。

交通空间模块：主要为楼电梯间模块，每个模块的内部都进行了精细化设计，以便于工厂预制。模块单元的外立面设计尽量简洁统一，整体建筑立面效果通过最大化利用各种模块本身的立面差异，呈现出丰富的立面效果。

2 模块化钢结构宿舍的单元组合设计

笔者认为全模块化建筑最大的设计难点是模块单元的组合方案设计。一方面需要在组合中控制模块种类，恰到好处地应用基本模块，减少基于基本模块修改的衍生模块；同时又要避免建筑形式的单调，而通常模块种类的限制容易导致组合设计变为一味的单元复制，空间层级过于单一。面对这一难题，笔者受阿尔多·凡·艾克的构型原则的启发，试图基于以上模块单元，将1 500人的宿舍看作一个微型城市，进行一次宿舍“建筑城市化”的尝试。

2 模块单元设计

3 模块单元的组织方案

4 总平面图

5 公共功能与居住功能的相互渗透关系

6 模块可持续性建设

居住模块单元的组织是整个方案的基础。国内大部分学生宿舍的空间组织多采取内廊式，该方式产生的空间层级过于单一。通过对比研究学生宿舍各类单元空间的组织方式，决定采用院落式，该模式存在多空间层级的潜力。通过将院落建筑旋转45°，居住单元都被调整至南面，保证每个宿舍都拥有均好的通风采光条件。同时将每个院落式宿舍单元角部的居住单元模块解放出来，以适应灵活的居住人数要求，也在侧面反映出建筑可动态生长的特点。

在此基础上，对公共空间模块进行组合设计。根据任务书中容纳1 500名学生的要求，院落式宿舍单元共设计有4个。方案将服务用房模块组织成一个环状结构，以容纳大部分的公共功能。然后用架空模块将该“环”架设在三层的高度，并与4个院落式宿舍单元紧密联结在一起，形成一个“五环”结构（图3，4）。该结构使得许多与大学生有关的公共活动直接渗透到了宿舍单元内部——通过在平面与空间上将院落式宿舍单元的角部解放出来，让公共空间模块从这里嵌入到宿舍单元的内部，两类功能形成一个相互交织的状态，既联系紧密又相对独立（图5）。

“五环”结构的模块组合方案本质上表达了一种围绕公共生活空间设计个人生活居室的基本设想。这种形制下的宿舍建筑就如同一个“大房子”，中间环状空间是房子的客厅、书房、茶室、健身房等，宿舍的学生便组成一个“大家庭”，可以在卧室以外的空间展开社交活动。“五环”结构同时也是网状空间结构的一个基本构成单元。在该组合模式下，建筑的形式是一个可持续变化的状态，可以根据实际使用人数进行模块单元的增减来达到动态平衡，但这一过程的形式结果仍能够保证居室围绕公共空间这一设想的相对完整性（图6）。“五环”结构的模块单元组合设计的另一优点是空间层级的丰富性。建筑中包含了围合庭院、公共功能环、屋面退台等各类公共空间，充分考虑了学生从室外、半室外再到室内的多样化活动的可能。

7 公共功能环剖面图

8 公共功能环鸟瞰图

9 宿舍单元角部的露台模块

10 宿舍鸟瞰图

各个“环”内部的庭院是使用者最主要的室外活动空间，也是建筑内部自然景观的载体。服务用房模块组成的公共空间环包含阅览室、自习室、茶室、讨论室、会客室、社团工作室等多种功能，屋顶则为运动休闲区。“环”被架空模块支撑，位于三层，下面两层的架空空间则成为学生的风雨走廊与半室外活动场所（图7，8）。

在宿舍单元的角部安放露台模块，形成退台式公共凉亭。连续的楼梯将各层凉亭相连，学生们可以在此停留、小憩（图9）。同时将宿舍单元局部掏空放入架空模块，形成宿舍单元内部的公共阳台，提高利用率，丰富公共功能空间的层次。

“五环”结构这一模块单元的组合方案恰当地应用了基本模块，在控制模块种类的同时，形成了层级丰富的空间结果。多种功能空间有组织地混合与交织，使得学生可以在这里找到各种生活场景，宿舍成为学生们的一个“大家庭”，甚至是一座“小城市”（图10）。

3 模块化钢结构宿舍的结构设计

11 结构计算单体

12 波纹钢板墙

13 宿舍角部连接

14 外墙竖缝连接节点

15 模块吊装方案

模块单元组合方案完成后，便可进行结构设计。根据整体方案的空间特点，决定采用角柱支撑模块为主，整体结构为全模块化的建筑结构体系。为了简化计算，设置了抗震缝将整体结构分割为5类单体（图11）。经过计算，在保证梁柱截面经济合理的前提下，会存在单体抗侧能力不足的问题。针对这个问题，传统钢框架结构一般采用钢支撑，但会在一定程度上影响建筑模块在功能上的灵活性和适应性。设计中巧妙地在体系中添加波纹钢板墙作为辅助抗侧力构件，波纹钢板墙一般由波纹钢板以及两侧的竖向边缘构件组成，具有截面尺寸小、抗侧刚度大和消能减震好等优势。将它们布置在模块中能自然地与围护墙体融为一体，同时不影响空间的灵活适应性（图12）。

结构设计的另一大难点是如何将这些积木般的模块单元有效、牢固地连接成一个整体。由于整体的梁柱并不是贯通的，相邻的模块需要通过角部的连接节点传递荷载和协调变形，使多个单元形成整体结构。模块间连接节点对保证最终结构的整体性、稳定性和适用性起着非常重要的作用。

综合考虑传力的可靠性和施工的便捷性，“四方之舍”在模块间采用梁端盖板螺栓连接。以宿舍角部连接为例，在梁端和柱端预先焊有连接件，连接件内设有加劲肋，连接板位于上下连接件之间，通过高强度螺栓连接。连接板上巧妙地布置有L形抗剪定位双功能键，在施工时能保证安装的精度，在服役时又能起到抵抗剪力的作用（图13）。同理，为了便于宿舍模块侧面连接，在长模块端部与短模块中部等部位设计了一系列相似的连接节点。

4 模块化钢结构宿舍的围护体系设计

单个模块单元的围护体系均可在工厂内预制完成，技术成熟。但由于建筑整体的建造特性，各个模块单元相互独立，单元间的围护体系呈现双板双墙的特点，这样就会导致每两个模块之间各个接触面都有空气隔层，整个建筑的缝隙众多，因此如何满足防水、防火和密闭性要求是模块化建筑整体围护体系最重要的问题。方案充分考虑到模块建筑围护体系这一特点，设计了一系列的密封节点，以保证模块间的横竖缝隙都能有效地密闭（图14）。此外，在屋顶增设一层整体轻钢楼板，以保证屋顶的整体性。

5 模块化钢结构宿舍的吊装规划

设计为模块的吊装进行了施工规划。吊装通常在模块顶部进行，一般有4种方式，分别是单点提升、借助次级框架提升、借助横梁提升和借助重型框架提升。单点提升方法施工操作相对简单，但由于水平分力较大，且实际吊装中容易出现角部应力集中，梁可能发生失稳破坏等情况。通过验算，采用借助框架或一对横梁的提升方式相对会更为安全（图15）。

吊装施工按照减少施工误差、方便吊装的原则进行规划。吊装亦按照结构设计中划分的5类单体分别同时进行，为由内到外两边对称吊装，模块连接均在建筑长边方向的外立面完成。连廊部分存在模块间交接，也是先吊装中部的长模块再吊装两边的短模块。

6 结语

综上所述，结合“四方之舍”的设计，探讨了多层模块化钢结构学生宿舍的相关设计要点，可总结为以下几点。

（1）模块化学生宿舍设计之初就应合理地根据使用需求和运输条件等因素确定模块单元的基本平面和尺寸，同时不应忽视公共空间模块的设计。

（2）模块化建筑的单元组合设计应避免单一的建筑空间，同时限制模块种类来控制加工成本。案例提出围绕公共生活空间设计个人生活居室的设想，探索出“五环”空间模式，对于在学生宿舍类型建筑中化解这一矛盾具有借鉴意义。

（3）对于全模块化建筑结构形式，往往因为结构构件没有上下贯通带来结构抗侧和整体连接的问题。在结构设计中应提出可靠的抗侧措施，并设计连接节点以保证结构的整体性。

（4）全模块化建筑的围护体系存在双板双墙特点，需要合理设计防水保温连接节点，以保证其围护体系的基本性能。

（5）模块单元的吊装需要经过验算，采取合理的方式，同时进行相应的吊装规划以保证现场安装效率。

模块化建筑具有可缩短工期、节约资源、绿色环保、品质精良等优点，符合我国对于建筑的绿色可持续发展要求，需进行不断探索与应用。“四方之舍”的设计为其在多层学生宿舍这一建筑类型中的应用提供了经验，促进了多层全模块化学生宿舍的发展。