低碳建造模式在高层建筑的应用——以当代装配盒子住宅为例

胡向磊 王威

1 同济大学建筑与城市规划学院，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

2 同济大学建筑与城市规划学院

模块化盒子空间是现场吊装搭接而成的标准化装配单元，具有装配集成度高、施工周期短等优势。加拿大Habitat 67、日本中银胶囊旅馆等都是其早期典型建筑。近年来“模块盒子”的概念在欧美、新加坡、日本等一些高层住宅项目中继续得以运用；而我国装配式高层住宅多为预制墙板和现浇楼板组合，面对复杂的居住需求，急需进一步丰富装配技术建造方式。本文旨在通过介绍近期国外高层装配式住宅中模块盒子空间的实现方法，提供具有参考价值的因地制宜的建造思路。

1 两种模块概念模式

新加坡Clement Canopy高层住宅和瑞典Norra Tornen高层住宅虽然都是模块盒子单元的组合重复，但是建造技术存在较大区别。Clement Canopy住宅是典型的“乐高风格”模块化盒子建造方式，而Norra Tornen住宅则更注重盒子立面的变化，通过预制混凝土板拼装实现盒子空间的叠加。

1.1 Clement Canopy住宅

Clement Canopy住宅是位于新加坡的一栋高140m的住宅塔楼，于2019年竣工，是迄今为止用模块混凝土建造的最高住宅，其运用的PPVC（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction）体系是新加坡广泛采用的模块化住宅生产建造模式——住宅单元在工厂完成主体结构、固定装置、内装设备等模块安装，然后现场吊装施工（图1，2）。PPVC工业化流程分为设计生产阶段、运输吊装阶段以及维护检修阶段三个阶段，每一阶段均有完备的规范要求与技术要求。其中，设计生产阶段的调控决定了PPVC体系在全生命周期内的建造运营质量。

PPVC主要分为混凝土结构模块与钢结构模块。混凝土结构模块的墙板与楼板均为钢筋混凝土材料；钢结构模块由轻钢框架支撑，墙板与楼板分别为轻型板材与叠合楼板，相较于混凝土模块单元更为轻质，但需考虑结构与墙板防火设计。在设计生产阶段，单元布局与PPVC模块化同时进行，单元的结构、尺寸、重量和运输便利性都会影响模块化程度，需要通过适当的前期规划，将PPVC模块整合到设计布局中[1]（图3）。在新加坡，包括Clement Canopy住宅在内的很多住宅工程都采用了混凝土结构模块，模块化盒子大约85%在建造现场外完成，通过中央材料和物流平台，能够减少现场70%的废物，较传统现浇方式更加环保[2]。

Clement Canopy住宅由1 866个PPVC模块组件现场直接装配完成，模块根据平面布局进行配置。为便于生产，模块几何形状进行了简化设计，其数量根据住宅单元类型的不同而调整，并按照户型要求产生若干种模块组合形式，以满足不同居住需要。建造过程中，模块单元吊装与混凝土核心筒建造同时进行，保证结构的整体受力性能。模块连接对于高层建筑结构性能至关重要，连接构件直接影响建筑刚度以及风、地震荷载等影响下的稳定性[3]。由于新加坡并不在地震带上，模块之间的连接仅依靠水平或垂直连接构件，而对于多地震国家，此种连接方式是否具有可靠性还需进一步验算或试验（图4，5）。

1 新加坡Clement Canopy 高层住宅

2 新加坡Clement Canopy 高层住宅

3 新加坡Clement Canopy 住宅模块示意

4 新加坡Clement Canopy 住宅模块连接构造

5 新加坡Clement Canopy 住宅标准层平面

6 瑞典Norra Tornen 高层公寓

7 瑞典Norra Tornen 高层公寓

8 瑞典Norra Tornen 住宅模块单元

9 瑞典Norra Tornen 住宅平面与结构设计

1.2 Norra Tornen住宅

Norra Tornen住宅位于瑞典，由OMA设计，包括高125m的Innovationen和高110m的Helix两座塔楼，分别在2018年和2020年竣工。住宅由预制外露的混凝土构件拼装组成小进深、大开间的单元盒子模块，通过向外凸出的居住空间及向内凹进的户外空间交替变化布局，形成高低起伏的外观（图6，7）。Norra Tornen住宅独特的错位叠加空间对结构提出了很高要求，根据当地工业化条件，采用了预制墙板拼接方案（图8）。钢筋混凝土核心筒布置是其抗震设计的关键之一，作为建筑的稳定结构，住宅核心筒从底层一直延伸到顶层，并连接预制混凝土墙。单元盒子两侧剪力墙连接到混凝土核心筒，以增加短边方向的刚度[4]。

Norra Tornen住宅外立面采用悬臂墙的盒形设计，周边墙作为外立面悬臂墙的支撑。结构体系依据欧洲Eurocode 8规范，同时由于瑞典很少发生破坏性地震，这也为模块化盒子在高层建筑上的运用提供了更多可能性。除了核心筒和剪力墙之外，平面内部及周边柱子也是荷载传力路径（图9）。楼面采用叠合楼板，底部为预制钢筋混凝土楼板，上部是现浇钢筋混凝土。

2 建设模式比较

2.1 单元模块设计

Clement Canopy住宅与Norra Tornen住宅在单元模块设计策略上有所不同，反映在模块实现手段上的差异。受平面布局及运输尺寸的影响，Clement Canopy住宅对模数及尺度的控制更为严格，标准化房间多以规则模块形式吊装，以实现合理的单元布局和标准施工；而在北欧住宅日照均衡是设计的重要因素，因此Norra Tornen采用板材现场拼装，通过悬挑墙突出立面箱形设计，实现不同模块上下错位搭接，在丰富建筑形态的同时，创造出每个单元的个性化户外空间。

2.2 模块连接设计

Clement Canopy住宅模块之间的连接仅依靠水平或垂直连接构件搭接得以实现，包括外部端板连接、梁端长螺栓连接以及竖向加筋连接等形式，保证了模块住宅建筑的整体受力性能，避免模块间的漏水问题等。Norra Tornen住宅的意义更多体现在模块空间组合上，结构上通过剪力墙、柱子与混凝土核心筒共同组成受力体系。

10 英国Mapleton Crescent 高层公寓

11 英国Mapleton Crescent 标准层平面图

12 美国461 Dean 高层公寓

13 美国461 Dean 标准层平面图

14 港南路公租房高层住宅

15 港南路公租房标准层平面图

除了以上两项工程外，其他国家也有高层模块盒子的建造实践。这些项目充分发挥了装配模块建造速度快、对城市环境干扰小等优点，对具有挑战性的建造高度，在设计、施工方面提出相应的解决办法，如英美采用模块化钢结构盒子与钢筋混凝土结构复合的方法。英国伦敦的27层Mapleton Crescent住宅是欧洲最高的模块化住宅（图10，11），采用了钢结构盒子与钢筋混凝土核心筒共同组成结构体系，盒子模块互相支撑而不需框架[5]；美国纽约的32层461 Dean住宅是目前世界最高的模块建筑（图12，13），采用钢框架—混凝土剪力墙结构体系，模块化盒子不仅互相支撑，而且与主体结构紧密联系。

3 对我国装配技术的启示

历史上，我国在模块化技术上也积累过一些经验，如中建建筑科学技术研究院在20世纪70年代末就开始研究多层盒子结构住宅体系，并且在北京、南通等地陆续试建了一些盒子房屋；近些年，长沙新方舟宾馆、雄安市民中心等公共建筑实践也逐渐完备了模块化技术体系。随着装配住宅的推广，高层住宅模块化技术在我国也有新的实践契机。2012年镇江港南路公租房小区成为我国落地的首个高层模块化建筑体系项目（图14），小区包括10幢18层公租房，每幢楼由324个模块组成，模块是由钢密柱墙体和混凝土楼板等构件及吊顶、内装等共同组成的三维空间承重结构单元，单元最宽4.5m，最长8m[6]（图15）。此外也有南京仙林湖11层商品住宅、泰兴吾悦广场17层商品住宅等项目建成，这些项目吸收欧洲专利技术，通过实验研发、体系优化、技术改型等手段，拓展了工业化住宅技术类型。

目前，高层建筑模块化技术在我国虽然仍会面临一些因素的限制[7]，如多数地区缺乏管线设备、内装工程等完善的产业链，模块化盒子造价仍较为昂贵，缺乏设计施工经验等，但全社会对发展装配技术已形成基本共识，集成度高、低碳的模块化体系技术缺项在不断补充。如中国建筑设计研究院等单位编制《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》自2020年4月1日开始施行，规程旨在规范箱式钢结构集成模块建筑设计、模块制作、现场安装、质量验收、维护与管理等工程技术要求。结构体系上，规程通过对不同抗震设防烈度、不同高度等工况下的结构反应进行分析，提出箱式模块建筑结构体系适用建筑高度范围。我国地震活动频度高、强度大、范围广，属于地震活跃地区，从经验来看，高层模块化建筑主要是钢结构箱式模块与钢筋混凝土复合结构为主，但规程因箱式模块—混凝土筒体（剪力墙）结构体系装配效率与箱式模块不匹配暂未涉及。

模块建筑体系代表了世界上最先进的住宅设计和建造水平，也是目前国际上最先进的住宅产业化建筑模式。国外大多应用于非抗震区，在抗震区尚存在技术依据不足、经验欠缺等问题，即使技术成熟度较高的体系，引进我国后仍需进行抗震改型和改型后的抗震性能研究。但装配盒子带来的资源集约和低碳建造模式，使得其具有很强的竞争力和发展前景，符合产业结构调整大方向，是建筑行业值得探索的前沿科技。

图片来源

图1，2，6，7，10，12 来源于网络；其余图片为作者自绘或自摄。