基于可支撑体住宅理论的SM装配式农宅设计——以石家庄城郊农村为例

王舒扬， 刘磊， 王丽洁， 王浩

(1. 河北工业大学建筑与艺术设计学院, 天津 红桥 300131；2. 河北工业大学土木与交通学院， 天津 北辰 300401)

0 引言

早在1914年， 现代主义建筑先趋勒·柯布西耶就以多米诺住宅为例， 尝试将住宅分解为“可变”与“不变”两部分， 以满足住户的多样化使用需求[1]. 1965年， 在欧洲住宅深度工业化向品质追求转型的背景下， 荷兰学者哈布拉肯提出可支撑体住宅理论(stichting architecten research， 下文简称SAR理论)[2]， 其部分成果被OB(open building)、 KEP(Kodan experimental housing project)、 NPS(new plan system)、 CHS(centennial housing system)、 KSI(Kikon skeleton infill)等继承发展[3]. 20世纪七八十年代， 张守仪、 鲍家声等学者将SAR理论引入我国， 在城市陆续诞生上海万科VSI(vanke skeleton infill)、 百年住宅CSI(China skeleton infill)等本土体系， 以及北京雅世合金公寓(2005)、 上海绿地南翔百年住宅(2012)、 济南鲁能领秀城·公园世家(2016)等试点项目[4]. SAR理论以模数及定位体系的“通用性”、 空间及形式的“应变性”， 协调工业化标准设计与人性化多样需求间的对立矛盾[5]. 但该理论在我国的发展并不顺利， 主要原因有两点. 一是“通用性”被忽视. 自20世纪90年代以来， 城市住宅建设因广泛依赖现浇混凝土技术， 而降低了对施工精度的要求， SAR理论的标准化模数定位体系的研究成果很少被人关注[6]. 二是“应变性”受抑制. 受限于城市紧张的用地条件及刚性的套型面积， 试点工程对应变性的探索仅局限于建筑甚至是套型内部[7].

2016年《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[8]发布以来， 农村住宅建造方式的工业化转型升级也受到关注. 得益于农村相对充足的用地资源、 宽松的居住面积、 由血缘地缘而柔性化的户际空间关系， 以及经济转型期农村多元化的居住需求， 农村装配式住宅在继承SAR理论“通用性”和“应变性”设计方法上更具优势. 本研究打破建筑学、 规划学、 土木结构、 内装工设、 水电设备等专业的学科壁垒， 并与廊坊市朗世坤成钢构企业合作组建课题组. 基于对石家庄城郊农宅建设及需求调研， 对SAR理论进行中国乡村式改良， 构建SM(system+module)装配式农宅实验模型， 提出设计公式， 通过求解公式探析SM装配式农宅的设计方法.

1 基于调研构建SM装配式农宅的实验模型及设计公式

1.1 基于前期调研确立设计目标

表1 调研农宅常住人口数量统计表

课题组于2017—2019年对石家庄城郊藁城区、 栾城区的15个村63户农宅进行调研， 结合表1、 2及图1， 总结农宅建设中的现存问题及发展动向： ① 建设资源利用方式粗放, 宅基地规模普遍超标(河北省土地管理条例规定人均耕地不足1 000 m2的平原县市， 每处宅基地≤200 m2 [9])， 常住人口少房屋闲置率高， 施工方法落后， 使用违禁建材； ② 空间使用方式动态多样, 除儿女春节回流、 老人轮养等带来户内人口周期性调增外， 近年来经济生活的嬗变亦引发多样化的户内空间布局及兼业需求； ③ 庭院式的乡居传统面临挑战, 自建农宅应对上述使用需求的唯一手段是“扩增室内面积”， 不仅难抑村民多占宅基地的冲动， 更令宅内庭院面积日渐“缩水”， “有天有地”的庭院式乡居传统难以延续.

基于上述调研， 继承并发展SAR理论“通用性”、 “应变性”的设计方法， 提出装配式农宅的设计目标为： 设计方式标准化、 使用方式灵活化、 资源利用集约化、 近亲自然乡村化.

表2 调研农宅场地布置方式信息汇总表

续表2

图1 藁城区、 栾城区农村住宅调研照片Fig.1 Investigation photos of rural houses in Gaocheng districts, Luancheng districts

1.2 实验模型构建

图2 实验性设计模型Fig.2 Experimental design model

本课题组提出以“家族居住环境单元(家族建筑单元+共享宅院模块)”为单位构建实验模型， 其可通过联立、 联排等方式多样拼接[10]， 如图2所示. 其中， “家族建筑单元”以灵活、 紧凑的空间设计手法， 满足家族内部“有分有合”的互助生活需求； “共享庭院模块”既延续了“有天有地”庭院式的乡居传统， 又可开展小型庭院经济活动； “集合体总用地”为家族的共有建房用地， 因紧凑型居住方式而产生的“多余宅基地”(家族各户宅基地面积总数与集合体总用地面积的差值)经村集体整合， 与品牌公司成立股份制企业统一经营， 所得收益按各户贡献宅基地面积大小分红. 此做法既保证了宅基地“集体所有”及“社会保障”属性不变， 又为村民提供了资产增收渠道， 且已有法律依据[11].

1.3 提出SM装配式农宅设计公式

本研究在“SAR住宅=支撑体+可分体”公式的基础上提出： SM装配式农宅=通用控制体系(system)+选填集成模块(module). 改良后的公式以“通用控制体系、 集成填充模块”替换原公式中的“支撑体、 可分体”， 以凸显SM农宅在“稳定的限定语法下(通用控制体系)， 因输入不同的变量(选填集成模块)而获得差异性结果”的设计特色. 此外， SAR理论及后续的KEP、 NPS、 KSI等体系中的“可分体”均属于“杆件、 板件”， 装配化水平不高[12]， 新公式以“选填集成模块”替代， 以便与当前的技术发展及时代需求同步.

2 SM农宅通用控制体系构建

“通用控制体系”是后续集成模块精准嵌入的空间框架， 也是SM农宅实现标准化量产的基础， 以“模数体系→场地划分体系→建筑定位体系”方式分三步构建.

2.1 构建模数体系

SAR理论以“M=100 mm”为基本模数， 在水平及竖直方向上分别以3M、 2M为扩大模数[13]， 该体系只能规范“开间、 进深、 层高、 预制大构件”等尺寸， 未能向宏观层面(室外空间)、 微观层面(室内部品)延展. SM模数体系对此进行了修正， 构建方法为： 1) 多领域搜集尺寸调研参数(包括农宅室内外家居活动尺寸、 工厂结构构件尺寸、 市场主流内装部品尺寸等)； 2) 各专业基于参数调研分别提出3～6组备选模数数列(为与SAR模数体系区别， 基本模数的符号改为N)； 3) 各专业选取最具跨专业尺寸兼容性的一组模数， 以此为基础组建SM模数体系， 由基本模数N=50 mm、 12个扩大模数， 3个分模数构成(见表3).

表3 SM农宅模数数列

2.2 构建集合体总用地划分体系

SAR理论以“区、 界、 段”方式划分场地， 将室外空间纳入考量范围， 令室内空间具有突破建筑边界的“生长性”， 遗憾的是受限于城市寸土寸金的用地条件， 未被CHS、 KSI等后续研究继承发展. 本研究基于调研宅基地的实际使用需求， 将 “区、 界、 段”体系进行简化和三维立体化. 具体做法为： 1) 将“X”轴方向的“段”提炼为“D起(起居段)、D卧(卧寝段)、D交(户间交通段)”3种尺寸类型； 2) 仅保留“Y”轴上的a南(临窗南区)、a北(临窗北区)、β(房间内区)、δ(南向庭院区)4个“区”； 以及介乎于各“区”之间的αγ、αβ、αδ1、αδ2等4个“界”； 3) 将上述平面体系沿“Z”轴方向以建筑层高“h”延伸(见图3). 在此三维体系中，X轴的弹性取决于农宅的段数及段的类型，Y轴的弹性取决于“αγ、αβ、αδ1、αδ2”等4个界是否启用，Z轴的弹性取决于农宅的层数. 上述场地划分体系在制定秩序的同时兼具变化弹性， 也为未来以标准化方式建造个性化农宅奠定基础. “区、 界、 段、 层高”的具体数值将在节3.1进一步确定.

图3 SM农宅的三维场地划分体系Fig.3 3D site division system of SM rural house

2.3 构建家族建筑单元定位体系

课题组的结构专业成员创新性提出“轻钢箱框联肢结构体系(箱框+联肢板)”， 其结构逻辑与“区、 界、段”的场地划分体系契合， 如图4(a)、 (b)所示， 箱框的“开间”对应“段”， “进深”对应“临窗南区(或临窗北区)”， “框高”对应“层高”； 联肢梁(板)的长度在X轴向对应“段”的取值， 在Y轴向则同时受到“区、 界”取值的影响. 如图4(c)所示， 箱框柱采用方钢管柱、 主次梁为宽翼缘工字钢梁， 梁柱间为工厂刚节点焊接； 连接柱底端的临时边框(其在箱框吊装完毕后拆除)可保证箱框吊装时的刚度， 此外以临时边框替代地圈梁， 可避免模块上下累加后地顶圈梁重叠造成的构件重复问题； 联肢墙板、 楼板为工厂预制大板， 以快装螺栓与箱框现场连接.

图4 SM农宅的结构拆解图Fig.4 Structural analysis of SM rural house

SAR理论的构件定位体系“(n×300-100)、 (n×300+100)、n×300宽窄条网格”[14]， 及以其为基础的日本NEXT21“错位网格”体系[15]， 均兼顾了“构件、 空间、 内装”不同层面的定位需求， 其不足之处是在同一平面上同时出现多种定位方式， 令体系复杂难以推广. 本研究将不同层面的定位系统分步拆解， 并以“构件填充”的方式将构件定位体系可视化， 方便施工人员理解. 具体方式为： 1) 以中心定位法定位梁、 柱、 轻钢密肋、 联肢板、 外围护墙板、 楼板； 2) 安装上述构件后其两侧边界由此形成了“可视化”的双轴界面定位体系； 3) 在上述界面体系下精准定位内装模块. 构件尺寸厚度、 净空间尺寸、 内装部品尺寸均从上文的SM模数体系中选取.

3 SM农宅选填集成模块设计

在通用体系下选填多样化的集成模块， 赋予SM农宅以应变弹性， 从“空间、 构件、 内装”3个角度组建集成模块族群.

3.1 空间模块设计

基于调研住户动态多样的空间使用需求进行空间模块设计， 具体方法为： 1) 基于前期住户生活实态调研， 汇总室内外家居活动类型； 2) 基于家居活动的三维尺寸调研及内装部品参数调研， 以“行为模块=行为空间+对应部品空间”方式在模数规范下完成行为模块设计； 3) 以“房间模块=行为模块1+行为模块2+行为模块3…”的方式完成房间模块设计， 从“尺寸”及“功能”两方面对上述空间模块进行深化提炼及分组设计， 在减少模块尺寸种类的同时增加功能互换性.

图5、 6从室内、 室外两个角度汇总各类空间模块(因起居活动的弹性较大， 未将其纳入图5的分组范畴)： 在卧室模块设计中， 开间3.3 m是在“功能多适性”与“空间集约化”间具有均好性的尺寸值， 进深尺寸则可归纳为“3.6、 5.0、 6.0 m” 3个系列. 每组卧寝模块除可满足多样化的居住需求(个人空间单床房、 夫妻大床房、 儿女双床房、 陪护双床房)外， 还兼顾了家庭娱乐、 户内兼业等多样化功能； 厨房模块以“2.1、 2.4 m”为开间尺寸， 进深尺寸受相邻起居空间影响故不作硬性限制， K1、 K2系列兼顾了多样化的烹饪习惯， 部分模块有方便老人使用的无障碍设计； 卫生间模块尝试了多种干湿分离的设计方式， 难以进行尺寸的硬性分组， 故以“竖向管井的位置”作为分组依据； 庭院模块以庭院经济发展类型(农业种养殖型、 田园休闲型、 农家乐经营型)为依据进行分组设计. 以上述空间模块选填设计实验为基础， 拟定家居环境单元的布局形式及“区、 界、 段、 层高”的各项数值(见表4).

图5 卧室、 厨、 卫模块设计示例Fig.5 Design example of bedrooms, kitchen and toilet modules

图6 共享庭院模块设计示例Fig.6 Design example of shared courtyard modules

表4 区、 界、 段、 层高各分项数值列表

图7是由“户间交通模块”联合两个家族建筑单元而形成的联立型农宅方案. 户型1适合关系较亲密的祖孙三代居住； 户型2的二至三层间以楼板分隔， 适合关系较松散的两代人居住. 图7不仅就此三层联立农宅的平面图进行了“区、 界、 段”分析， 图7(a)还基于一层平面图进行了结构分析(“连续实线”代表结构箱框； “点划线”代表联肢板).

图7 家族建筑单元联立式组合平面图及分析Fig.7 Combined plan and analysis of family building units

3.2 构件模块设计

构件模块包括围护板材模块及附属构件模块两大类型. 围护板材模块中的外墙采用“基墙+保温装饰板”形式， 基墙可选用轻钢龙骨密肋板、 钢丝网架聚苯乙烯夹芯板(GJ板)、 钢丝网架水泥岩棉岩棉夹芯板(GY板)、 钢丝网架珍珠岩复合板(GZ板)、 金属聚苯乙烯夹芯板(EPS板)等， 保温装饰板的装饰层可选用实色漆饰面或仿石材饰面， 楼板可选用轻钢龙骨复合板、 纤维水泥板等. 附属构件模块包括内外阳台、 飘窗、 阁楼、 楼梯间、 坡屋顶、 阳光间等模块. 阳台模块(凹阳台、 凸阳台、 角阳台)、 坡屋顶模块(对称式、 非对称式、 多坡式)可根据功能及款式进一步细化分类. 如图8所示， 由于选取的构件模块不同， 图7的三层联立式农宅方案可拥有4种不同的外观样式.

图8 基于同一布局方案的4款农宅备选样式Fig.8 Four alternative building styles based on the same layout

3.3 内装模块设计

SM设计体系中的内装模块包括家具部品、 整体厨卫、 轻质隔墙3种类型. ① 家具部品设计. 基于房间布局需求， 将家具部品分为“收纳、 坐具、 卧寝、 桌台”4大类型， 并在其下汇总各分项子目录， 作为单体模块的组合目标. 单体模块研发力求“标准化、 通用化、 系列化”， 即： 单体模块的三维尺寸在SM模数数列中选取， 模块组合尺寸与房间界面尺寸契合； 模块间借助接口， 可在上述4大类型内部互换组合， 也可跨类型组合(如沙发→单人床→阳台椅， 储物柜→储物床， 书桌+单人床→坐卧两用床)； 同类尺寸模块不仅有不同颜色、 材质、 档次可供选择， 而且有多种配件(抽屉、 柜门、 隔板、 挂篮、 软垫、 扶手栏、 脚踏板等)与之搭配(见图9). ② 整体厨卫设计. 依靠厨卫柜体的SM模数化设计、 配套设备的市场筛选(其与柜体的组合尺寸受房间界面尺寸限制)、 同尺寸厨卫空间内柜体及设备的多样化搭配等“空间-部品”的协同化设计手段， 未使用“同层排水、 防水底盘、 集中管井”等昂贵技术， 即实现了整合化的厨卫模块设计， 并满足村民不同行为习惯、 布局偏好的使用需求. ③ 轻质隔墙设计. 本体系针对非用水房间研发了一种带“U型槽”的轻钢龙骨隔墙方案. 综合考虑“起、 卧、 书、 娱”等各类房间所需的插座开关数量、 安装高度及位置、 强弱电间距、 插拔便利、 家具遮挡、 墙面完整等设计限制及需求， 将墙内走线的几种可能路径归纳在一“U形区域”内， 槽面饰板可开启以便后续更换检修(见图10). 调研发现村民对轻质隔墙敲击时产生的空洞感很反感， 故在隔墙U型线槽以外区域内填充多孔吸声材料.

图9 家具模块设计思路图Fig.9 Flow chart of furniture module design ideas

图10 箱框单元的构造做法及墙内布线方式分析Fig.10 Analysis of the construction method of box-frame unit and the wiring way in the wall

4 结语

本研究基于SAR理论对乡村装配式农宅建设需求进行改良实验， 将其在模数及定位方式上的“通用性”向室内外空间、 建筑结构、 内装部品等多领域延伸， 并拓展其“应变性”的探讨边界， 不仅局限于套型内部， 而且向建筑整体、 乡村居住空间等更广义的层面延伸. 此外, 基于SAR理论提出的SM装配式农宅不仅具有设计方式标准化、 使用方式灵活化、 资源利用集约化、 近亲自然乡村化的特点， 而且在标准化秩序控制下具有差异生长的弹性. 希望本研究成果能充实SAR理论体系， SM装配式农宅设计方法在实验农宅工厂试建中能经受住实践的考验.