基于灾后重建的山地村镇盒子装配式住宅研究

■朱红丽 Zhu Hongli

(云南经济管理学院艺术与传媒学院，云南昆明 650106）

我国是世界上少数几个地震灾害频繁的国家之一，其中村镇地区受地震灾害的影响严重，而依山而建的村镇受地震灾害更为严重。据统计，我国每年因地震灾害造成的人员伤亡90%以上在村镇，村镇地区受地震灾害影响所造成的经济损失更是高达80%以上，村镇人民群众的生命财产蒙受巨大损失[1]，人员伤亡也是占比最大[2]。在对受灾村镇的恢复重建恢复方面的工作，现有研究多集中于规划设计领域，多限于具体建筑物或基础设施的恢复。在时间节点、恢复速度、恢复模块化设计等问题方面研究得还不够，不便于决策者对震后恢复重建工作做宏观分析并及时进行决策调整。同时，受灾居民承受自然灾害的影响，又迫切需要有一定的居住空间，迫切知晓受灾后居所建设的情况，这也对灾后重建的速度和时效性提出了要求。越来越多的学者通过计算机技术开展多目标优化的策略和方法研究。赵亮在《开展住宅建设项目全生命周期节能驱动机制与多目标优化策略的研究》一文中从工程项目管理视角厘清了全生命周期节能影响因素的作用路径，探究了节能驱动机制并进行实证研究，提出融合 BIM技术、参数化驱动、云计算、遗传算法和神经网络进行建筑能耗、采光和成本多目标优化的策略[3]。师满江[4]通过研究得出基于民众需求开展灾后恢复重建工作是提升重建满意度的有效举措的结论[4]。以四川长宁Ms 6.0地震为例，结合“重建得更好”和灾后需求评估方法，构建恢复重建需求指标体系，为灾后重建居民需求提供基础数据。张光明[5]研究了两阶段的建筑工程多目标优化模型：第一阶段对工期—成本—质量建立综合优化模型，采用遗传算法求得非劣解；第二阶段将资源目标通过单资源均衡和遗传算法进行优化，实例计算结果表明该方法优化效果理想，运算效率高。李玲燕[6]以中国31个省份作为空间研究单元，构建以装配式建筑发展基础环境、生产建造实力、技术创新水平、可持续发展潜力4个方面的装配式建筑发展水平评价体系，运用均方差决策法、探索性空间数据分析、地理加权回归模型，探究中国装配式建筑发展水平的空间差异特征并进行影响因素分析。

■图2 各功能空间盒子户型模块组合图

■图3 盒子单元与建筑构件的连接图

■图4 各功能空间参数化设计组合

■图5 不同盒子单元组合为住宅套型

为了更好、更快地解决灾后恢复住宅建造问题，及时、有效应对山地村镇发生地震灾害后的灾情变化，将地震灾害对村镇人口、社会、经济、环境造成的不利影响降到最低[7]，对灾后重建的山地村镇进行科学的多目标优化途经理论和方法研究是非常必要的。本文通过对山地村镇受灾的特点及灾后重建居民居住空间多目标优化途经和方法进行研究分析，提出采用盒子装配式形式建造住宅能够提升灾区的建成速度，通过研究盒子装配式住宅多目标优化途径，提出面向灾后重建的村镇山地住宅设计多目标平台搭建方法以及灾后重建山地住宅多目标实现途径，并得出有效结论。

1 山地村镇住宅受灾特点及盒子装配式建筑提出

对山地村镇住宅现状与存在问题进行分析，然后提出盒子装配式建筑的概念，并对其进行分析，说明盒子装配式建筑对于山地村镇住宅受灾后重建需求的匹配。

1.1 山地村镇住宅特点

山地村镇民居多以山地作为他们生产和生活的空间，民居建设大部分存在严重不规范现象，尤其是选址、住宅设计、材料应用方面严重不符合规范，建设时对防灾建设也未引起足够的重视。山地村镇住宅（图1）一般就地取材，材料多以夯土、竹、木、混砖等传统材料为主，使得住宅建设具有较大的局限性，当地震、山体滑坡、崩塌等自然灾害出现时，住宅被破坏的范围极大。

1.2 盒子装配式建筑的提出

盒子装配式住宅技术集成了住宅设计、盒子单元模块的工厂制作、现场吊装、建设和管理为一体。通过PC混凝土构件装配成至少4面体的盒子，俗称预制混凝土盒子建筑[8]。设计时将住宅按照功能分为若干个单元模块，包括室内二次装修部分均在预制厂完成。然后将预制好的所有单元运到工地上或者直接在工地上搭建临时预制厂，将预制好的单元模块像搭积木一样对住宅各个空间现场组装。由于此类建筑的装配式构件所占的比率较高，盒子部品拼装安全、迅速，目前在城镇住宅建设中实际应用案例较多，在村镇建设中应用案例还较少。

■图6 装配式盒子建造及成型体系

2 盒子装配式全装住宅快速重建优势

分析盒子装配式全装住宅的设计特点，凸显装配式实施在快速灾后重建的优势。

2.1 户型模块化设计优势

盒子装配式全装住宅的关键技术是户型模块化的设计（图2），即可以按照整体户型中的客厅、主卧、次卧、书房、餐厅、厨房、主卫生间、次卫生间的常用开间及进深模式进行设计[9]。建造者可以直接选择设计好的户型模块，也可以选择其中的一个房间模块。将需要的户型或模块导入三维模拟软件BIM系统中，系统通过计算机软件模拟不同形式的组合矩阵，得到所有组合方式。在灾后重建时直接从案例库中调出需要的资料，快速完成灾后重建方案的选型。

户型模块可以用盒子结构式相连，也可以将盒子与其他预制模块相连，比如墙体、屋面、楼梯等（图3），可以满足宅后重建的各种居民需求。

2.2 参数化设计方法

在灾后重建中，山地村镇建设难度较大，盒子装配式住宅能够为其提供便捷快速的建造方案，盒子的需求量较大。不同居住者对户型的要求差异较大，通过Revit平台下BIM参数设计不同空间集合，居民基于VR直观形式选择自己喜欢的户型及空间形式，各个起居空间、卧室空间、书房空间、厨卫空间根据不同用户需求设置不同的参数，参数按照室内进深、开间大小，室内净空高度等尺度需求，并适当设置隔热和保温材料的参数性能，合理设置参数[10]。同时针对在空间造型上有需求的住户，设置机理参数，利用Sketch up软件生成造型模型，最后通过不同参数设置不同空间进行组合与变换生成一系列户型模型，如图4，当区域受灾后决策人员能够及时调动模型库，从而达到节约设计时间的目的。

2.3 装配式盒子全装住宅成型体系

装配式盒子单元是将住宅中的起居室、餐厅、卧室、厨房、卫生间等居住空间形成的盒子模块[11]，这些盒子模块单元以预制的形式提前压制成型，当遇到灾害时[12]，居民根据自己的人口情况、居住需求、生活习惯等选择合适的盒子模块，通过不同空间的重组形成套型住宅（图5）。

■图7 装配式盒子建筑特色外观元素及智能家居设施

每户居民根据自己的喜好选择的适合住宅套型，比如某村部分居民选择了由M1、M2、M3、M4四个空间模块组成的单元住宅楼，建筑师通过单元模块组合成一梯四户的住宅单元，建造者从工厂或现场预制4个盒子模块，盒子模块房间尺寸、建筑部件、设备均按照标准化、模数化要求设计，保证各构件的工业化生产标准及施工安装的高效性，然后通过组装、吊装、水电安装等工序完成住宅的建造（图6），通过实验2层由M1、M2、M3组成建筑面积为65平方米的住宅建造时间为4小时。

2.4 配套门窗及部品成型体系

由M1、M2、M3、M4四个空间模块组成的单元住宅楼采用铝合金模板预制成型，预制完成后室内空间无需二次装修，室内门窗及部品与建筑同时一次设计并建造成型，门窗直接安装，窗框与墙洞间无缝连接，而且窗型可以直接采用市场上现有的铝合金门窗、木门窗、铝木复合节能外门窗等类型完成门窗装配，盒子装配式单元室内空间精装修在工厂预制时已同时完成，住户入住时无需二次装修[13]。

家具等活动部件根据住户需求购置，卫生器具、厨房设备、整体厨卫一次压制成型并直接安装，管线、给水、排水、通讯、强弱电等配件在模块化成型前预埋，系列化的模块安装完成后安装水电，所有部品安装完成后，受灾居民可以直接入住，由于所有的住宅各个室内空间模块单元是提前在工厂预制完成的[14]，因此后期建设时间大大缩短、建造效率大大提高，一旦再次发生灾害，居民可以连同户型单元及住宅一并转移到安全区域，二次利用。

3 面向灾后重建的山地住宅设计多目标平台搭建

在前面研究的基础上，提出面向灾后重建的村镇山地住宅设计多目标平台搭建方法。

3.1 方案检索及盒子模块组合生成

住宅类型具有一定的规律性、可循性和典型性，将村镇受灾居民住宅起居空间、卧室空间、厨卫空间等参数化和模块化后可得到多种表达。建筑师根据住户的基本需求及住宅设计原理，设计不同模块的客厅L1，L2，L3，L4等；不同模块的餐厅D1，D2，D3，D4等；不同模块的卧室空间B1，B2，B3，B4等；不同模块的厨房及卫生间空间K1.WC1，K2.WC2，K3.WC3，K4.WC4等；利用计算机集成技术Revit建筑模拟软件将盒子模块快速组合，生产不同的住宅方案，方便满足不同住户需求。

3.2 基于户型拓扑特征的案例库检索

针对一部分不确定自己需求什么住宅类型的受灾居民，建筑师通过案例库检索帮助住户选型。基于户型拓扑的案例库中包括两种类型，一部分主要是通过计算机集成技术Revit建筑模拟软件模拟，另外一部分是已经施工完成的案例库。两种类型的案例库均输入在计算机中，通过计算机自动识别显示供住户选择，便于住户直观查看户型样式及室内空间状况，利于受灾居民快速找到适合自己的住宅方案。

3.3 盒子模块组合与智能信息参数优化工具模块

盒子模块组合成住宅建筑形体，建筑师可结合当地风俗或少数民族文化，增加建筑外观特色元素，体现民族文化特征[15-16]，使得模块化的盒子建筑体现更多本地化风格和个性化特色，便于居民接受盒子装配式住宅理念并积极配合实施。图7将中华优秀传统文化元素京剧脸谱融入到建筑外观及室内中。室内中嵌入脸谱中的智能传感器借助人工智能技术，能够及时探及人体的发热或咳嗽等异常症状，特别是老年人及行动不便之人，不舒适的症状将会反馈到京剧脸谱之中，看到京剧脸谱发生变化后及时联系外界快速得到救治。

4 面向灾后重建的山地住宅多目标优化实现途径

依托面向灾后重建的村镇山地住宅设计多目标平台，以提升项目生成速度，优化生成途径，提升管理效率等方面开展优化。

4.1 实践项目生成途径

灾后重建项目是一个比较浩大的工程。将灾后重建的山地住宅项目作为案例库。在灾害发生后，依托政府第一时间发布的受灾情况统计数据，建筑师借助于计算机软件开展方案选型与实施途径规划。首先根据统计的受灾人数、受灾居民的实际需求特征、重建选址等内容，利用计算机软件模拟分析村镇选址特点，并将设计好的住宅盒子单元库、户型库等方案库调出来供受灾民众参考和选择，受灾民众将盒子单元全部选择确定后，建筑师根据住户的选择组合符合住户需求的住宅形式[17]，政府或建设方根据建筑师的统计从仓库中调出预制的盒型，运输到受灾地，通过现场组装、吊装、安装、后浇等工序完成山地村镇灾后重建项目。

4.2 项目管理目标生成途径

政府或产业公司统一对灾后重建项目实施管理，通过招投标选择并确定优秀的项目负责人及其管理团队，要求其团队中至少有5名以上的建筑设计工程师，这些工程师主要负责不同住户的住宅产业选型，为不同受灾民众解决住宅盒子组合方案及选型工作，项目负责人根据建筑师最后的住宅选型上报政府部门或项目管理公司调运盒型，同时项目负责人制定施工进度计划安排表及盒子运输方案，为住宅开工、现场安装做准备，确保项目完成。整个项目管理过程在平台下统一管理，并根据项目实施推进情况进行优化[18]。

4.3 项目测评目标生成途径

灾后重建项目测评最重要的目标之一是时间节点的控制，确保所有的项目按照进度计划安排表实施，保证灾后重建工作顺利进行。盒子住宅项目测评目标还包括项目实施过程中的风险控制、对周边环境的影响、项目节能及环保测评等，项目建成后包括室内空间空气质量、居民入住后评价等内容，确保居民居住环境的安全性及环保性，自然的将全过程绿色设计融入建造之中，将住户需求融入设计回访中[19]。

5 结语

本文面向云南山地村镇灾后重建问题开展盒子装配式全装住宅建设与多目标优化途径研究，旨在提高灾后重建的建造效率。研究了灾后重建中户型模块化的设计途径、盒子装配式住宅参数化设计方法、装配式盒子单元组合成型体系、配套门窗及部品成型体系，以及面向灾后重建的山地住宅设计多目标平台搭建，平台搭建包含方案检索及盒子模块组合生成、基于户型拓扑特征的案例库检索、盒子模块组合与节能参数优化工具模块，最后得出面向灾后重建的山地住宅多目标实现途径。