建筑模块化研究进展综述

陈 谦 贾 杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

建筑模块化研究进展综述

陈 谦 贾 杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

结合国内外研究状况，从发展背景、市场需要等角度对建筑模块化技术进行了分析，就不同的建筑模块化研究思路分别提出了其发展优势以及现阶段存在的一些问题，基于各种不足，从成本、设计、安全性能等方面提出了改进措施。

建筑模块化，预制拼装，集装箱

0 引言

21世纪以来，中国经济的腾飞，带动了建设领域的高速发展，其理论和技术水平也得到了相应的提升，日趋成熟。但是，随着经济的高速发展而带来的一系列问题也愈加凸显，例如人口密度增大、资源过度浪费、环境急剧恶化等，这种以量变求发展的模式已经不能再继续了,绿色、可持续建筑才是今后土建行业发展的重点。

新思维、新理念是土建行业发展的源泉。随着工程类型的复杂化，施工质量的标准化，社会对建设项目的精益程度要求越来越高。此时，为了满足日益增长的需求，就必须引入一种新的建设体系，来解决现阶段所存在的这些问题，而“建筑模块化”就是一个很好的创新体系。

建筑模块化是指将若干个在工厂预制的空间模块，运到施工现场后像搭积木一样地搭建而成的建筑。模块化技术集设计、制造、搭建和验收为一体，有效的缩短了建设工期，可以更快的回收资本，是一种新的、有前景的理念，以技术创新为核心，具有独特的竞争优势。

1 国内外研究状况

建筑模块化并不是凭空而来，它是总结前人的想法，逐步深入发展而来的。在西方和我国，对此均有大量的研究探讨，以及付诸实际，尤其是近现代。

1.1 国外研究状况

国外关于建筑模块化，主要以可持续建筑作为发展和研究的目标，其理论和应用都有了一定的积累。

20世纪初，盛行现代主义和极少主义风潮，在解构主义的“冲突”与“疯狂”的冲击下，提出了“少就是多”的原则。早期的建筑模块化只是一种简单而独特的结构形式，国外建筑师主要以盒子体系为主，节约空间布局，简化施工，优化建设工期。

许多著名建筑师都曾提出关于模块化的观点。一战前，瓦尔特·格罗皮乌斯就提出了自己的观点：新时代的建筑应该既是科学的又是实用的，能够在工厂的流水线上大批量生产制造。1910年，他主持设计的包豪斯校舍，三个模块间彼此独立，以通路相连，其体现出的模块特性就是以功能来划分模块[1]。

1947年，勒·柯布西耶提出了“抽斗式住宅”的设想:用坚固的材料做框架，在框架形成的格子中，插入可以随时抽出的模块构件，就像在柜子上安放可以随时抽出的抽斗一样。

20世纪60年代，日本兴起了以动态的功能观来看待建筑的“新陈代谢理论”。黑川纪章是其中的代表人物，在其基础上又提出了“变形”的概念和“点式刺激法”，认为建筑作为一种结构，分为稳定体和易变体两部分，前者采用混凝土等永久性建筑材料作为承重结构不再改变；后者则用塑料、木板等轻型材料，根据不同时期的功能要求而更替[1]。

20世纪后期，集装箱改造房逐渐兴起，随之出现了一系列专利与书籍。如美国1986年的Modular Container System，针对建筑功能提出了单个集装箱的改造方法。以及Intermodal Shipping Container Small Steel Structure，这本书针对由2个～4个集装箱模块组合成的小型集装箱改造房，从基础选择、空间扩展、模块连接等方面进行了详细的介绍，并提出规则的建筑造型是最安全的观点[2]。

随着科技发展，对于模块化的研究逐渐深入到施工的细节方面。英国萨里大学的Robert Mark Lawson教授等对模块组合结构和节点受力性能进行了试验研究。加拿大西安大略大学的C.D.Annan教授等对多层钢模块建筑的连接形式和抗震性能进行了相关研究[3]。

1.2 国内研究状况

在当代，我国对于建筑模块化的研究起步较晚，理论比较单薄，缺乏多学科的交叉互补，宏观层面的论述较多，深入具体研究和有创新突破的较少，在很多方面还是空白。直到近几年，情况才逐渐改善，进行了一些相关研究。

1.2.1 预制装配式建筑

20世纪90年代以来，在政府的支持下，一些大学和科研院所，将模块化运用到建筑设计与施工等领域，研究大多以“盒子结构”作为空间单元进行组合，体系较为单一。

2010年，崔惶院士发表《中间建筑》一文，较为完整的解剖了建筑师如何运用模块化策略在设计中进行功能组合，提到模块化方法应该深入到建筑的每一处细节中：幕墙划分、门窗洞口以及整个内部空间布局，达到外部形式与内部功能的有机结合。

1.2.2 拆装式集装箱建筑研究

相较于预制装配式建筑的研究，我国对于拆装式集装箱的研究较早，有一定的成绩。

2006年，中国建筑科研院的申世元、葛学礼等发表的论文《拼装式轻钢活动房结构安全分析及改进意见》中介绍了大量轻钢结构拼装式房屋现状，对这类房屋从承载力和变形的角度采用有限元模型进行分析论证，指出了其中的问题并提出了改进建议。

天津大学的黄光宏、冯远红等运用NASTRAN软件对扩展集装箱式房屋建立空间整体模型，对纵向1/2整体结构进行了20 cm雪载和X向10级风载的结构试验。

哈尔滨工业大学的查晓雄教授利用ABAQUS软件，对多层集装箱房屋在十字卡件等节点连接形式的条件下，进行集装箱房的顶端荷载—位移曲线的模拟，得出十字卡件等节点连接形式的相关数据和参数[2]。

2 研究内容与框架

经过国内外学者的一系列理论研究及施工人员的实践总结，建筑模块化按照研究内容大致可分为两个方面：1)预制装配式建筑，是采用在工厂预制的杆件、板块等，运输至施工现场进行连接、装配而成的建筑，主要为多层、高层建筑，见图1；2)拆装式集装箱房屋，是以若干废弃集装箱为主体，作为现成的建筑材料，搭建或组装而成的建筑，多为中低层建筑，见图2。

2.1 预制装配式建筑

预制装配式建筑是指将整个建筑分解为梁、柱、板等基本构件，通过标准化的节点构造实现现场机械化装配施工的建筑。构件的装配过程是将不同构件按照设计要求进行组合的过程，是模块整合的过程。根据不同的预制程度，预制装配式建筑结构体系分为三类，见图3。

2.2 拆装式集装箱房屋

拆装式集装箱房屋是指对既有的废弃集装箱进行改造，在钻孔、组装以及进行加固后而成的一种新的建筑。按照空间组合方式的不同，主要可分为两大类，见图4。

2.2.1 基本组合

集装箱处于并置关系，通过打通模块之间的接触面来实现空间的延伸而形成整体，主要通过单箱、堆码、横向并置、纵向并置等方式来实现。

2.2.2 拓展组合

充分利用内部的空间，通过平面和立面上的错位使集装箱模块之间产生包容空间，这种包容空间属于有效的使用空间，可以灵活使用。

3 发展优势与存在的问题

建筑模块化作为新兴技术，拥有一系列突出的优势，其最大特点就是提高作业效率，缩短施工周期，更早的交付投资方，使其更快回收资本。其次，工业化生产使模块单元具有精良的工艺：流水线作业，机械精准切割，保证高品质。工厂施工的环境可控，可对施工质量进行全方面检测，控制制造误差。同时，模块化建筑有2/3以上的施工过程在工厂内完成，只留少量连接拼装等工作在现场采用干燥作业，总用工量少，劳动条件有所改善，还可减少对周围生活环境的影响。

不过，建筑模块化要想在国内迎来爆发式发展，还有待解决一些问题。首先，其成本较高。比如，建造一个50 m2的公寓，装配式建造方式的成本大致是传统建造方式的2倍～3倍。其次，模块规格制式化且种类较少，房间尺寸受到了限制，导致样式设计可选择的范围有限。然后，预制构件或集装箱往往体积大、重量大，造成半成品运输、装卸、吊装困难，使模块建筑的建设、适用范围受到了限制。另外，建筑构件的设计和建造可以标准化，但是由它形成的体系很难做到标准化。按层制造，现场靠螺栓连接的建筑，在荷载下螺栓反复受力产生疲劳和松动的可能性很大，安全性能就受到了挑战[5]。只有解决了上述问题，一系列建筑模块化技术才能整合起来，形成新的建筑体系，才能在更广的领域付诸实践，推动土建行业蓬勃发展。

4 结语与展望

建筑模块化，其实是建立了一种有效的操作手段，具体的实施要根据实际情况逐步累积经验。它是一种创新技术，现阶段拥有巨大的潜力，当然也有一些不足，但这些问题并不是不能解决的。例如现阶段模块构件成本高，可以结合当地条件，在工程化比较集中的地方修建模块构件预制厂，为工程提供模块构件；或者在模板工厂内增建生产线来生产模块构件,所需追加投资不多,而受益较大；还可在工厂中生产一些金属、塑料与混凝土混合的轻质材料,既降低构件本身成本，也相应的减少运输成本。

模块化的前提是不同实体之间有合作方式，但每个模块内部都有自由创作的空间。模块化是一个动态过程,而非一个孤立的静止事物,在生命周期结束前将一直处于修改、更新状态。至于安全性能，现阶段最有效的方法就是严把审核关卡，此处我们可以借鉴国外招标过程中“两段三审”的方法，透明招标过程,减少人为因素的干扰。同时，政府部门的监管职能要充分发挥。随着国际化进程的逐渐加快，我国将真正的建立健全模块建筑工程的安全性能体系。

近年来，我国处在一个大力发展基础建设的时期，建筑市场潜力巨大，全国居民住宅还处于一个供不应求的局面中，现在加紧对模块化建筑的研究开发工作，是很有现实意义的。而且,这种住房最大的优势不在买房人，而是外来的寻租户。尤其是每年流入城市的近2亿人的民工大潮，这个数以亿计的巨大人群将会成为模块化建筑的主要消费对象。

对于模块化建筑，采用新技术、新材料是增强它竞争力的主要手段。目前，我国大量推广建筑模块化的条件还未完全成熟，但随着生产的规模化和生产技术水平的提高，越来越多新颖设计方案的涌现，模块化建筑将呈现出大规模的发展态势。建筑的模块化是整个建设领域工业化的结果，是行业发展渐进的方向。在初始阶段，由于存在着一些技术与管理上的问题，模块化的效益不太明显。但从长远发展来看，解决了上述问题后的整个建设行业将拥有巨大的发展前景，迎来新一次的腾飞。

[1] 仝非非.建筑设计的模块化探研[D].郑州：郑州大学硕士学位论文，2013.

[2] 查晓雄.轻钢活动房计算理论——静动力、优化、性能化防火、集装箱改造房[M].北京:科学出版社，2011:265-266.

[3] 王小盾，曲可鑫.模块化建筑技术综述[J].工业建筑，2013(sup):56-64.

[4] 王 蔚，魏春雨.集装箱建筑的低碳模式[J].建筑学报，2011(S1):130-135.

[5] 郭 菁.可持续建筑：远大集团拼装高楼[J].上海经济，2013(3):37-39.

Researchsurveyofmodulararchitecture

CHENQianJIAJie

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

On the basis of the current research achievements at home and abroad, this article gives a brief analysis on modular architecture from different perspectives like development background and market demand. Comes up with research ideas strengthes and existing problems respectively, thus gives corresponding improvement proposals from cost, design and safety based on these problems.

modular architecture, precast consolidation, container

1009-6825(2014)33-0093-03

2014-09-17

陈 谦(1993- )，男，在读本科生； 贾 杰(1980- )，男，博士，讲师

TU741

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