模块化装配式设计建造可持续建筑——以清控人居科技示范楼项目为例

孙菁芬 陈晓娟 解丹 林正豪 李珺杰 / SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan, LIN Zhenghao, LI Junjie

模块化装配式设计建造可持续建筑
——以清控人居科技示范楼项目为例

孙菁芬 陈晓娟 解丹 林正豪 李珺杰 / SUN Jingfen, CHEN Xiaojuan, XIE Dan, LIN Zhenghao, LI Junjie

1 模块化装配方式在本项目中的必要性

首先，作为可持续示范建筑，清控人居科技示范楼（Tsinghua Eco-Studio，THE-Studio，以下简称“科技示范楼”）本身的实验性和示范性定位决定了其对建造和空间品质的较高要求。建筑本身不仅要经得起时间和环境的考验，还要有舒适的室内空间，因此必须采用可靠的工业化部品、成熟的生产和施工方式，以保证最基本的建筑品质要求。

其次，项目的建造要求高但相应的设计和建造周期短。这意味着常规的土建施工流程难以满足要求。按照常规的土建建造程序，结构由下往上逐层施工，封顶后，再进行屋面、墙面等建筑外围护及设备管线的施工等，屋顶和外墙封闭后，室内装修工程才能开展。在常规流程下，往往后一步工序需等前面的工序结束后，再进行现场测量确定尺寸，消化施工误差，下料之后再继续施工。这种建造方式不仅周期长，且应对施工误差的灵活度低，故在备料和尺寸定位上也需按照先后顺序在现场确定。

模块化装配式的设计建造方式则与之不同。首先在设计阶段，就明确了各模块单元独立成体系，在结构和构造上相对独立，如嵌套的盒子，可以分别备料和施工。其次，在建筑的最底部，钢筋混凝土的基础圈梁及局部挑板作为整体建筑的“主板”，为各模块提供独立的安装基座。各装配模块分别落在各自对应位置，即使不同系统间有尺寸误差，也不影响建筑的整体使用和完成度。在此前提下，各体系可以完全独立备料和加工，保证产品质量；同时也可以在现场并行施工，将常规串联式的工序流程变为并联式，大大缩短建造时间。

第三，建筑作为实验平台，对建筑部品有可实验可更新的特殊要求。本建筑在设计之初的定位，就意味着竣工并不是建筑的最终状态，它需要提供一种能根据研究的内容、测试数据的结果，进行调整和更新的灵活性。在此前提下，模块化装配式的设计和建造方式，能更方便地满足要求。模块的独立性为各部件性能的检测和数据搜集提供了条件。模块的组装建造方式和互相间较弱的依赖联系，为构件将来的更新提供了便利。

2 建造体系的梳理及4组建构模块的划分成型

为满足内部不同功能需求，建筑南北两侧分别设置了6组并排的轻钢箱体单元，南北各两层。北侧为内部工作人员日常办公管理用房，外加茶歇间及公共卫生间；南侧为对外接待及会议区。为改善南北两侧轻钢箱房空间的灵活性，局部去掉了箱体墙板，仅保留部分框架，南北两侧的轻钢箱体之间作为两层通高的中部展示大厅，大厅顶部有采光通风侧高窗。建筑周圈设有20m×20m的简易外表皮，外

表皮由2.4m高的玻璃幕墙和幕墙上方的通风遮阳表皮共同组成。外表皮与建筑主体之间形成一圈空腔：将南北侧较窄空腔用来布置地道风立管及雨落管等垂直管线；将东西空腔用作安置电气、给排水、环能等专业的设备间，同时便于对外展示设备的运营和维护。因科技示范楼所处地形为西高东低的景观坡地，故利用东西高差，在东侧平台下方设置了嵌入地形的地下室，用于较大的专业设备机房，并将主体建筑底层架空，以便布置设备管线。

在上文所述的设计前提下，将建筑从结构，建筑围护，环能及机电设备这3大体系中分门别类地拆解，再归纳合并，最终形成构成本项目的4组装配模块（图1）。

图1 建筑拆解示意

2.1 结构体系

2.1.1 大空间木结构（屋顶屋架及展厅区大空间）

本次的建筑主体结构为钢木混合的木建筑结构体系，大空间梁柱构建采用胶合木框架结构。胶合木是指用胶粘方法将木料拼接成尺寸与强度符合工程要求而又具有整体木材效能的建造材料。所有木梁柱构件均采用强度等级为TCT24的同等组合胶合高强工程木，树种为花旗松，树种级别SZ1①。局部室内外不可见结构构件采用钢结构，如南北两侧位于设备夹层内的柱子和梁。木构件间采用螺栓或销钉连接，木构件与钢构件之间采用螺栓连接。胶合木构件和钢构件均在工厂内按照《胶合木结构技术规范》（GB/T 50708-2012）和《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）完成组件的加工及防虫防火的处理后运输到现场，在地面进行局部拼接，再用塔吊吊装就位并组装，调节位置后最终定位固定（图2）。

2.1.2 装配式轻钢箱体结构（展厅周边附属房间的结构）

装配式轻钢结构用于建筑南北两侧的小空间，采用3m×6m×3.3m的箱体框架单元。其中底框梁和角柱为4mm厚的Q235冷弯薄壁型材，顶框梁为3mm厚Q345冷弯薄壁型材。箱房的内外墙面均为80mm厚金属面岩棉夹芯板。

首层南北两侧均采用6个并列的框架单元，按照建筑空间布局的需要选用轻钢箱房的底板、顶板和侧墙。二层区域南北两侧主要选用轻钢箱房的底板，以发挥开敞大空间的优势；仅在东南角会议室和东北角独立办公室部分采用轻钢梁柱框架（图3）。轻钢箱房结构完全按照厂家的工艺流程标准在工厂内完成组件加工和喷涂，单元构建运输到现场后，在场地外完成组装，最终吊装就位并固定。轻钢箱房单元与木结构柱跨一一对应，嵌入其中（图4）。

从经济性和省材的角度，这种房中房的结构模式不仅浪费材料，也浪费空间，但这种方式却为本项目赢得了最宝贵的时间，而且所幸结构材料本身是可回收循环利用的钢材。这也是在本项目的特殊背景下，设计师在结构体系选择中做出的权衡和让步。

2.2 建筑围护体系

建筑首层的热工围护界面为简易双层皮：即内侧的轻钢箱体薄壁钢板岩棉复合墙和外围的玻璃幕墙表皮。因轻钢箱体自带围护界面，节省了首层外墙的施工时间，同时也为首层箱房在建筑屋面工程封顶前开始室内装修的施工提供了条件（图5）。

建筑二层围护界面为木结构密肋复合墙板+外表皮系统。木结构密肋复合墙板是在密肋龙骨之间填充保温材料，室外部分外加保护层，防水层和饰面板；室内部分则用耐火石膏板和装饰板封

闭。从内到外的构造层次分别为：9.5mm木装饰板，12mm耐火石膏板，140mm×38mm木墙骨（内置保温岩棉），9.5mmOSB板（Oriented Strand Board，定向纤维板），防水透气膜，25×38木龙骨，8mmFC（Fiber Cement，纤维水泥板）外挂板。二层的木构密肋墙面与木构密肋屋顶交接，成为封闭的建筑维护界面。从2.4m玻璃幕墙以上，则采用外挂隔热表皮系统。

在设计初期，并未确定外挂隔热表皮的具体材料，只是定性为木构墙面外侧可遮阳隔热的简易双层皮，固定于幕墙龙骨上安装。外挂隔热材料可选择的余地大，木格栅、竹编表皮等都在考虑之列。这既体现了前文提到的模块化装配体系中构件可灵活更换的特点，也是本项目在确保了工业化体系较高的建筑品质后，给传统手工业留下一片自由发挥的空间。最终，我们选择了当地较常见且成熟的手工艺品——藤编。

2.3 设备及能源体系

图2 主体钢木混合结构示意

图3 轻钢箱体独立结构单元

图4 木结构两侧嵌套轻钢箱体

图5 屋顶封闭前轻钢箱体内装施工现场

建筑主体涉及的设备及能源系统包括：地道风送风系统、生物质锅炉供暖和地板辐射采暖系统、建筑常规的强弱电系统、数据监测系

统、智能控制系统、太阳能光伏发电及太阳能光热设备系统、建筑室外绿地雨水收集设备、带源分离洁具的给排水系统等。

因此，设备夹层的设置，为设备的安装、线路的敷设、运营过程中的检修维护等提供了便利的空间条件。

利用建筑内外两层维护表皮之间的空腔，形成垂直方向的设备夹层。东西两侧较宽的夹层作为各专业的设备仪器间，南北两侧较窄的夹层走垂直管线。建筑东西两侧的4个主设备间分配如下：东南角用于智能控制模块设备间；东北角用于太阳能光伏及光热设备间；西南角作为建筑南侧景观雨水收集的水泵间；西北角作为预留的设备间。

利用地形高差，在东侧首层地下，设置集中的设备机房，如地道风除湿机房，生物质锅炉机房，变配电间等，并在主体建筑地下设水平管道夹层。

水平及垂直设备夹层的设置使设备安装不受土建及内装工程进度的影响，实现施工的并行作业。预留的各种设备夹层为将来实验和增补其他设备系统预留了空间，提供了可能性。常规对建筑室内空间影响较大的风管，水管可以在空腔内组织，作为建筑表皮肌理的一部分，对外有一定的展示度。

罗列建筑3大系统内的各分项后，将工业化水平要求高、相关度高且施工流程紧密的分项，组合成一套建构模块。最终以上3大体系中的各分项被归纳为4组建构模块：（1）木建筑模块；（2）轻钢箱体模块；（3）外表皮及幕墙模块；（4）设备模块。

4大建构模块分别对应各自成熟的工业化部品和厂家：木建筑模块由专业的胶合木生产及施工单位配合；轻钢箱体模块有轻钢厂家专业的生产流水线和装配施工人员；外表皮及幕墙模块有幕墙厂家负责钢龙骨、玻璃的加工生产和施工，藤编单元虽是地方传统手工制品，但也被编号定位，并由幕墙施工队负责安装；设备模块，则是从国内外工业发达地区的设备厂家订货，并由厂家指导安装。所有这些成熟的工业产品组合到一起，确保了建筑最基本的建造品质的同时，也预留了允许地方传统工艺自由发挥的余地。除了前文所述的藤编表皮，另一个典型的例子就是室内大厅和室外景观平台的铺地石材。贵安周边的车田镇，是一处历史悠久、知名度高的采石场。车田镇出产的特色青石，是一种深灰色带有自然纹理的页岩，经手工处理或简单的机械加工即可成为石板，是当地常用的地面铺装材料（图6）。

对于工业化起步发展的贵州地区，技术含量较高的工业化产业（如玻璃加工、金属加工等产业），其成本要远远高于北上广深等工业发达地区，但传统的手工业（如竹编藤编、石材加工）则价廉物美。因此将工业化和手工艺相结合，是因地制宜，取长补短，效率和效益最大化的方式。

3 各装配模块在建筑图纸中的整合及技术深化过程

建筑的平立剖面设计图纸成为统筹各装配模块的索引。明确划分4组模块的分界面，同时深化交接处的构造，作为反提的设计条件，以确保不同模块设计内容在交接处的合理和完整。

钢筋混凝土基础底板、基础框架梁、框架挑板共同构成了本建筑的安装底盘，为各模块体系提供了明确的定位及互不干扰的结构施工条件。底盘的钢筋混凝土构件为轻钢箱房柱脚、木结构柱脚、幕墙竖向主龙骨均预留了足够的预埋件施工安装空间；同时也根据设备管线要求，预留了电气管线、水管及风管的洞口，以便设备管线的入户定位和组装。

深化设计过程中，最受关注、最需要协调的一般都是不同的建构模块交接的部位，建筑师需汇总各模块部品的技术细节，进行统筹协调。最典型的例子是南北外墙处，同时涉及木建筑模块、轻钢箱体模块外表皮及幕墙模块和设备模块这4个建构模块：木构造屋顶和外墙藤编表皮存在天沟安装和泛水板交圈的问题；木构造外墙有和轻钢箱房的结构搭接和外围护墙面封闭的需求；轻钢箱房、木构外墙必须满足风管接入和风口设置的需求；幕墙及藤编表皮与木构墙体有底部双层皮空腔封闭，将风管包封在围护表皮室内的需求；此外设备空腔还存在自然通风的需求。故建筑的墙身设计，需要综合协调，解决以上问题（图7）。

图6 当地青石板加工

另一个典型的问题，发生在二层木构外墙与首层轻钢箱体的结构搭接上，是设计深化过程中对初始设计原则的反馈调整。为保证各模块体系的结构计算及明晰的结构安全，设计之初确定的原则是各模块独自受力，以便不同结构体系的荷载计算。按照这一原则，木构外墙应落在木结构上，不应将荷载传给轻钢箱房。在设计深化过程中，此原则成为了掣肘障碍。因为轻钢箱房是嵌套在木结构框架内的，即首层轻钢箱体的外墙在木建筑结构柱的内侧，如要二层外墙与一层轻钢箱房外墙封闭交圈，则有两种处理思路，一种是二层木构外墙退到柱子内侧，保证完成面与首层轻钢箱房外墙齐平；

第二种是木构外墙设在柱子之间，则二层外墙挑出于一层外墙，需再处理水平缝隙的封堵。与此同时，南北空腔中的设备管线综合模块提出了强制要求：地道风送风口必须送至二层房间，幕墙及藤编表皮模块也需确保二层藤编表皮与木构外墙之间的通风隔热空腔。故二层木构外墙只能选择与首层轻钢箱房外墙平齐，退到木结构内侧。在此情况下，木构外墙在空间上位于轻钢箱体的正上方，受力上却要避开箱体，传给外围结构柱，显然是将原本简单的传力路径复杂化了。不仅如此，结构构件在木构外墙的外侧，意味着较多的冷桥及防水穿破点，对建筑外围护也极为不利。既然在原有的设计前提下没有简洁有效的解决方案，只能追本溯源，由建筑师、结构工程师、木结构专业工程师和轻钢结构专业工程师，进行四方协同磋商，能否跨越初始前提，让二层的木构外墙落在首层的轻钢结构上。这一方案最大的隐患是：轻钢箱房之前作为室内构筑物，完全不必考虑建筑外墙水平风荷载，一旦木构外墙立于其上，就要考虑建筑的风荷载因素，故原本经济的轻钢梁柱就需进行结构加强处理。另一隐患是，木构外墙底部立于轻钢箱体上，顶部却连接木构屋顶，两个结构体系的形变量不同，交接部位易开裂。为解决以上两大问题，轻钢结构工程师对轻钢箱房的结构做了加强，在构建尺寸不变的情况下，加大钢板厚度，确保水平风荷载的受力。同时，木结构和轻钢结构专业工程师计算了各自结构体系的形变量，得出差异不大，交接处构建不会拉裂的结果。最终，木构外墙可以安稳地立于轻钢箱体上，不仅实现了围护界面的封闭，也满足了设备模块风管和外表皮幕墙模块隔热空腔的需求。

与之类似的模块交接问题还有很多，都是通过建筑专业详图设计、分包商及各工种针对详图反馈信息，建筑专业再调整详图，分包商再反馈，最终共同确认解决这些矛盾的方法。期间各专业及各分包商同建筑专业需高密度配合，随时共享各项技术信息，对问题及时反馈、调整。正是在这样的工作模式下，才能确保短时间内设计信息的全面交圈及满足施工深度的设计出图。

图7 北侧墙身4个建构模块交接处详细示意

4 施工建造过程建构模块的并行施工流程

施工的过程验证了模块化装配式的组合设计方式，让建造过程中的并行下料加工及现场施工成为可能。建筑整体对各模块施工误差的容忍度和适应性都较强。

施工总包方从3月13日开始场地的定位测量及场地平整等工作（注：此时施工图尚未全部完成），3月17日开始基础开挖等一系列基础土建施工，从3月27日到4月27日进行地下室及地下设备夹层的钢筋混凝土土建施工，为地上的模块装配化作准备。在此期间，木业、轻钢箱房、幕墙等厂家分别在工厂内进行各自构件的备料和生产加工。

4月25日，轻钢箱体厂家首先进场，在项目场地边完成现场框架的拼装，并于4月30日在钢筋混凝土底盘上吊装就位。5月1日，木业厂家进场，3日开始大厅部分木结构梁柱的吊装施工，与此同时，轻钢箱房同步进行隔墙墙板的拼装和外窗的施工。5月7日，幕墙厂家进场，并于3日后开始外围竖龙骨安装。木业厂家同步进行屋面结构和二层外墙龙骨的安装。此时首层轻钢箱房内的管线安装及室内装修施工也开始同步进行。

5月8日，轻钢箱房部分验收完成，木业的主体梁柱结构也完成近70%。5月20日，幕墙立柱龙骨完成，木业屋面及二层外墙龙骨及欧松板基层接近完成，金属线槽已安装，首层轻钢箱房室内已完成，主要房间的电线电缆走线已完成，主要空间已开始安装内饰面秸秆板。5月22日，地道风户外管线敷设完成，同时，建筑内的风管也开始安装。木业开始屋面防水层的施工，总包方完成屋顶风帽主体结构的加工，幕墙完成屋顶幕墙天窗的骨架组装。5月26日，木业坡屋面的防水完成，坡屋面天窗安装完成，开始准备屋面瓦的施工。同步，建筑南北空腔内的设备风管安装完成；幕墙开始二层部分铝板包封及藤编单元的试安装。

按照计划，5月30日应拆除外部脚手架，在此之前，还要完成顶部太阳能光电、光热板的安装，屋顶风帽的铝板包封，烟囱的安装，幕墙的玻璃天窗、藤编的安装等工作。

6月1号开始，进入全面的室内装修阶段，尤其是室内大厅和二层的内装工程，洁具及设备安装，照明灯具及电气末端面板的安装等。同时幕墙继续进行首层玻璃、铝板通风口及铝板封闭工作。

图8 4大建构模块的施工流程

6月7号全面开始室外工程，6月10日同步开始强弱电及智能化电气的调试，最终按照计划将于6月21日全部完成，预留3天竣工清理。

在实际的施工进展中，可以看到不同部品厂家同时交叉作业的并行施工节点。5月1日至6月1日，是项目现场交叉作业面最广的一段时间。高峰时期，4大模块对应的若干厂家加总包方同时开展现场作业，当然，是此消彼长的施工方式。此过程中虽偶尔会出现意料外的影响因素，比如雷雨天气、部品到场时间的耽搁、手工藤编的尺寸误差，但模块化拼装方式给建筑预留的灵活性和包容性，以及现场施工技术人员的辛劳和智慧，都让这些问题能得以及时解决，并将整体工程迅速向前推进（图8）。

5 结语

木建筑模块、轻钢箱体模块、外表皮及幕墙模块、设备模块这4个装配化模块在设计初期的确定，实现了设计过程中的同步深化设计，独立的工厂预制下料生产。模块之间的独立保证了较强的误差消化能力和较大的误差宽容度。统一的混凝土基础底板不仅为各模块独立的结构受力提供支撑，也确保了各模块的准确定位，以及并行施工过程中各自施工界面有条不紊地展开，互不干扰。各模块的装配化建造，为建筑构件的更换更新，设备的改动安装预留了便利的条件和足够的空间。而最终的目的，不仅是在短时间内建造出有可持续技术展示度的建筑，更要保证建造的高品质，空间环境的高品质，并满足建筑作为实验平台的灵活度及开放性。

注释

① 结构用集成材中，目测分等层板强度性能中的最高级别。

孙菁芬，清控人居建设（集团）有限公司

陈晓娟，清控人居建设（集团）有限公司

解丹，清控人居建设（集团）有限公司

林正豪，清华大学建筑学院，生态规划与绿色建筑教育部重点实验室（清华大学）

李珺杰，清华大学建筑学院，生态规划与绿色建筑教育部重点实验室（清华大学）

2015-06-04

MODULAR PREFABRICATION FOR SUSTAINABLE ARCHITECTURE：A CASE STUDY ON THE THE-STUDIO

为在短时间内建造一座可持续示范建筑——清控人居科技示范楼，满足技术展示、建筑运行数据采集以及为技术更新提供实验平台等各项要求，项目采用了模块化+装配式的设计和建造方式。建筑被划分为木建筑模块，轻钢箱体模块，外表皮及幕墙模块，设备模块4部分。4大建构模块各自独立安装在共同的基础底板上，不同模块间有较大的误差包容度，实现了从深化设计到部品加工及现场施工的并行作业，极大地缩短了建造周期，保证了建筑整体的完成度，也为示范建筑作为开放的实验平台提供了灵活性。

The THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) is a sustainable and low-energy building functioning as a platform to showcase technologies, collect data on building operation, as well as update technologies. To achieve the objective in a short time, the modular prefabrication design and construction model is adopted, and the building is divided into four modules∶ the wooden building module, the lightweight steel construction module, skin and curtain wall module, and the MEP module. These four building modules are separately installed on a same base plate with a larger error tolerance between different modules, which achieve parallel activities from the detailed design to products processing and to on-site construction. It not only greatly shortens the construction cycle and ensures the completion of the building, but also promotes the f exibility of the demonstration building as an open experimental platform.

可持续建筑 低能耗 模块化 装配化 轻钢结构 木结构

Sustainable Architecture, Low Energy Consumption, Modular, Prefabrication, Lightweight Steel Construction, Wood Construction

本文由国家自然基金面上项目（51278262）支持。