个性化装配式住宅建筑形式WikiHouse浅析

汤建新 陈冬威 杨 健 宫 婷 潘珠峰

1. 上海市城市建设工程学校（上海市园林学校） 上海 200232；2. 上海外高桥造船有限公司 上海 200137 3. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240

1 预制装配式住宅建筑以及WikiHouse介绍

预制装配式建筑通过在工厂中生产所需构件、运输至施工现场并进行安装，可以大大提高施工效率、优化现场管理、减少能耗和施工垃圾，是一种绿色可持续的建筑形式。随着国家政策的大力推动，与20世纪50年代早期引入阶段相比，我国预制装配式建筑的施工技术不断创新，建筑质量和居住体验也得到了不断改进。

常见的装配式建筑通常为木、钢或混凝土结构，在施工中仍具有一定的现场现浇作业量，需要使用一些中大型机械，对于施工人员的技术要求高于传统的现浇模式，且建筑造型相对单一。目前的预制装配式建筑成本偏高，模块化程度较低[1]，预制构件运输堆放的管理难度较大，构件起吊安装风险较大，构件拼装定位较难[2]。

WikiHouse是一种集自主设计、电脑数值控制（Computer Numerical Control，CNC）机床和装配式施工于一体的新型装配式房屋建筑技术。用户可以从开源平台上下载免费的SketchUp设计包，利用WikiHouse的相关插件编写程序并由CNC实现数字化剪裁，最终通过楔、钉方式简单高效地在现场组装个性化房屋。同时，用户可将修改变化后的材料或设计上传WikiHouse，从而实现动态的分享互动。

WikiHouse的个性化程度高、施工技术要求低、作业量少且低价环保，具有十分强大的市场发展潜力。

2 WikiHouse的建造特点

2.1 WikiHouse的优势分析

2.1.1 个性化的建造设计

WikiHouse最大的吸引力在于摆脱了常规的建筑和结构设计，节约了大笔的设计费用。除了下载平台上已有的设计模板外，WikiHouse目前正在开发一种互动的房屋设计平台，用户可以自主设计并下载，同时获得完整的成本估算，从而能够更加直观地在自己预算范围内进行建筑设计。而且即使模板相同，每个用户对外观、功能的不同需求也保证了不会出现两栋一模一样的WikiHouse。随着越来越多的建筑设计被上传到设计库，可以渐渐形成一些具有区域特色的设计方案，这些设计能够更好地契合当地规范，为用户获得当地建筑许可提供极大的帮助。

2.1.2 简单高效的构件加工以及拼装施工

WikiHouse的建造理念就是可以像拼装家具一样建造房屋，所有建筑在设计过程中都贯彻“简化”的原则。在传统的房屋建造中，人工费用一般占总成本的15%～20%[3]，而WikiHouse的现场组装往往只需要短短几天。这种装配简单、工时较短的施工方式可以大大减少人工费的输出，从而节约建筑成本。

此外CNC机床目前已经较为普及，建筑构件的加工变得很方便。用户可以通过购买或租赁机床的方式在施工现场进行构件生产，其大小最多不超过原胶合板尺寸（比如2.4 m×1.2 m），因此不论是户外运输还是室内搬运都非常方便。对于大型的施工项目而言，现场加工可以节省一笔很可观的运输费用。除了现场加工，也可以将设计方案发送给当地的CNC工厂进行加工，再将构件运回施工现场。当然，随着WikiHouse的不断发展成熟，会逐渐诞生出专业的WikiHouse生产团队，从而进一步降低建造施工的难度。

2.1.3 可持续性表现

建筑所用的结构胶合板是一种价格低廉、应用广泛的建筑材料。环保级的胶合板（如PEFC认证）在建筑拆除后可进行自然降解，从而减少建筑垃圾的产生。如果采取恰当的防护措施（如隔水、防潮），WikiHouse的使用寿命甚至可以超过普通的砖结构。同时WikiHouse使用的复合板材也具有非常好的隔热、隔声与防火效果。

2.1.4 WikiHouse与其他新型建筑形式的优势比较

WikiHouse并不是唯一一种采用现场加工、装配式施工的建筑形式。混凝土3D打印[4]、SIPs板式建筑[5]、FACIT木匣建筑和MODCELL稻草建筑就是4种类似的新型建筑形式。

混凝土3D打印是将配置好的混凝土浆体按照预先设置的打印程序，由喷嘴挤出，经“分层制造，逐层叠加”，最终得到设计的混凝土构件。SIPs板则已在住房及其他建筑中得到广泛应用，具有轻质高强、节能环保、隔热的特点，不仅可以现场直接装配成高性能的房屋建筑，也可以用于维护材料。FACIT木闸建筑是将木材、数控机床运到施工现场，生产中空的木匣，内部吹填绝缘泡沫塑料，组装形成建筑构件，个性化程度高，有专门的FACIT 3D设计团队帮助用户进行细节设计。MODCELL与SIPs类似，只是其墙板由木材和稻草等植物纤维混合形成，意在打造能呼吸的、负碳排放的房屋建筑。表1对上述几种建筑形式从价格、技术成熟度、用户吸引力等10个方面进行了评分。表格中0分表示没有涉及，1分代表对应选项程度很低，10分则代表程度很高，依次对10个评分项目进行打分，并结算出最终得分（满分100分）。

比较可以看出，混凝土3D打印建筑方式的薄弱项在于其个性化设计程度。考虑到该种方式侧重于速成、低价的房屋施工，因此对设计的个性化要求并不高。对于SIPs建筑形式，高达3 000元/m2的结构成本导致其价格竞争力较低。同样的，FACIT、MODCELL虽然发展已较为成熟，个性化程度、建筑质量和可持续性评分都很高，但其高昂的建设成本拉低了二者的竞争力评分。

WikiHouse简化设计的建筑理念一定程度上局限了“自主设计”房屋高端市场领域中的竞争力，因此个性化设计程度的得分并不是最高，但其建造成本、施工效率、建筑质量和可持续性等项目的综合竞争力评分名列前茅，且其发展成熟度具有非常广阔的提升空间。

表1 WikiHouse综合竞争力评价

2.2 WikiHouse的结构特点和连接方式

2.2.1 WikiHouse的骨架结构

双层WikiHouse荷载传递路径与常见的框架结构相似，荷载从屋盖、楼盖传递到结构骨架并最终传递到地面。但与传统的框架结构不同的是，WikiHouse的骨架（图1）是由一系列一定规格的“骨架薄片”以及骨架连接构件现场组装固定而成。其拼装构件的尺寸小于单片2 440 mm×1 220 mm胶合板。房屋的骨架排列并非均匀分布，且留下合适的空间，方便后期门窗的安装。

图1 WikiHouse单个骨架

2.2.2 WikiHouse的3种连接方式

不同于大多数装配式建筑节点现浇混凝土的连接方式，WikiHouse的构件通过楔子和销钉连接，使用橡皮锤就可以将构件敲打定位，随后可用专用胶水进一步固定连接处。胶水本身并不提供结构强度，但可以防止因噪声等外界振动造成的连接件脱落。WikiHouse连接种类少，方式简单，可避免施工过程中的混淆和错误。连接方式主要分为以下3类。

1）骨架连接方式。骨架水平支撑与骨架结构的连接方式（图2）：将两端连接构件分别插入“骨架薄片”预留孔后，将销钉敲打定位并用胶水固定，避免因振动造成的松动移位。

2）墙体连接方式。由于组装端墙时没有可以用于穿插定位的“骨架薄片”，因此需要专门的端墙支撑系统，横向与纵向构件主要通过插入方式进行连接（图3）。

图2 骨架连接方式

图3 端墙连接方式

3）由于构件尺寸局限为2 440 mm，因此可以采用将2个C形连接片分别插入左右两个构件S形端部的预留槽中，再将楔子钉入胶水固定的方式进行连接加长（图4）。

3 双层WikiHouse设计案例

WikiHouse目前尚处于发展的初期阶段，设计主要局限于单层建筑，本节将提出一个双层WikiHouse的设计案例，对其骨架结构、节点连接、板材设计、现场施工方法及计算校核进行详细介绍。

3.1 建筑设计

本案例中房屋总建筑面积为86 m2，双层设计（图5）。

3.2 骨架设计

首先确定房屋骨架的排列方式。“骨架薄片”可以沿着房屋横向与纵向两种方式排列（图6）。目前较多使用的是图6中的方式2，荷载可以分布在更多薄片上，从而提供更好的结构强度和横向刚度，本设计亦采用这种排列方式，并根据建筑平面图确定骨架尺寸（图7）。

图4 端墙接长连接方式

图5 双层WikiHouse住宅建筑平面设计

图6 WikiHouse“骨架薄片”排列方式

WikiHouse的规范要求每一个“骨架薄片”都分为两层（图8）。构件的连接节点应避开结构拐角，错开排列，镜面对称并且定位孔排列完全一致。将A、B两层对应在一起，用M8低碳钢螺栓固定，即形成一个完整的“骨架薄片”。

图7 双层WikiHouse骨架薄片尺寸设计

图8 双层WikiHouse“骨架薄片”结构设计

将一系列“骨架薄片”按照建筑平面设计的尺寸进行有序排列，并通过骨架横向连接构件固定，即可形成建筑框架系统（图9）。

图9 双层WikiHouse骨架结构设计

由于旋转楼梯的存在，楼梯部位主梁会有一定挠度，导致其附近的“骨架薄片”内力相对其余薄片较差，但考虑到所有薄片都通过骨架横向连接构件进行固定，共同抵抗各方向的弯矩，因此几乎不会对整体的承载力和结构强度造成影响。

3.3 墙板、屋面板和楼面板设计

为保证房屋有良好的防水性能，在墙板、屋顶设计过程中应考虑加入密封层和呼吸薄膜。此外，利用防火石膏板和有效的填充材料以保证房屋的抗火性、隔热性以及隔声性（图10）。

对于建筑内墙，不需要特别添加密封层和呼吸薄膜，但需要使用防火石膏板保证建筑的防火安全（图11）。

图10 WikiHouse外墙板设计

图11 WikiHouse内墙设计

WikiHouse的屋面设计与外墙设计类似，但施工时要注意使密封层和呼吸薄膜形成一个完整的防潮系统，在从外墙部位到屋面部位的过渡过程中不可产生间隙。由于设计中不存在挑檐结构，因此要实现完整过渡并不难（图12）。

底层楼板应添加防潮层，并与屋面、墙壁的密封层连接形成连贯的防潮系统（图13）。

图12 WikiHouse屋面设计

图13 WikiHouse底层楼板设计

3.4 施工方法

3.4.1 施工步骤

本设计中所有建筑构件均由2.4 m×1.2 m的胶合板材数字化剪裁得到。构件上标明序号，由工厂运输到施工现场进行组装。每一个构件上都有对应的编号，因此专业技术要求较低，用具简单，用户和几个团队成员一起就可以完成。组装步骤如下：

1）将所有骨架构件堆放在空旷的施工场地，并按照序号拼接，组装出12片“骨架薄片”。

2）将横向连接构件按照组别分堆，以便依次安装“骨架薄片”及骨架横向连接件。

3）组装端墙支撑系统，平放于地面，将第1个“骨架薄片”固定在端墙部位。

4）将第1组骨架水平连接件拼接到第1个“骨架薄片”上，并用楔子、销钉连接固定。此时该部分骨架结构可以起吊直立。

5）起吊第2个“骨架薄片”并固定于第4步中的骨架连接件上。此时可组装第2组骨架连接件，以此类推，最终将另一端的端墙支撑系统安装固定。

6）骨架搭建好后，先安装楼板以提供后续的工作平台。

7）安装呼吸薄膜、防潮层和外部板材，确保整个建筑的防水性。8）安装建筑设备、内部板材、天花板等。9）内外装修。

3.4.2 施工设备

为起吊结构骨架，需要使用1台小型起重机。由于每部分骨架结构可以先在平地上组装好后再起吊安装，因此减少了起重机的使用量。此外，安装板材和装修需使用脚手架。

4 结语

与传统的现浇施工及常见的预制装配式建筑相比，WikiHouse具有明显的价格优势。其施工简单高效，目前已经在一些灾后重建项目中取得了不错的进展。然而现阶段的设计大多局限于单层建筑，一方面对土地的利用效率不充分，另一方面也无法满足用户日益增强的个性化需求。

本文针对上述问题提出了一种双层WikiHouse的设计方案，并对结构安全性进行了计算分析。WikiHouse尚处于发展的初始阶段，一个符合建筑法规、结构优良、适宜居住、设计和使用文件齐全、有规范的性能标准、符合WikiHouse许可的成熟的建筑设计系统尚未完成。因此后续仍有大量与设计师、工程师、政府部门、制造商的沟通工作需接洽，还需不断完善WikiHouse的可持续性、安全性、供应链及规范标准。