装配式模块建筑的研究与实践

文/中国建筑设计研究院有限公司 天津大学建筑工程学院 娄 霓

中国建筑设计研究院有限公司 任祖华 庄 彤 朱宏利 陈谋蒙

1 装配式建筑发展

1.1 装配式建筑概述

装配式建筑是通过标准化设计，将工厂预制的部品、部件通过技术集成的方法在工地装配而成，体现了建筑的工业化建造方式。装配式建筑包括结构体系、外围护体系、内装体系三大组成部分。装配式建筑的结构体系主要由预制部品、部件装配而成，外围护和内隔墙体采用非砌筑方式，并可实现全装修。

1）装配式建筑结构体系可分为装配式混凝土剪力墙结构、装配式混凝土框架结构、装配式钢框架结构、装配式模块钢结构（俗称“盒子建筑”）、装配式轻钢结构、装配式木结构及各类装配式混合结构等。其中装配式混凝土剪力墙结构适用于小高层和高层住宅；装配式混凝土框架结构适用于办公楼、工业厂房等建筑；装配式钢框架结构适用于大开间公共建筑及结构规整的公寓类建筑；装配式模块钢结构适用于酒店、公寓、住宅、办公楼类建筑（见图1）；轻钢结构适用于低多层住宅等；装配式木结构适用于低层公共建筑和独栋别墅类建筑。

2）装配式建筑外围护体系可分为装饰保温一体化预制混凝土挂板、装饰保温一体化复合外墙挂板、各类幕墙、组合钢（木）骨架类等。目前装配式剪力墙结构住宅多采用外围护与结构一体化的三明治外墙体系，框架类结构建筑可采用各类幕墙及各种轻质挂板作为外围护系统（见图2）。

3）装配式建筑的内装体系可分为隔墙系统、天花系统、地坪系统、厨卫系统、集成部品、装饰材料、设备管线等七大系统。具体到装配式内装体系一般涉及装配式隔墙、架空地面、集成吊顶、集成卫生间、集成厨房、集成门窗等产品，以及干式防水技术、干式地暖技术、不降板同层排水技术等。目前在需要全装修交房及由政府投资建设的公共租赁用房中多采用装配式内装，选用骨架类隔墙或条板类隔墙、架空采暖地面、集成吊顶、集成厨卫+干式防水等技术（见图3）。

1.2 装配式建筑的优点

1）一体化集成设计，满足现代化功能需要。装配式建筑强调设计一体化与建造一体化。即通过设计先行，统筹考虑项目从策划、生产、运输、施工、运维等各环节需求，协调建筑结构、机电设备、内装部品、成本控制等各专业技术要求，通过部品构件与系统之间的集成设计，达到空间灵活、功能齐备、使用舒适、易于维护的工业化建筑产品要求。

2）标准化工厂生产，减少现场人工，安全得到保证。装配式建筑的部品构件大部分在工厂制作完成，通过工厂技术工人与智能机械相结合，采用标准化管理和生产流程，可有效确保产品各项性能与品质。同时施工现场对劳动力的需求大大降低，也降低了现场施工作业难度，在提高生产效率的同时，确保了安全。

3）装配化现场建造，缩短施工周期，提升施工质量。相较于传统现浇模式，装配式建筑的部品构件在工厂生产，减少现场施工环节及浇筑和养护时间。可通过对各种安装工艺与工序的施工组织管理，实现现场施工与构件生产的同步实施，大大缩短施工工期，提高建设效率和施工质量。

4）降低环境污染，节能环保，绿色可持续。装配式建筑注重对环境、资源的保护，其施工过程中有效减少了建筑污水、有害气体、粉尘排放和建筑噪声污染，降低建筑施工对周边环境的各种影响，有利于促进设计、建筑精细化，提升建筑整体质量和节能减排。同时装配式建筑选用绿色环保材料，采用可维护、可拆卸的工艺安装，确保材料循环利用，实现建筑可持续，促进我国建筑业健康可持续发展。

2 模块建筑

2.1 定义

模块建筑是指采用工厂预制的集成模块在施工现场组合而成的装配式建筑。其中集成模块是指具有建筑使用功能的三维空间集成建筑单元。该建筑单元在工厂预制完成，由主体结构、楼板、吊顶、设备管线、内装部品组合而成具有集成功能的三维空间体，并满足各项建筑性能要求和吊装运输性能要求（见图4～6）。

由于模块建筑建造技术的运用，每个模块从起吊到安装仅需8～10个技术人员，且每个模块均由同一批技术人员安装完成，建筑施工现场所需工人数量较传统施工大幅减少，施工建造质量更稳定可靠。模块建筑可实现80%～90%的建筑建造和部品安装工序在工厂完成，在建筑整体质量和工业化程度方面实现质的飞跃，是一种资源消耗少、环境影响小的建筑体系。

图1 装配式模块钢结构建筑项目

图2 装配式外围护体系项目

图3 装配式内装体系项目

图4 集成模块工厂化制作

图5 集成模块室内完成效果

2.2 分类

1）按层数分类，可分为低层、多层和高层。因不同层数对应的模块建筑制作精度、建筑防火、结构抗震等均有不同的标准，由此带来的设计条件和体系构造也有所不同。

2）按建筑性质分类，可分为临时建筑和永久建筑。

3）按模块单元箱体构造分类，可分为钢密柱体系、钢框架体系、集装箱体系、钢-木体系、混凝土体系等。

4）按模块建筑结构体系分类，可分为叠箱体系、箱-框体系、箱-筒（剪力墙）体系、框架-填箱体系等。如全部采用模块搭接而成的建筑，称之为叠箱体系；由箱体与传统框架结构、剪力墙、筒体等组合而成的体系称之为箱-框体系、箱-筒体系等；将箱体嵌入框架中的可称之为框架-填箱体系。

2.3 特点

1）建筑空间模块化 建筑设计中，可将建筑物按照模块特点进行空间模块化拆分，类似于预制混凝土结构的预制构件拆分。但模块建筑的模块化拆分需考虑的问题更多，或者说需要进行建筑一体化和集成化设计的需求更高。在进行空间模块化拆分时，不仅要考虑建筑功能，还要考虑设备系统设置、运输条件限值、现场吊装场地限制、吊装顺序、吊装装置、防水抗渗措施等多种因素。空间模块化是设计中非常重要的环节，对后期建造速度、成本节约均有较大影响。

2）生产工艺标准化 模块建筑的大部分构件和部品为生产线上生产，所以工艺标准化对成本和效率均有较大影响。同时，大部分主体结构加工、装修和部品安装等均在流水线上采用工业制造技术生产，建筑质量均好性能得到充分保证。

3）建筑施工装配化 模块建筑的优势在于速度，因此现场的装配化施工非常重要，其中核心是连接。模块建筑连接涉及2方面：①模块与现场工程之间的连接 因为一般情况模块建筑的地下室和交通核是在现场完成，所以模块如何与现场的结构体系进行连接，以及现场精度如何满足模块安装精度，需要整体考虑和解决。②模块与模块之间的连接 这个连接的受力性能对结构体系的抗震性能有较大影响，同时其便捷性与精度要求又对建筑体系的建造速度和建造质量有较大影响，另外连接构造还需考虑后期维修检查的便捷性及可更换、拆除的问题。

2.4 优势

模块建筑的优势包括质量优、速度快、绿色环保。因为该建筑体系的大部分工序是在工厂完成，因此质量有保证。同时在工厂中可把许多在现场施工难度很大的工作转变成简单的工作流程，如现场的仰焊可变成工厂的机器人焊接，现场吊顶设备安装可变成工厂的平面作业等，既方便施工，又可提高质量。在速度方面，因为模块部分可在工厂与现场施工同步开展制造，将传统的现场交叉作业转变为同步、独立进行，一般情况下模块吊装可实现1～2d/层。在绿色环保方面的优势，不仅体现在材料的节约和现场的干净整洁上，模块建筑还可实现模块单元的可拆除、异地重建、重复再利用等。

3 模块建筑的国内典型案例——雄安市民服务中心企业临时办公区

雄安市民服务中心企业临时办公区总建筑面积36023m2，提供企业办公用房、酒店、公共服务等设施。项目由6栋办公楼、1栋酒店和若干商业、服务设施组成，设计过程中遵循本土化绿色设计理念。在空间布局方面，汲取中国传统文化的营城造园思想精髓，结合公共活动区域，创造丰富的院落空间和宜人的绿荫空间；在景观设计方面，设计结合白洋淀地域环境特色，形成微地形建筑景观，收集雨水，局部形成自然的生态湿地，践行海绵城市理念。丰富的院落空间布局、雨水花园生态湿地、垂直绿化爬藤种植等设计均体现绿色生态的建筑设计理念（见图7）。

3.1 创新的集成模块建筑技术

为满足快速建造要求，响应推广装配式建筑的国家政策，企业临时办公区采用中国建筑设计研究院有限公司与中集模块化建筑投资公司合作研发的全装配化、集成化的箱式模块建造技术，装配率达95%。结构、内装、外装、设备管线等全部在工厂生产，整体运输至施工现场统一吊装，最大限度减少建造垃圾，实现绿色施工（见图8，9）。

图7 雄安市民服务中心企业临时办公区实景

图8 模块单元运输

图9 模块建筑现场吊装施工

3.2 可生长的模块化设计理念

办公楼与酒店设计以4.0m×12.0m×3.6m的箱式模块作为基本单位，拼接成1000～1200m2的“十字”单元组合。“十字”单元组合建筑向四周开放，有良好的采光与自然通风，并最大化融于自然环境。单元布局组合灵活，可生长性强，适于根据发展需求变化（见图10）。

3.3 可拆除再利用的绿色建设理念

企业临时办公区采用标准化的具有建筑使用功能的模块化空间单元组合。外围护幕墙体系、内装修和设备管线均可实现工厂化生产，随着模块单元运至现场，进行简单的装配式连接即可投入使用（见图11）。模块单元间的拼接在现场通过螺栓在节点处进行装配式连接。由于高集成度和高装配化的技术手段，为项目在后期使用中进行快速拆除，甚至是异地快速重建提供了可实现性和可操作性，真正体现了全生命期的绿色建设理念。

3.4 工厂化全装修实现高品质办公环境

得益于全装配化、集成化的建造技术，箱式模块实现了工厂化生产，内部装修与设备管线安装均同步到位。运至施工现场后，只需经过简单安装即可完成。模块单元适合运输，便于灵活组合，避免了湿作业，减少施工的季节限制。区别于传统建筑的现场装修技术，工厂化全装修既可避免冬季施工带来的质量与保养问题，又可通过工业化的流水线生产方式提高房屋的装修与设备安装质量，为项目的使用提供高品质的办公与生活环境（见图12）。

图10 雄安市民服务中心办公楼与酒店设计

图11 现场吊装与箱体堆叠

图12 内装实景

4 实践思考

模块建筑体系是一种集成度高、建设速度快的工业化建筑体系，在很多海内外工程建设中，可充分利用装配式模块建筑的优势，满足工程在建设速度、人力节约、高品质保障、快速拆建等方面的特殊需求，尤其在公寓、酒店、宿舍、办公楼、政策性住房、营地建筑、海外援建等方面具有非常明显的优势。模块建筑本身功能空间为单元式，建造标准相对固定，非常容易实现通用化和标准化设计，采用标准化程度较高的集成模块建筑，既可保证建筑品质的优良化，又可提高建设速度、降低成本。同时模块建筑可与EPC总承包组织管理模式相结合，为装配式建造方式提供保障，避免常规建设模式存在的问题。