轻型钢结构装配式学校的设计实践——深圳梅丽小学腾挪校园

廉大鹏 赵百星 侯学凡 吴长华

深圳市建筑设计研究总院有限公司

近几年来，各级政府陆续出台政策大力支持装配式建筑的发展，极大推进了装配式建筑体系的技术升级和产业链发展。但是，已在国外大量应用的轻型钢结构装配式建筑体系却很少以公共建筑的形式在国内城市环境中出现。

梅丽小学腾挪校园项目是国内首次在一线城市中心城区以轻型钢结构装配式建筑体系建造的公共建筑。建筑满足小学校园对功能、安全、健康及舒适性等高品质的使用要求，并顺利通过政府相关技术审批，以相对低的成本快速建造，是轻型钢结构装配式学校建筑的一次创新实践。

1 腾挪校园

随着深圳的发展，中小学适龄人口激增，现有校园建筑严重不足。2018年，仅福田区的中小学学位缺口就达到8 700个，急需建设新的校舍以满足需求。而深圳市紧张的土地资源使政府不得不在原校址上拆改扩建，造成“一边教学，一边施工”的局面，有些已经严重干扰教学秩序，甚至存在安全隐患。

为破解这一难题，福田区政府创造性提出了“异地腾挪”的模式，即在待扩建学校附近寻找城市零星闲置用地，通过租赁或行政调控获得2～4年的土地临时使用权，以装配式建筑体系快速建设过渡性校舍，全体师生在老校园改扩建期间全部迁至过渡校园；待老校园扩建完成后，拆除过渡性校舍返还土地使用权。这种“以空间换时间”的方式盘活了城市现有资源，巧妙且有效化解城市发展的燃眉之急，也催生出对装配式“腾挪校园”的需求。

但要在短时间（5个月工期）内以装配式模式建造一所可满足正常使用的校园谈何容易，其中包含了诸多设计挑战：1）如何才能低成本又快速地在5个月施工工期内建造完成；2）临时性建筑能否满足作为学校这种公共建筑的高品质要求，腾挪期间孩子们的安全、健康、舒适性能否得到保障；3）过渡期后临时校舍如何处置，如何避免资源浪费和土地污染。总而言之，低成本快速建造、确保安全健康、舒适性好、避免资源浪费，这几点是“腾挪校园”建筑设计必须回答的问题。

在装配式建筑的体系框架下，从首批试点已建成的三所“腾挪校园”来看，建筑师均采用钢结构建筑体系来实现快速建造，但在体系上又有明显差异。例如，新沙小学是焊接结构钢框架与桁架钢筋混凝土楼板组合的重钢体系，石厦小学是薄壁轻钢龙骨密肋与现浇细石混凝土楼板结合的轻型钢体系，而梅丽小学则采用具有一定创新性的轻型钢框架剪力框格与预制钢楼板组合的轻型钢结构体系。

梅丽小学腾挪校园采用的轻型钢结构装配式建筑体系，由深圳市建筑设计研究总院有限公司与香港中文大学朱竞翔教授团队、香港元远建筑科技发展有限公司联合设计、共同研发，并聘请奥雅纳（ARUP）结构咨询公司计算复核。香港中文大学朱竞翔教授长期致力于创新型轻量建筑系统的研究与实践，曾在汶川、玉树灾后重建中快速完成了装配式小学校舍，并在肯尼亚、菲律宾等有多个轻型钢结构装配式建筑的成功实践。

业主：深圳市天健（集团）股份有限公司

建设地点：深圳市福田区梅康路

建筑设计：深圳市建筑设计研究总院有限公司

联合设计：香港元远建筑科技发展有限公司、香港中文大学朱竞翔教授团队

项目负责人：廉大鹏

设计团队：朱竞翔、刘鑫程、何英杰、韩国日（方案）；廉大鹏、吴长华、赵百星、王鹏林（建筑）；张建军、侯学凡、周慕来、郭丁铭（结构）；黄跃、黄海斌（电气）；李扬、吕均鹏（给排水）；刘贺兵、孙杨（暖通）；林海、田硕（结构复核）

总建筑面积：5 275m2

设计时间：2018.04

建成时间：2018.11

2 总平面图

3 西侧鸟瞰

梅丽小学腾挪校舍建成后的相关数据统计分析显示：每平方米综合造价5 200元，主体建筑建造时间为90天，结构安全性经受了强台风“山竹”的考验；室内甲醛指标等空气质量经多方检测均安全达标；采用全螺栓连接装配式，90%构件可拆卸并实现重复利用；建筑自重220kg/m2，基础处理简单，避免了对临时用地的破坏；施工简单、快速、安静，对城市周边无环境污染；圆满回应了“腾挪校园”模式的各项要求。

2 设计简介

梅丽小学腾挪用地位于深圳市福田区梅林片区，东侧为中铁六局地铁10号线项目部临时棚屋，南侧为驾校训练场地，西侧为梅康路，北侧为林丰路。人行主要出入口位于梅康路，建筑总用地面积7 473.98m2，总建筑面积5 275.03m2，共2层，设有31个班，建筑高度为9.74m。

在总体规划布局上，项目采用标准单元模块化布局，建筑沿东西向贴建筑红线布置，共设置5栋单体建筑，单体之间通过连廊连接，形成两个围合的庭院空间。在围合的主庭院布置环形跑道和运动场，次庭院布置绿化，直跑道则布置在建筑间的走道上，充分利用场地的零星空间进行合理排布。

4 一层平面图

5 二层平面图

6 典型剖面图

7 剖面构造图

8 南侧立面图

9 内庭院

10 航拍顶视

11 疏散楼梯及内院

12 走廊

在建筑设计上，结合气候与钢结构的特点设计适宜的平面与剖面，合理组织功能。深圳地处南海之滨，属于夏热冬暖地区，夏季炎热、雨水多，设计重点考虑了通风、遮阳、隔热及排水。通风方面，平面采用“回”字形布局，南北向布置教室及主要教学用房，东西向布置办公及辅助用房，让主要房间享有夏季的穿堂风；结合剖面上底部架空和屋顶隔热层设计，加强空气对流，带走热量，为教室带来清凉。遮阳方面，教室两侧的宽大走廊可显著提高房间外窗的遮阳效果，降低太阳辐射，同时避免太阳直射对建筑外墙的影响。

在材料选择上，钢结构材料的蓄热系数远远低于混凝土材料，为避免钢结构的热桥问题，外墙体采用预制复合隔墙板，传热系数K=0.78；屋顶则采用架空隔层，面板采用铝板，屋顶的传热系数K=0.54，满足了隔热的要求。

合理组织雨水排水，以适应深圳夏季多样的天气变化，维持正常使用。两层连廊联系着各栋单体建筑及功能用房，师生可风雨无阻并快速便捷地到达所有教室、办公、卫生间、辅助用房。同时，宽敞的连廊还可以作为孩子们雨天室外活动的临时场地。

庭院四周建筑统一为单坡屋顶形式，屋面雨水可向外自然排放，且不进入庭院；同时内院周边地面和外走廊设有排水沟，保障瞬时强降雨等极端天气下，庭院不积水或雨水倒灌。底层架空部分保留原生土壤，利用土壤的渗透性及蓄水性形成重要的“海绵体”。

梅丽小学腾挪校园虽为临时周转用房，但为了确保建筑品质，均采用永久性建筑标准进行设计，各项指标都能够满足国家学校建筑设计规范要求，保证师生良好的使用体验（表1）。

表1 梅丽小学设计指标表

13 节点大样图

14 连廊与单体建筑之间的内院

15 主庭院夜景

16 标准教室内景

17 室内完成面

18 消防设计图

3 安全保障

作为轻型钢结构建筑体系的学校建筑，消防安全、结构安全、环境安全是设计考虑的重点。

3.1 消防安全

消防安全设计主要体现在空间设计、消防设施、材料选择等几方面。首先，庭院式建筑布局简单明了，便于学生建立方位感和空间辨识度；建筑立面通透、走廊宽敞，二楼设5部疏散楼梯直通地面，便于快速疏散。其次，在外围市政道路两面环通、一面可达的前提下，结合操场布置，抬高二层各栋之间的连廊高度，使消防车在紧急情况下可以进入内院。另外，由于建筑与东侧临时建筑较近，为避免消防隐患，东侧山墙采用防火墙处理。

消火栓、高位消防水箱、室外消防水池等必要的消防设施严格按消防规范设置。与常规不同，设计没有刻意隐藏这些消防设施，而是从美学角度使之与建筑的形式、色彩协调起来，进行一体化设计，有些甚至成为校园空间的点睛之笔，强化了消防设施的标识性。例如，走廊上红色的消火栓很好地丰富、提亮了校园空间的活力；学校入口处高耸的成品水箱，结合精心设计的轻钢支撑构件，反倒形成了校园和城市共享的一个景观性构筑物。

钢结构材料防火处理也十分谨慎，所有外露的钢结构均采用薄型钢结构防火涂膜处理，满足相应的防火极限要求（表1），确保安全。同时，建筑的外墙、楼板、屋顶均采用不燃的复合材料，室内集成化设计，无多余装饰，最大化消除火灾隐患。

3.2 结构安全

作为少有的轻型钢结构建筑体系实践，大众对这种结构形式的认知度低，在建设过程中很多家长和老师看到结构构件竟然普遍是6mm厚80mm×80mm矩形钢管时，都担心建筑的安全性。

梅丽小学腾挪校园建筑采用一种创新的梁柱框架与剪力框格混合受力的结构系统，以密集小构件立体交织构成更高效、更清晰的受力模式，提高建筑结构强度，在保障建筑安全的同时大大降低建筑自身重量（楼板承载力600kg/m2），结构自重仅为普通混凝土结构的1/5。

以一段教室单元结构模型为例，教室两侧及外廊密柱柱距采用2.4m×2.4m，教室四角以纵横垂直剪力框格围成6.6m×9.6m大空间，成品楼板下设置交叉斜拉索以提高平面内刚度，剪力框格与交叉拉索共同作用并承担水平荷载，其他竖向构件与剪力框铰接，均为二力杆，仅承担竖向力。这样垂直力流与水平力流分离，各结构构件分工明确、各司其职。同时超静定结构的剪力框格加铰接二力杆的受力模式也达到了极简和极致的状态。采用最简单的力学原理，是对建筑结构安全性最稳妥的保证。

该结构体系具有较强的创新性，为确保万无一失，建造之前又做了两项保全措施：聘请国际著名结构设计顾问公司ARUP进行复核验算，经详细的受力分析检验确认能满足设计要求；按照设计的矩形钢管材料与节点构造做法，在工厂搭建1:1实体模型进行配重试验，实验结果证明结构安全可靠。

除了结构坚固性之外，考虑到这种钢结构自身重量轻，而深圳处于常有台风的沿海地区，抗风设计尤为重要。设计在风吸力计算时，针对性增加风荷载至标准值的1.5倍验算，在传力路径内，构件连接按2.0倍风荷载复核，并利用基础配重方式抵抗风吸力。

校园在主体完工后的2018年9月，正遇上16级台风“山竹”的正面侵袭，“山竹”来势凶猛给深圳带来了巨大的破环，梅丽小学腾挪校园基地内部多棵大榕树被吹倒，但新建的校舍没有受到任何损害，通过了真实的严格考验。事实验证了这种轻型钢结构体系的安全性和可靠性，学生家长和老师也最终理解并认可了这种新颖的建筑结构形式。

3.3 环境安全

作为建成后立即投入使用的校园建筑，家长和老师非常担心装修污染及室内空气质量问题。设计采用集成设计的思维，结合装配式预制化的特点，一体化解决结构与内外饰面，杜绝现场涂刷等施工工艺，材料成品提前采购。例如，隔板墙采用整合了装修、保温、隔音、防火、防水等功能的预制复合板构件，一次性安装到位，避免室内外二次装修污染问题；同时，在经费十分紧张的前提下，对容易因劣质而危害健康的材料品类，如玻璃胶、操场地板漆等，以高成本购买健康型产品。在建设过程及投入使用后，经多方空气质量检测，各个区域的采样数据均符合《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）的标准限值。

考虑到小学生课间活动量较大，为了避免教室间教学的相互影响，楼板采用“隔音垫+防弹垫”的双重处理办法，计权标准化撞击声压级小于65dB，均满足国家的标准要求。并在此基础上进行结构楼板舒适度分析，科学评估在走廊教室连续踏步、室内跳跃及相邻空间内进行低强度的音乐活动时，对正常教学的影响幅度。

4 快速建造

梅丽小学腾挪校园在短时间内临时征用闲置用地，整体腾挪安排要求四个月内主体完工，因而建设周期需压缩到极限。为保证迅速建造，设计需在模块化、标准化及适应快速施工的结构体系创新、信息化管控等方面进行努力。

4.1 模块化与标准化

模块化使所有构件遵循相同的模数关系，减少差异与特殊带来的建造难度，适当缩短工期。建筑平面上，采用2 400mm×11 400mm的纵向三跨结构为基本单元，把四个基本单元横向拼合、结合角部垂直向剪力框架，可以形成9 600mm×11 400mm的通用模块化单元空间。整个校园建筑平面布局都是利用这一模块化单元空间简单复制、组合而成。

建筑由标准模块化单元空间组合而成，可以根据使用要求灵活分隔空间。利用插入不同位置的轻质隔板墙和家具布置，模块化单元空间可以是教室、办公空间及卫生间等各种使用空间。轻质隔板墙体也采用模块化设计，整合了装修面层、保温隔声、防水、防火层和结构层的预制大型复合板式构件，均以标准构件形式在现场直接进行拼装组合。

作为全装配式的建设项目，我们对构件的标准化进行严格控制，最大化减少构件的种类和数量，让整个项目变得简单清晰，以减小复杂程度（表2）。建筑主体共有1 627根柱，但只使用了5种构件类型，即5种断面尺寸的矩形钢管。较少种类的标准化构件更利于钢结构工厂的切割制作，确保少出差错，也降低了现场安装工人的辨别难度，提高了施工效率。

4.2 “层摞层”的全栓接建造

在建造方式上，借鉴传统木构，“层摞层”的建造方式，即每层楼面先铺设完成，形成施工平台，再搭建本层的柱、梁、墙板、屋盖（即上层楼面），如此反复层层向上搭建。这种方式适宜轻型构件，无需大型机械和脚手架等辅助设施，并且基本不受天气影响，建设期间非常安静，可以夜间施工，大大缩短了建设周期。

这种“层摞层”的建造方式，使结构构件的设计成为了关键。梅丽学校选择80mm×80mm的轻型方钢柱，梁截面为80mm×160mm，构件轻巧，最大杆件仅重132kg。所有构件进行精细化设计，复杂且体型较大的构件在工厂均分解成若干个可以拼装的小而轻的构件。构件分解后重量大大减轻，工地几乎不需要大型吊装机械设备，甚至很多构件通过人工就可以搬运操作。不同于常规钢结构建筑节点的焊接方式，所有结构构件均采用栓接的方式连接，施工工人只需把构件起吊就位，锁紧螺栓即可。现场近似“搭积木”的全装配式施工方式，无湿作业、无浇筑、切割、焊接等，极为方便。

表2 标准化构件统计

19 结构系统三维图

20 结构立面简图

21 结构平面简图

22 模块化示意图

23 外墙栓接节点

24 教室结构框架

25 “层摞层“现场安装

26 施工过程

“搭积木”的全栓接方式，对结构节点受力分析及构造设计提出了更高的要求。以外立面梁柱栓接的主要节点为例，沿建筑纵向布置的两道梁连续穿过节点，横向梁在两道纵向梁之间，纵向梁增加同等规格加劲板，纵向梁与横向梁通过L形连接件用螺栓相连接，形成稳定的平面框架，节点区柱上下并不贯通，通过L形连接件用螺栓与横向梁相连接。节点可拆卸成各种零星小构件，组装方便，实现了“搭积木”式施工。

4.3 BIM信息化全程控制

项目能够顺利快速的推进，离不开Archicad这一BIM信息化工具进行全程管控。在设计中我们综合考虑与制造、建造的关系，集成了关键加工和施工技术，保证了项目能在建设周期短、工程预算紧的情况下顺利完成。设计全过程采用BIM正向设计，以建筑信息模型统筹管理整体设计进度，保证信息在多专业、多工种内精确传递。集成了所有构件材料几何或非几何信息的三维模型，也帮助设计团队从成本控制角度实时调整各种构造做法。

三维空间构件的精细化模型及数量规格等加工信息可直接交付工厂，转化为制造工艺图，可无缝对接全数字化自动加工设备，避免过程设计信息的丢失。设计有序拆解构件，并编订编码信息，制造完成后的构件按照编码进行编排，方便运输管理及现场施工时按顺序取用拼装。同时，利用三维模型研究最安全、快速、省力的安装顺序，形成动态可视化培训资料，有效指导工人快速拼装。

5 结语

“腾挪校园”模式诞生之初，就伴随着资源浪费的质疑。建设一所满足使用品质要求的小学校园会耗费巨大的财力、物力，如果只满足2～4年的一次性使用就被拆除成为建筑垃圾，不符合可持续理念，也无法从根源上解决深圳学位激增、学校紧缺的现实问题，“治标而不治本”。

设计过程中，始终强调以轻量建筑理念来思考、解决问题。轻量本质上即是以更低的成本与代价去实现更好的建筑功能价值，改变建筑业对资源的粗暴消耗，延长人对资源的使用，与自然还原的速度相平衡，才能真正实现可持续性。

结合轻量思想，本项目设计中坚持采用100%全装配式、100%栓接连接构件、一体化复合板材拼装等几个关键技术点，目的就是在梅丽小学腾挪需求结束后，建筑可被以“逆建造”的方式拆解还原成基本构件单元。在对部分易损部件更换后，可以异地重新组装建设，满足另一扩建学校的腾挪校园需求，继续发挥其作用，延续建筑寿命，从而实现循环使用。

回到作为轻型钢结构装配式建筑体系在城市校园建筑上的探索这一主题，通过实践，我们认为轻钢结构建筑体系是可以满足高品质的公共建筑使用需求的，并可以改变人们对其临时性、低端化的传统认知。随着中国城市的不断发展，城市以更快的节奏变化，建筑很可能变得“短命”而不再“永恒”，大量普通的功能性建筑顺应需求速生速灭，或者是具有“生命力”而能够动态完善与发展。轻型钢结构建筑体系也许会凭借其轻便灵活性、快速搭建、可循环利用、节能环保等鲜明特色，在建筑工业化的大潮推动下，更多出现在我们的城市中，让建筑师、结构工程师以及业内同仁一起努力。

图片来源

图1，3，10，24～26由何英杰拍摄；图9，11，12，14～17由刘鑫程拍摄；图8由朱竞翔拍摄；图23由廉大鹏拍摄；其余图片均为作者自绘。