百年住宅的模块化设计

朱小军 施涛涛

关键词：百年住宅;住宅产业化;模块化设计;SI 体系

1 相关概念解析

1.1 百年住宅概述

百年住宅是一種符合现代工业化生产的高品质住宅，主要具有两方面含义：优秀的品质保障满足100 年的居住使用，同时还能适应不断增长及变化的居住需求。1980 年日本建设省开始实施“住宅功能高度化推广项目”，建立了百年住宅CHS（CenturyHousing System，以下简称CHS）建设体系。CHS 内涵有两方面：一是耐久性，建筑结构具有100 年的寿命;二是功能性，可以容纳100 年内几代家庭的生活。因为它的高耐久特性，不仅是社会的稳定资产，更能实现舒适安稳的住居生活[1]。随着中国经济的飞速发展，对于高品质住宅设计的需求逐渐增加，经过不断的探索与创新形成了符合我国特色的中国百年住宅CLS（ChinaLonglife-Housing System，以下简称CLS）建设体系[2]。本世纪以来，我国百年住宅的发展以下三个阶段：（2006 年至2010 年）创建与探索期、（2011 年至2015 年）研发与实践期、（2016 年至2020 年）多样化发展时期。

1.2 模块化设计概述

模块化设计是以标准化理论为基础，将产品本身转化为若干部品的组合物，追求使用尽可能少的部品形成尽可能多的组合物的设计技术[3]。模块化设计可以控制设计、生产、运营成本，从而使建筑行业快速发展，使行业产能大大提升。

1.2.1 模块化设计的原理与步骤

模块化通过系统分解，形成不同层级的标准模块，通过标准模块的选择性组合，实现多样化的组合输出。模块化的本质，就是将系统分解为相对独立的标准模块，通过统一的设计规则，规范各模块通用的边界条件，使各模块在独立演进的同时能够通过统一的边界条件，按照系统规则的要求组成新的系统的过程[4]。面向住宅的模块化设计步骤为：分解、分级、规划、选择、组合（图1）

1.2.2 模块化设计的“三化”要求

模块化设计是通用化、组合化、系列化等标准化形式综合的设计方式，使系统在符合标准化条件的同时，具有很强的应变能力。模块化设计下的住宅将空间模块化，使得空间功能进行叠加，不再像传统居住空间那样功能分区单一化，而是伴随着居住者居住时长的叠加，使得居住环境也可以随之变化[5]。因此，模块化设计下的住宅可以满足一个人出生到老年全生命周期中对于住宅空间的生活需求与使用习惯。

2 中日百年住宅的模块化设计现状

2.1 中国百年住宅的模块化设计现状

党的十九大报告指出：“我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。”与此同时，对于住宅的需求已经实现从“量”到“质”的追求的根本性转变，中国急需建立起自己的高品质住宅体系，加之日本先导性的百年住宅研究经验，中国发展高品质的住宅十分迅速[6]。

中国百年住宅CSL 体系是以SI（Skeleton- 支撑体，Infill- 填充体，以下简称SI）住宅体系为基础，通过住宅支撑体与内装体分离，以支撑体耐久性技术、填充体适应性技术、分离性集成技术等关键技术为手段，通过集成化、模块化的部品运用，提出综合性整体解决方案，全面实现建设产业化、建筑长寿化、品质优良化和绿色低碳化四大目标，涵盖了经济、社会、环境、文化等多个方面。

中国百年住宅的模块化设计与内装体系的提升息息相关[7]。建国以来，我国的住宅产业化首要任务是解决住房短缺问题，并随着经济社会的发展而发展，经历了漫长而曲折的发展道路;在此过程中，我国住宅装修也逐步升级换代，居民的居住条件逐渐得到改善。在住宅产业化的影响下，我国住宅装修发展经历了PC 大板的启蒙、内装产业化的萌芽、民企精装修时代、内装产业化体系的形成和发展的四个时期[8]。

此外，中国百年住宅模块化设计中的部品体系发展是从上世纪90 年代才开始，部品发展滞后，种类少，质量不高，远不能满足住宅建设的要求。近年来，中国百年住宅在发展部品体系上取得了初期进展，但相较于发达国家，中国住宅的部品系统仍有许多不足之处，因而，中国百年住宅CSL 体系更应在模块化设计方面进行深入地研究与探索[9]。

2.2 日本百年住宅的模块化设计现状

日本的建筑工业化发展道路较为独特，得益于日本在内装部品方面成熟的产品体系，日本的内装工业化发展迅速，形成了主体结构工业化与内装部品工业化相互协调发展的完善体系（ 图2） [10]。

日本发展百年住宅是逐步递进的，从KEP （Kodan ExperimentalHousing Project， 以下简称KEP） 开放性体系到KSI（KikouSkeleton Infill，以下简称KSI）适应性体系，日本逐步做到完善提升建筑质量、满足多样化需求、构建开放式体系等内容，最后形成了完整而系统的日本百年住宅CHS 体系，并且经由CHS 百年住宅体系逐步凝练了日本建筑的“百年住宅”理念。日本百年住宅体系CHS 的终极目标是为日本居住者提供更加舒适的居住生活环境。CHS 是包括生产供应、建造施工、维护管理等全过程的综合性住宅建设体系，通过确保住宅在功能与物理层面上的耐久性实现长寿化住宅建设的目标。同时，日本百年住宅CHS 体系目的有两方面，一方面，是住宅在功能上的灵活性与适应性，满足成长中家庭需求变化发展的条件;另一方面，是针对住宅主体耐久性的要求，使其能够在百年内持续使用。日本地处环太平洋地震多发地带，对于主体结构的要求较于其他国家要高很多，因此耐久性高的住宅主体结构是日本住民资产的构成基础。

另外，日本的住宅产业化的发展是从部品生产和流通开始的。1959 年，日本制定了KJ（Kokyo Jutaku，以下简称KJ）规格部品认证制度[11] ;1974 年，日本建设省成立了住宅部品开发中心，制定了BL（Better Living，以下简称BL）优良住宅部品认证制度，并开发BL 部品[13]。日本将先进的住宅部品作为工业化应用技术的载体，从而彻底改变住宅面貌，提高住宅质量。

3 百年住宅的模块化设计思路

3.1 实现住宅长寿化

实现住宅长寿化，需要通过应用SI 体系的技术、提高结构设计质量、应用管线外置技术等措施，提升住宅的耐久性和安全性，同时应注意后期维护时减少对主体结构的破坏。

3.1.1 构建中国特色的CSI 体系

SI 体系是一个开放的建筑理念，在20 世纪60 年代由荷兰学者N. JHON Habraken 提出[13]。SI 包括Skeleton（承载结构骨架）和Infill（内部空间填充体），二者共同构成一种可变的和不可变的关系，将之分离考虑部品的模块化设计，对于住宅弹性使用来说极具拓展性。目前，我国SI 住宅结构体系分为大开间多功能建筑体系、预应力板柱体系和钢筋砼巨型结构体系，进一步提出了符合中国国情的CSI 体系（China Skeleton&Infill System，以下简称CSI）。CSI 体系贴合中国国情和住宅建设发展现状，也是一种具有中国特色的“普适型”SI 体系。当前我国住宅建设大多采用传统施工方式，导致建筑耗能大，使用寿命短，住户的二次装修带来资源浪费等问题。但在《CSI 住宅建设技术导则》指导下，CSI住宅的结构体系可以有效延长住宅的使用寿命，通过特色化的SI体系介入，可对住宅进行分解、分体、分级控制，减少装修与维护期间的破坏，让住宅产品的生命更加长寿，使用更加安全。

3.1.2 提高结构设计质量

住宅的长寿主要体现在结构的设计上，这就要求在进行设计时对住宅的现场情况与住宅建设的需求进行深入了解，在进行住宅设计时根据需求选择合适的结构与材料。例如：风荷载采用100 年基本风压;活载设计系数按100 年年限设计为1.1 ;一般工程所用混凝土为C20，改为使用C30 等措施。

3.1.3 应用管线外置技术

管线外置技术即将管线等需要多次维修的设备放置在墙体外侧的技术。管线外置技术使得管线后期的维修和保护工作更具便捷性，因为管线本身就已经设置于住宅中可直接接触的部位，在维修中不会破坏住宅装饰或者墙面，使住宅的管线维修更具效率。与此同时，在进行管线维修或者改造中，住宅的主体结构也不会受到破坏。

3.2 实现住宅产业化

首先，住宅设计模块化可提升设计效率。应用BIM（BuildingInformation Modeling，以下简称BIM）系统进行建筑设计具有很大便利性，是建筑行业的一种伟大尝试，它标志着我国的建筑行业已经走向了数字化的方向。目前传统住宅设计方式存在许多弊端，由于设计和施工之间的沟通不顺畅、信息不对称，使得设计意图不能在施工期间完全实现，建筑质量也不好，但应用BIM 技术可以强化多方沟通，使得住宅设计更加贴合用户需求，施工更加顺利。对后期生产、施工来说，效率大为提升。

其次，构件生产预制化可提高生产效率。在百年住宅体系中，实现构件工厂的开发与生产过程，预制化构件通常涵盖了预制式剪力墙结构的内外墙结构、叠合板部分、預制梁结构、预制楼梯结构、预制阳台结构几个部分，使工厂的预制组件更加规范和匹配。在这个过程中，由工厂产生的输出部件是更精致的、标准化的，并且比传统的现场的组件效率。

最后，现场施工装配化可提高施工效率。传统的施工方式是现场调配混凝土现场浇筑，施工效率低且质量不能保证。以构件预制化为前提，实现现场施工装配化，大大减少了施工时间，造房子就像造一辆汽车一样，将工厂预制的构件搬运到现场组装起来，这使得施工效率提升，住宅的生产周期大大缩短。

3.3 实现住宅品质化

人类对于住宅的需求从最初的安身立命之所，逐渐过渡到了个性化的追求，住宅的品质成为了时代对百年住宅的要求之一，模块化设计有助于实现住宅的品质化目标。

第一，室内装修组合灵活。住宅室内装修模块化是指能装配形成住宅内装系统，由工厂批量化生产，具有特定功能和接口结构，具有通用性，并符合模数的住宅室内装饰装修部件、分部件或连接件。住宅内装模块化对形式单一的内装模块而言，可以通过不同的排列组合方式，形成各种各样的空间与界面，以满足用户的个性化需求。比如，基于模块化设计的多功能空间收纳系统，采用大板结构体系，室内无竖向构件，根据家庭的生命周期，可以调整房间类型以满足每个阶段的需要，以便实现住户生活需求和使用习惯的多样化。内装模块化设计的特点主要包括独立性、系统性、通用性与互换性、组合方式多样性、标准化与精密性。同时，内装模块化，可以使得室内格局、室内装修可以根据人的需求、空间使用时长的变化灵活改变，将空间模块化，空间功能进行叠加。因此，住宅内装模块化可以满足不同消费人群和同一消费者在不同时期的需求。

第二，实现智能家居环境。智能家居是一个以住宅为平台，整合家庭有关的设施，综合布线技术、网络通信技术、安全技术、自动控制技术、音视频技术等，建立高效的住宅设施和家庭日程事务的管理系统。它可以提高家居舒适性与艺术性，并营造环保和节能的居住环境。

第三，开展人性化设计。人性化设计是百年住宅不可缺少的部分，保证住户对于住宅个性化需求的满足。人性化设计最大的特色就是能够极大程度地提高人们生活的舒适性。例如，当前的分离式卫生间，就是一种非常好的设计思路。在家庭生活中，常会面临不同家庭成员间同一时刻在同一空间内的需求不同，这就需要进行功能的分离，才能够满足人们的需求，因此人性化部品是实现住宅品质化非常重要的一步。

第四，实现自适应设计。在一个家庭的成长过程中，对住户的需求不断变化，建筑本身的材料结构也很长。这需要为家庭提供完整的生命周期设计，在设计开始时全面预测模块化组合的可能性，充分考虑住宅内部空间的多种布局转换可能性，以及在特定空间区域内探索更大的可变性。自适应类型的住房允许公寓根据家庭人口模式的变化而增长，从而满足不同生活阶段家庭生活模式的变化。

综上，模块化设计能够满足人们对住宅品质化日益增加的多样性需求，使居住环境质量进一步提升。

3.4 实现住宅低碳化

人类对于住宅的需求从最初的安身立命逐渐转向个性化的追求，除了长寿化、智能化，人们也来越多地关注住宅设计的可持续发展。绿色低碳化不仅仅是百年住宅设计的要求，也是当前时代的需求，是时代发展背景下人类对于环境保护的极大呼吁。实现设计模块化，构件预制化和施工装配化，在住宅生产过程中，能够大大降低能耗，减少碳排放，节约资源。比如，使用SI 技术体系，在住宅使用过程中可实现不破坏主体承重结构的情况下进行住宅改造，可以减少能耗;管线分离技术可降低管道维护中对住宅主体的损耗;通过水净化系统与循环系统技术，还可提升住宅用水效率。

4 结语

模块化设计与百年住宅体系的内涵与目标相契合，是住宅产业化的经济保障。模块化设计是建筑实现长寿化的具体途径。模块化建筑的建造，从前期设计到后期维护，都体现出对于全生命周期设计的尊重，建筑所用的构件是标准化、精细化的预制构件，性能安全可靠。模块化设计是营造多样化建筑空间的品质保证。室内空间的模块化设计大量性地解决了住户对于住宅的多种功能性需求，同时也提供了多样性的设计解决手段。模块化设计同时也是实现低碳化的有效途径，主要通过内装产品的生产过程和住宅使用过程两个环节来实现。我国百年住宅建设体系的迅猛发展，带来住宅模块化设计方法的广泛应用。丰富百年住宅理念，在实践中不断探索深化模块化设计的方法，才能进一步为中国住宅产业化进程提速。