IFD+DfD：具有干作特征的适变构造设计策略

MENG Gang

0 引言

当前，国内正大力推广以工业化建造为特征的装配式建筑，新技术为老问题的解决提供了新方法。例如，针对建筑的适变性，国内外工业化领域的研究者早已展开大量实践，IFD和DfD便是其中较为体系化的理论。

IFD，即工业化（industrial）、灵活可变（flexible）和可拆改（demountable）。它在制造商、客户、社会之间形成了一个平衡协调的体系，最初由荷兰政府部门推动，将其作为解决社会和环境问题的手段之一。

DfD，即design for disassembly，可拆改设计。目的在于充分发挥材料性能，在设计阶段就考虑全生命周期的拆卸问题，使得构件易于拆卸并可以最大限度地回收利用，有效提高其绿色性能[1]。

1 建筑适变

建筑作为不动产，侧面说明它天生在灵活可变方面具有局限性。但建筑面向的使用者却具有个体差异，他们对空间的需求不同。即便是同样的使用者，也会随着生命和日常周期的不同，而产生不同需求。再加上政策要求、技术规范等的变动，使得建筑建成后会面对许多不确定因素。因此，长期以来建筑适应需求变化一直是热门课题，至于应对手段，在建成前体现为多样化，在建成后体现为适变性。

随着人类的环境问题日益突出，延长建筑寿命、减少材料浪费等低碳措施越来越具有必要性，怎样以拆解（disassembly）取代拆毁（demolition），这是值得研究的问题（图1）。

事实上，自现代主义建筑诞生以来，拥有良好适变性的可变住宅吸引了大量建筑师尝试，其中也不乏各时代的翘楚。比如柯布西耶、密斯等现代派大师，都有这方面的实践。

2 构件拆分与界面连接

刚建成的建筑可以视作未完成产品。它完成了从无到有这个阶段，投入使用后，这个阶段产品还可能遭遇应需改造，而整个寿命周期结束后，又将被拆除。

在这个从无到有，再从有到无的过程中，不同建筑对改造和再利用的适应性能各不相同。良好的适变性意味着建筑改造时以拆解取代拆毁，所以拆分技术是一个关键。拆分即对连接的反向操作，追根溯源，适变性构造仍然取决于构件连接方式，属于建筑师可控的设计内容，也是DfD关注的重点。

拆分后材料的再利用，本质上取决于构件界面的完整性，即重新利用的构件界面是否独立。传统建造中，大量湿作业及其他化学连接方式在各构造层次之间形成一体化建造结果，即两个相邻部分共界面（图2）。面临拆分时，共界面构件因界面损失而无法重新利用，因而这类节点不利于独立拆分。

常见的现代连接方式中，胶接、焊接都会使得不同构件界面一体化，无法独立拆分；而键连接、销连接、螺纹连接、型面连接则保持构件原有的独立性，利于拆分。铆接情况比较特殊，因为实施过程中出现构件塑性变形，虽然保持着独立异界面，但仍然难以拆分和重新利用。

图1 从建造到拆解和拆毁示意图

对于可能出现的复杂连接节点，建筑师可以借鉴DfD理论模型，从设计建模、拆卸序列生成与优化、可拆卸性评价等方面，综合分析改进。

3 干作节点

图2 共界面与异界面

针对独立拆分问题，IFD体系以快速安装与无损拆卸（damage-free detachment）为响应，明确提出了干作节点（dry joints）的诉求，且对象包含了结构构件而不仅仅局限于围护构件。干作节点保证了构件连接的异界面特征，从而可以实现自由拆分。如荷兰代尔夫特的某办公楼（图3）为IFD体系，其设计寿命为20年，承重体系主要使用钢木构架，楼板使用木质三明治板，屋面使用混凝土纤维板，管线空腔在工厂预制楼板时预留[2]。它同时也体现了DfD原则。

钢结构及其与混凝土构件的连接，也可以采用干作方式。比如，使用螺栓连接而不是焊接或者胶接（如混凝土现浇），同样是将干作方式应用于结构构件，而不仅仅是围护分隔体系（图4）。

干作机械连接保证了构件的独立性，可以做到拆解还原。事实上，DfD原则+IFD体系就是通过工业化生产与干作建造方式，达到无损或低损拆改目的的适宜路线。

4 构造几何

图3 荷兰代尔夫特某办公楼[2]

图4 苏黎世某住宅楼板结构

图5 构件连接方式改良示意图

在满足结构、构造需要的前提下，干作构造为无损拆卸提供了最大可能。除此之外，还有一个必要工作，就是在设计初期考虑各部件恰当的组合方式，即几何形式问题。如图5所示，位于断面中心的连接件不具有沿纸面方向的自由度，而移至外侧后就获得一个方向的自由度。

从几何角度看，干作节点的可拆卸性是由配合面形式决定的。复杂配合面容易造成构件之间的空间约束增加，拆卸方向的选择就会比较有限。在这种复杂构造的装配中，构件之间的空间约束关系可以通过层级关系图分析与优化（图6）。

5 设备即插即用

在某些传统施工方式中，设备管线经常被迫成为湿作业的一部分；而适应工业化干作构造的设备及管线遵循即插即用的原则，必须能够快速安装，灵活拆卸。

为达到这个目的，从最早诞生于荷兰的SI体系开始，管线独立一直是工业化建筑的追求。从已有经验来看，设备管线的构件化、腔体化是适变构造设计的必由之路[3]。荷兰马图拉体系是较早的范例，它通过在地板模块中预留空腔，让管线与建筑构件之间保持干式连接（图7）。近年来，IFD体系在相似思路下开发出了一些新产品，比如容纳各种设备管线及终端的医院隔墙系统（图8），基本手段仍然是让管线以构件的形式参与建筑组合，并可独立安装与拆卸，以最大限度地接近即插即用的目标[4]。

6 人力资源

为减少现场作业，工业化建筑将大量工作放在工厂中完成，在建造前即解决了构件连接组合问题。虽然理想的施工条件应当是高度机械化的，但技术发展难免存在不均衡，人力与机械的比例在不同项目中可能会不同。况且，即便是机械化施工，仍然需要人力辅助完成干作安装。因此，非常有必要在产品生产环节就考虑人力资源因素。比如工业化建筑的先驱富勒（Richard Buckminster Fuller），在设计著名的Dymaxion住宅（图9）时，考虑到建造方便，将所有构件的重量限定在25 kg以内，以不超出人的负重能力，保证一个人就可以完成操作。

预制住宅常见的全预制、模数化、板材、预切割等类型，一方面,以不同机械化程度为出发点，另一方面，也是对人力资源的考虑[5]。

人力资源问题同时也是针对DfD理论所看重的构件拆解，因为拆解比拆毁更需要人工细致作业。相对于建造阶段，拆改过程中使用大型机械设备的可能性降低，现场人工作业比重增大。因此，构件大小控制是产品设计阶段必须考虑的工作，必要时，需使用中小构件组合以兼顾建筑改造需要。

图6 层级关系图开放优化实例[2]

图7 荷兰马图拉体系模块

图8 IFD体系管线腔体实例[4]

7 结语

图9 富勒的Dymaxion住宅

工业化建筑不仅在速度、精度方面相对于传统建筑具有明显优势，还为建筑改造提供了便利。在国外取得成功的IFD体系与DfD理论，一个侧重于全寿命周期的前段，一个侧重于后段，为我们装配式建筑的适变设计提供了良好参照。综合来看，在填充体和部分支撑体的构件连接中采用螺栓、销、型面连接等干作节点，是保证后续变化的有效前提，需要作为构造原则加以明确；而对于重在满足适变要求的建筑，相关建筑设计及产品设计人员必须付出额外工作量，用于对拆改阶段人力资源的适应研究，以及构件本身组合形式的优化改良。

回顾历史，人们对建筑可变性的研究活动可谓长盛不衰，比如著名的开放建筑理论（Open Building），对后来的适变建筑影响深远。今天，技术与社会环境都发生了变化，新的理论体系是对这些变化的及时响应，像IFD与DfD等理论的研究目标更为细致化、精益化，成为建筑可变性研究领域升级版的有力武器。