模块化自由组装式集成房屋的设计★

李旭楠 谢成越 张成武 谭周铭 张 凡 刘晶茹

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

装配式建筑作为近些年来建筑行业逐渐兴起的建筑形式，其施工更加简单，成本更加节约，过程更加环保，受到广大建筑企业的重视，消费者的青睐，如今装配式建筑房屋发展日趋成熟。我们在现有装配式建筑的基础上，创新性地提出了模块化与集成式的理念，并且阐述了其优缺点，旨在为我国后续的装配式建筑房屋提供一种新的发展方向。

1 集成房屋的优势

集成式房屋采用模块化设计，即将我们正常居住的房屋的各个功能区域设计成模块，可以自由拼装组合，有竖向、横向串联、相交、打通、错位和悬吊等多种组合方式。该房屋的出现可以让消费者根据自己的需求，让房屋DIY化。其虽然同样属于装配式建筑，但是其实用性与灵活性远超目前存在的装配式房屋。具体优势在于以下几个方面：

1)集装箱式建筑。

把房屋的各个功能模块采用集装箱的形式进行模块化，可以实现批量工业化，大大降低房屋的整体成本。

2)搭建拆卸便利。

由于采用模块化组装方式，房屋的搭建与拆卸十分便利，该特性将会彻底改变我们对房屋的认识，未来可移动的房屋将会成为现实。

3)充分考虑到了生活使用。

该新型拼装房屋有标准模块与可扩展模块，其中房屋的一楼为标准模块，包括客厅、厨房、卫生间模块，二楼为可扩展模块，有卫生间模块，楼梯模块，卧室模块。每个模块都有着自己独立的供电与给排水系统，充分考虑到了房屋的实用性。

2 目前国内外装配式建筑的研究状态

2.1 国外装配式建筑研究状态

在装配式建筑领域，美国与欧洲走在世界前列。装配式建筑最早起源于欧洲，在17世纪时，欧洲就开始了建筑工业化之路，而第二次世界大战之后，由于劳动力短缺，这更进一步促进了欧洲在装配式建筑领域里开发新技术的动力，此外，装配式建筑在欧洲已经广泛实施，欧洲工程界人士因此积累了广泛的设计、施工经验，并且这些经验又反过来推动了技术理论研究的进步，欧洲建筑科学界截至目前在该领域内的理论积累在世界范围内首屈一指。其中近五年内对行业推动比较大的研究如下所述：

1)装配式建筑建造效率方面：Diana Lopez(2016)利用定量和定性的科学评估方法，对单体式的住宅进行了系统完善的评估，重点评估其建造方式，即现场浇筑式建造和装配式建造并且分别从这两种建造方式的建造效率和质量来评定其效益性。此外，对装配式建造的住房而言，其效益还和质量控制、施工现场工作与交易相关联[1]。

2)研究装配式的施工安全方面：相继出现了J.James，RY Zhong，F.M等欧美研究人员分别在施工人员安全，施工质量监督，装配式建筑的施工稳定性等领域做出了深入研究，积累了较多的研究成果，对装配式建筑行业的发展做出了较大的贡献[2]。

3)研究装配式的建筑成本和利润方面：Alfred A Yee等研究人员，通过对装配式建筑与现浇式建筑的施工成本进行横向与纵向的深入对比，发现装配式建筑由于适用性更强，基本可实现预制化，批量化生产带来的显著成效就是与现浇式房屋对比，其经济性更加突出，并且基于这一特性，根据市场需求，研究出了控制预制产品数量与销售数量的经济性理论[3]。

2.2 国内研究现状

我国装配式建筑领域的研究起步比较晚，我国学者正式进入到装配式建筑的研究领域是从20世纪50年代开始，科研人员在充分参考欧美发达国家的研究结论的基础上，结合我国的实际发展状况，得出了符合国情的研究与应用体系，但是从总体来看，我国在装配式建筑领域的基础理论还比较薄弱，但是在应用层面，中国的研究已经突显出迎头赶超的趋势。经过查阅相关文献，总结了对行业发展比较大的研究成果，具体描述如下：

1)装配式建筑项目安全和可靠性方面：研究人员黄灵，建立了对整个装配式建筑施工安装过程的观察标准，该标准当中涉及到十余项指标参数，通过对这些参数的收集与定量分析，可以判断得出装配式建筑在施工过程中的各类问题，并且能比较准确地评价出建筑物的安全隐患与使用寿命[4-6]。

2)装配式建筑的经济效益和成本控制方面：经济学研究学者吕青通过研究整个建筑业的宏观数据，结合材料、人工、经济发展水平、施工工艺类型等参数，开发出了符合中国实情的装配式建筑评价系统，通过该系统可以有效地总结出在某个地域施工装配式建筑的经济性[7]。

3)装配式建筑施工技术层面革新方面：国内研究人员于龙飞，张家春等人利用BIM技术在装配式建筑中的应用出发，研究开发了装配式建筑集成集造系统，系统当中对施工各环节的技术参数都有设定，并且阐述了使用条件，同时还能不断地更新系统的技术库，由此对我国装配式建筑的施工指导有着深远的意义[8，9]。

综上所述，在装配式建筑领域，国内外学者在质量安全、经济成本、施工技术、评价体系等方面付出了巨大的努力，产生了对行业发展深远而持续的研究成果。而从研究方向看来，欧美发达国家由于起步较早，更多地是在基础理论上不断加深，中国由于具备庞大的市场需求，则更倾向于在技术应用层发力。

3 模块化集成房屋设计的实践

3.1 设计方案构思

在目前装配式建筑的基础上进行提升，通过以集装箱的形式，使全屋功能区域实现模块化，让装配式建筑的便利性更彻底，并且增强了装配式建筑的灵活性，这是非常创新的设计。未来房子可以真正实施按需定制，灵活搭建与拆卸，不动产变成彻头彻尾的动产。

3.2 设计构思综述

1)以集装箱形式实现模块化。

通过查询行业论文得知，目前在行业内提出以集装箱式的构造方案还并不多见，本方案在设计立意上具备一定的创新性，其次集装箱的形式在目前的众多形式当中最容易模块化，过去的装配式建筑绝大多数以预制构件为基础，在施工现场对各预制件进行拼装组合，无法实现全屋功能的组合，但是以集装箱形式则比较完美地实现了该效果(见图1)。把房屋各大功能区拆分成各大模块，消费者喜欢哪些功能，或者希望以什么样的形式进行组合布置，可以更加听从内心的选择，所以集装箱式的模块化，是我们的房屋设计理念的第一步。

2)墙壁折叠与卡槽结合进行安装。

与传统的装配式建设采用框架焊接截然不同，集成式房屋采用自由灵活的墙侧卡槽安装，在安装过程中墙壁可折叠，方便整个房屋的自由组装，任何房屋模块只要通过墙侧卡槽的契合，就可以实现稳固连接，考虑到组合的自由度，在安装层面，集成式房屋设计有竖向、横向串联、相交、打通、错位和悬吊等多种组合方式。由此实现房屋像搭积木一般的方便自如。

3)标准模块与扩展模块相结合。

房屋的设计采用标准模块与扩展模块，房屋设计共分两层，其中一层按照标准模块设计，包括房屋的主要使用功能，如卧室、厨房、客厅、卫生间(见图2，图3)，二楼采用可扩展模块，让消费者可以根据自己的喜好搭配，这样做的好处在于一方面充分考虑房屋的实用性，另一方面给消费者自由发挥的空间，让房屋按照自己希望的方式进行呈现。

4)完全满足房屋的生活使用。

由于各模块可以自由组装拆卸，因此在房屋用电用水的基础功能上，各模块都是有着自己独立的供电与给排水系统，由此消除某一模块改变时影响整个房屋的正常使用。在组装时，供电与给排水系统通过相关的组件进行统一连接接口，由此保障了供电与供水的顺畅，而拆卸时仅需拔掉相应模块的链接管路，对其他模块的供电给排水丝毫不影响。其工作原则如下：

a.在供电方面：每个模块都有着独立的电路输送线路，预留连接口，其中供电由每个模块单独的太阳能板解决。

b.给排水方面：其中一层标准模块可采用当地的市政供水与排水管网解决，二层的供水由单独安装在二层的高达3.7 m水箱解决，水箱与市政给水管网连接，为二层扩展模块给水，水箱带有止水球，防止水箱中的水溢出。扩展模块当中的卫生间，包括马桶与洗手池的废水则先排放到排水箱中，排水箱再连接到房屋所在地块的市政污水管网，进行废水排放。模块内的所有管道都采用塑料管道进行连接，这样有利于房屋各功能模块的组装拆卸。

5)设计有牵引挂钩，方便拖运。

集成式房屋另一大不同之处在于，其不再像传统装配式建筑一样一旦安装就固定不变，集成式房屋还可以随着住户的迁徙而移动，从不动产变成为动产，这样给消费者一种可以自由旅居的体验，未来随着消费者的生活水平的提高，喜欢旅居体验的人会越来越多，之前的房车是一种有钱人的享受，未来有了集成式房屋之后，可以以更少的钱享受到房车的体验，这对于未来年轻人的诱惑是相当大的。集成式房屋的标准模块设计有类火车牵引挂钩，当需要对房屋进行长距离移动时，只需通过牵引挂钩的咬合，就可以达到相当高的稳固系数，可以挂在汽车后面去到消费者想去的地方[10]。

4 结语

采用集装箱式的模块化设计，使得房屋各功能单元真正实现了各自独立，也让消费者能针对自己的房屋进行个性化的设计装配，该种新型房屋是装配式建筑的升级，它的便利性，模块化，灵活性，定制化功能大大扩展了我们对于房屋的想象，未来房屋带给消费者的体验将是多元化的，尤其满足新生代年轻人对于旅居的畅想，个性化定制的需求，同时大大降低当下消费者购房成本，组装式集成房屋将有望开启一种全新的居住模式。