应急情况下纸与钢在装配式建筑设计中的应用研究

李沐宸 王越 陈冉

摘要：本文对比研究装配式建筑在中国两次灾情下的材料应用，简述装配式建筑特点及其在近代中国的发展，立足于不同灾情介绍两个不同类型的案例，分析不同材料的優势，提出看法与总结。

关键词：装配式建筑;灾后应急;纸;钢结构

中图分类号：TU208 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）05-0-02

随着建筑行业的发展，装配式建筑作为一种高效率的建筑形式，与传统建筑形式相比具有很大的优势。分析在不同灾情下不同形式装配式建筑的设计应用，对于装配式建筑的多样性与发展具有重要意义。

1 装配式建筑简述

1.1 装配式建筑的定义

装配式建筑是指经过标准化、模数化设计，在工厂预制出符合建筑工业化要求、具有精准尺寸的建筑构件，运输至施工现场安装完成的建筑。根据不同分类方法，装配式建筑可分为不同类型。一是从使用功能来划分，可分为预制装配式工业建筑和预制装配式民用建筑，其中预制装配式民用建筑包括预制装配式公共建筑和预制装配式住宅建筑;二是从建筑材质的角度划分，可分成预制件装配式木结构建筑、预制件装配式钢结构建筑和预制件装配式钢筋混凝土建筑[1]。装配式建筑的起源可追溯到约五千年前埃及人与美索不达米亚人将泥巴通过木质模具成型后经阳光暴晒制成泥砖，以多种组合方式建造出不同的建筑整体。发展至两千年前，在蒙古游牧民族使用的帐篷的形态中，也可以追寻到装配式建筑的影子。为了游牧迁徙，帐篷部件的重量与尺寸经过设计制作，具有快速建立或拆除的灵活性，省去了牧民赶草场途中反复收集与建造的麻烦。这些建筑都具有标准化设计、预制生产、便捷运输、快速拼装等装配式建筑特点。

1.2 装配式建筑在近代中国的发展

20世纪50年代，我国进入了工业化起步阶段，全国建筑行业推行机械化、标准化设计，在装配式建筑的发展上取得了显著的成就。1958年，北京建成首批叠合框架住宅，加快了施工速度并节省了模板，至20世纪末，我国叠合式装配建筑总数增加到了近30个。20世纪60年代，混凝土工艺得到改良，北京采用混凝土壁板技术建成约30万平方米的住宅区，往后10年间，天津、上海、哈尔滨等城市相继使用混凝土壁板技术建成了大规模的小区。在装配式建筑的建造过程中体现了工期短、节能节材等优势，装配式建筑被应用于我国临时性灾后建筑的建造中。2003年流行性传染病非典暴发，政府决定建设非典定点医院，集中收治患者，运用装配式建筑技术，仅用了8天时间就建成了当时世界上最大的传染病防治医院。2008年汶川地震发生后，日本建筑设计师坂茂在灾区设计了纸管框架的装配式建筑华林小学与苗苗幼儿园。2020年，为收治新冠肺炎患者，火神山医院从方案设计到建成仅用了10天，总面积33900㎡，初始编设床位1000张。

2 装配式建筑在震后临时安置中的运用

2.1 震后装配式临时建筑设计要点

在灾情发生后及时建立临时安置设施对于灾后救援有重要意义。震后临时装配式安置空间的设计要点有4个：一是建造临时安置建筑要遵循“轻而固”的设计理念。在建造过程中，应选用较为轻盈的建筑材料与坚固而有韧性的支撑结构，增强建筑整体抗震性。二是应适宜当地自然条件，尊重自然环境，运用科学的装配式建造技术、标准化施工管理，与自然和谐共处，使用太阳能等清洁能源以减少对工厂发电的依赖，依据当地地理特点科学选址，避免洪灾、泥石流等次生灾害摧毁临时安置场所。三是建造成本应低于传统现浇技术建造成本。四是重视建筑对灾民的安抚作用。五是要考虑临时安置建筑的后续延伸，作为装配式建筑，可根据城市重建规划将建筑整体拆卸后异地重建，或将装配部件回收加工再利用[2]。

2.2 震后重建的纸管校舍

2008年汶川地震后，坂茂在成都华林县设计建造了实验性灾后临时安置纸管建筑——华林小学校舍。作为震后临时校舍，华林小学采用了纸质框架结构，材料环保，构造简单，建造方便，非专业人员也可以参与到建造中来。（如图1）

纸是天然材料，相比钢筋、混凝土等一次性建筑材料，将纸管应用在装配式建筑中具有材料优势。经过加工的纸管废弃后可自然降解，环保无污染，工厂生产的硬纸管等建筑部件可以循环使用，反复搭建，减少建材的浪费。纸质材料成本不高，技术要求低，一般的纸生产厂家即可生产出符合要求的硬纸管，拼装过程简单，非专业的志愿者也可以参与到建造过程中，节省施工费用，而且纸管形态灵活、重量轻，运输费用比传统建筑材料低。纸管部件的标准化批量生产和非专业人员的参与，缩短了施工工期，成为纸管构架装配式建筑在以恢复生活、教育为目标的临时安置设计中不可忽视的优势[3]。

坂茂在解决灾后临时安置的同时，也考虑了建筑的形式美。在满足结构与实用性的基础上，屋顶的设计满足了灾后人们对于空间的心理需求。为了保证屋顶的热功效能，屋面采用了木夹板、泡沫板和半透明波纹板，在木夹板上切割出圆形并掏空处理。屋顶设计建立了建筑内部空间与外部环境的联系，圆洞在白天将室外光线引入室内增加室内采光，减少人工光源的使用，在夜晚将室内的灯光投映到建筑外部屋面，标志性的圆形灯光在夜间方便辨别。空间内外的光影互动与日照随着时间偏移在室内产生的光影变化，在视觉上为孩子带来轻松愉快的空间感受，安抚震后焦虑抑郁等消极情绪[4]。（如图2）

华林小学纸管校舍对于可循环的天然材料的运用及其制作工艺，将绿色环保的理念引入灾后应急建筑的建造，增强了临时安置设计的灵活性与可循环性，为我国装配式建筑在震后临时安置设计中的应用提供了重要的参考。

3 装配式建筑在应急医疗建设中的应用

3.1 装配式建筑运用于临时传染病医院的适用性

在疫情下，应急医疗建筑的建设不同于常规医疗建筑，对建造过程、施工工期等方面有了新的要求，装配式建筑为临时传染病医院设计提供了新思路。

装配式建筑与传统现浇建筑相比具有施工简易、工程进度快、绿色环保等优势，对临时传染病医院具有很强的适用性。在建造过程中，装配式建筑以干法施工为主，工厂批量装配部件后集中运输至施工现场，由技术人员拼装，减少粉尘、建筑垃圾的产生，施工现场机械化程度高，不需要人员密集作业，避免了施工人员感染。在配件生产方面，传染病医院病房标准化程度高，模数常规统一，在工厂批量生产病房装配部件，工人现场操作装配，提高生产效率，节省人力与管理费用，缩短施工周期，与传统建造模式相比，装配式建造更快速高效。装配式建筑的组装部件具有一定的通用性与灵活性，有利于维护管理与检修更换，建筑的可持续性强，与此同时，互换性部件与拆卸方便的建筑单元使内部空间更灵活，可以根据需要对空间进行调整重组。

3.2 火神山医院设计

武汉火神山医院于2020年2月建成，建设用地约50000㎡，总建筑面积约33900㎡，病床数量1000张，是专门集中收治新冠肺炎患者的临时传染病医院。

火神山医院采用预制件拼装技术，充分利用裝配式工业化构件，大幅降低现场施工的作业量，缩短施工工期;在建筑外部拼接过后进行整体装配，现场施工与整体吊装穿插进行，提高工作效率。在施工过程中，施工方在现场铺设了50000㎡的高性能渗透膜，阻隔污水与污染物下渗;医院管网采用全封闭运行，处理达标后才可排入当地市政管道。每间病房安装了独立不循环的新风系统与排风系统，保持病房内空气清新。

火神山医院采用了钢结构装配体系，钢结构跨度大，内部空间结构柱少，适合用于临时传染病医院的护理单元布局设计，同时钢结构截面尺寸小，提高了空间利用率，缓解了医疗器械升级换代给有限的医疗空间带来的压力，满足了医院长期发展扩建的需要。钢材本身具有延展性与抗震性，与传统现浇建筑的支撑结构相比，钢结构的安全性能更高。

火神山临时传染病医院利用了装配式钢结构建造技术，在紧急疫情下快速响应，运用独特的排污系统与巧妙的平面规划，全方位隔绝污染，对以后的临时传染病院设计具有借鉴意义[5]。（如图3）

4 装配式建筑中纸管与钢结构的应用对比

我国的装配式建筑发展至今，纸管装配技术发展处于萌芽阶段，并没有广泛运用于建筑工程中。相比之下，我国的钢结构自20世纪五六十年代到现在已有完备的产业链与相对成熟的生产技术，在钢结构装配式建筑中的实践也比较丰富。本文对装配式建筑中纸管与钢结构的运用比较分为3个方面。

4.1 功能实用性

纸管拼装与钢结构拼装都具有装配式建筑工期短、环保节能的特点，但针对不同灾情下的不同需求，钢结构与纸管结构差别明显。纸管结构的建筑材料容易获取，不会受到天气与物价的影响，材质轻盈，形态灵活，运输成本低，因此将其运用在灾情下的基础设施建造中更能发挥纸管结构的优势。在特殊功能的应急建造中，以火神山医院为例，临时传染病医院作为医疗设施对建筑材料的技术要求较高，纸管作为一种生产简易、技术要求不高的建筑材料很难满足医院的建造要求，而钢结构装配部件更适合精确化、高标准的施工，同时达到医疗用房的专业化标准。在承重方面，钢结构比纸管结构更好，可以满足医院排管布线、安装中央空调等通风系统的需求。

4.2 审美性

钢结构装配式建筑在外观设计上以白色单元方块堆叠的形式体现，单体形态较为单一，可灵活组合出满足建筑功能需要的布局。在火神山医院设计中，建筑整体由多个白色长方体护理单元组成的“工”字状排列，给人一种干净、规整的视觉效果。与钢相比，纸的可塑性更强，造型多变，华林小学的山形屋顶的圆洞设计展现了纸质装配建筑的更多可能性。纸管以浅棕色为主，显露与白色墙体间，感官效果清新自然。在材质特性上，钢材肌理光滑反射强，纸材肌理具有一定的质感且反射柔和，二者针对不同的功能需求和设计风格，有不同的变化。

4.3 可持续性

装配式建筑的可持续性在不同材料上也有不同的体现。钢结构装配式建筑的生命周期较长，可根据灾后需要扩建，损坏的结构部件可拆卸更换，而纸管结构装配式建筑可以回收加工制成纸张等进行二次使用。

5 结语

随着建筑行业的发展与材料技术的提高，装配式建筑以环保、节地节材、工程进度快等优势，被广泛应用于灾后临时安置建设中。设计方应根据不同灾情下的需求与材料的特点来设计不同的装配式建筑方案。与此同时，在完善装配式建筑建造方法的前提下，还应考虑灾后延伸与回收再利用，构建装配部件回收翻新的企业生产线，完善装配式建筑可持续发展体系，对我国装配式建筑发展具有积极作用。

参考文献：

[1] 徐雨濛.我国装配式建筑的可持续性发展研究[D].武汉：武汉工程大学，2015：18-19.

[2] 徐林刚.钢结构在装配式建筑中的应用研究[J].建材与装饰，2020（01）：19-20.

[3] 阳海辉，余昉.坂茂的灾后安置建筑作品解读[J].山西建筑，2014，40（21）：5-6.

[4] 殷弘，邓敬.由“过渡”而始 从坂茂的纸管校舍到过渡性建筑的探讨[J].时代建筑，2009（01）：72-77.

[5] 王珍琪.结合火神山医院建设谈中国建筑业企业社会责任[J].建筑，2020（04）：30-31.

作者简介：李沐宸（1996—），女，山东烟台人，硕士在读，研究方向：建筑与环境艺术设计。

王越（1996—），女，江苏泰州人，硕士在读，研究方向：建筑与环境艺术设计。

陈冉（1996—），女，山东聊城人，硕士在读，研究方向：建筑与环境艺术设计。