模块化技术在装配式木构建筑中的应用及发展

文／杨 瑛 湖南工业大学城市与环境学院 教授级高级工程师 博 士（通讯作者）

刘梓玉 湖南工业大学城市与环境学院 硕士研究生

1 模块化技术及其发展历程

随着城市化进程的加快，城市规模迅速扩张，已经有越来越多的建筑师开始面临着一个难题：如何能够在很短的时间内快速建造出更加经济的建筑？作为一种新兴的建筑设计理念，模块化技术逐渐走入人们的视野。以一个空间作为一个模块单元，提前建筑工厂内部，率先进行批量生产，完成后运输至施工现场并通过可靠的连接方式组装成为建筑整体，完成后直接运输到建筑施工现场并通过多种可靠的连接方式将其进行组装组合起来从而成为一个大型建筑整体[1]。这个过程中，灵活多样的连接方式给建筑本身的设计和维护带来了极大的便利。

1.1 模块化技术特点

模块化主要是在解决某一个复杂的问题时，把它们划分成若干个子程序，再将其逐步解决。在进行设计时，以一个房间单元为一个模块，并将这些模块在工厂进行施工，施工完成后再运送到施工现场进行拼装。模块化建筑预制程度高，能够极大减少人力物力，使用模块化技术能够缩短施工周期，并且绿色环保[2]。模块是结构的一个组成部分，由一个单一的建筑构件、结构的一部分或整个建筑的一部分，即功能单元。通过基本模块的重复组合，能够得到许多不同的结构。模块也应该是简单的预制，很容易连接到另一个模块。与传统体系结构相比，模块化体系结构的优势在于能够化繁从简，将复杂系统逐个分解并将其模数化，使建筑更易于管理[3]。

1.2 模块化技术的发展历程

国外最早在1962年，为了解决工商管理方面的问题，西蒙提出了模块化的概念并对其相关理论加以研究。西蒙指出将要解决的问题分成多个模块，并且在这种形势下，每个模块都能够独立运作，使整体工作效率达到最高[4]。1965年，Starr提出了模块化就是通过设计和生产一个模块，并以尽可能多的方式与另一个模块之间进行组合[5]。在面对复杂的问题时，模块化能进行有效的简化，从而提高质量及效益。因此在建筑设计中，模块化技术的运用能够极大地提升效率，解决复杂的建筑设计和施工过程[6]。

模块化的建筑最早开始发展并且形成的一个框架结构体系就是在加拿大的蒙特利尔市，该框架结构利用一个盒子所设计而形成的整体造型共由158个单元和多个体块组成，并且每个单元模块都以38×17英尺的尺寸通过混凝土浇筑组合完成。每个模块在加工完成后都通过吊装的方式运输到指定位置，再以参差错落的形式堆积起来，给人们呈现了一种新的建筑形象。Habitat 67综合居住体一直保存到今天，并且远远超过它的预期寿命，可以预料，它仍然会以一个成功的综合居住体继续存在，成为一个时代的象征。

到了现代，模块化技术得到了飞速的发展，美国、英国、加拿大、日本等国家对模块化技术进行了深入的研究，将其应用到医院、学校、体育馆等建筑设计中，并在建筑设计与建筑建造等方面有了一定的成果。随后，模块化技术又被应用在木结构建筑中，目前采用模块化技术的木结构建筑在国外得到大力推广，多被应用在住宅或公共建筑中[7]。

在我国古代，模块化建筑在建筑建造中可以追溯到明清时期，中国古代最完整的建筑技术书籍《营造法式》中有明确记载。在1103年，当时的建筑师和工匠们就已经提出用单位来测量和切割木材，由此逐渐形成一套规范的模数体系。《营造法式》规范了木材计量单位，划定了设计尺度和施工原则，也为中国木结构建筑奠定了坚实的基础。

我国自1980年从国外引进模块化技术以来也在逐步发展，2018年1月，《装配式木结构建筑技术标准》发布后，国家正在大力支持发展装配式木结构建筑，随着各项政策的积极推动，模块化技术将得到更加广泛的应用。

2 模块化技术在装配式木构建筑中的应用

模块化技术代表了目前世界上最先进的建造技术，也是建筑工业化最彻底的表现形式。在建筑中，模块化技术有着不同的表现方式，如采用相同结构的不同组装方式，未来建筑可能会有不同的用途，便于日后改扩建；几个相同空间单元的不同组合，在不同区位、气候、地形条件的制约下，建筑仍然能够适应；整体藏体式的盒子建筑只需在工厂预制，包括厨浴部品在内，在施工时仅仅需要简单地安装即可完成。

2.1 结构模块化——日本福冈T-nursery幼儿园

T-nursery幼儿园处于郊外，出于对日本未来出生率的考虑，建筑师希望建造一个便于日后扩建或缩小的建筑，因此将模块化技术应用于此。在建造设计中，建筑内部房间未设有支柱，这会使房间变得非常实用，可以随时变换各种用途；外围墙面由支撑结构组成，能够支撑9米的无柱空间，为日后建筑空间灵活变动奠定了基础[8]。模块化技术则运用在它的结构木桁架梁上，木桁架梁在工厂安装，再运输到施工现场。复杂的组合拼装工序也是在工厂制作的，只有一个相对容易的工序在现场组装。这样的建造工程施工管理模式不仅大大提高了建筑的建造施工管理效率，还大大缩短了建筑的施工时间。

2.2 结构模块化——永续咖啡馆

永续咖啡馆（图1）通过装配式建造方式，通过模数化设计得到标准单元，进行结构验算得出可能的组合方式，所有的组合方式可以在上海的任何公园中建立[9]。采用模块化设计，通过两块板材的空间布置，“T”型、倒“U”型等实现合理的受力和传递，不同形态的空间组合有利于建筑日后的改造以适应不同的功能。

图1 永续咖啡馆及基本形态（图片来源：作者自绘）

2.3 结构模块化——MU50小屋（土耳其模块化单元50号）

模块化单元（MU50）是一种小型模块化的非网格结构的建筑原型，它具有良好可持续回收性并且能够广泛应用于不同的环境场所。结构用落叶松木框架和围面板预制好后，便于现场安装，减少了安装时间。相同结构的不同组合形成了完整的舱体，舱体包括浴室和厨房以及必要的存储空间，所有的管道、电力、通风等系统都可以在工厂预先安装，一体化建造完成之后直接运送到现场。

2.4 空间模块化组合——组装式单元生活空间

组装式单元生活空间（图2）的每一个折角模块宽2.5米，长4.5米，高2.7米。它们被设计成一个个独立的单元，建筑单体的内部空间能够灵活布置，无论是在竖直方向还是水平方向都能够进行灵活组合，以适应不同的区位、气候和地形。单一的模块具有单一的功能，但是多个模块组合起来之后，就在三维上增长，建筑更加稳定，适应不同的场所和功能的需要。

图2 组装式单元生活空间及基本单元模块（图片来源：作者自绘）

2.5 空间模块化组合——托卡纳卡特乡村酒店

这是俄罗斯地区唯一的模块化木结构建筑案例。先将规格为3.5×7米的模块在工厂生产组装好再运输到场地上，然后将内部装修、各类管道和卫生设施安装起来，最后安置家具。托卡纳卡特乡村酒店（图3）由三部分组成，其中32个标间就是由32个面积为18平方米的标准模块组成；独立设置的套房部分由两个模块拼装而成；套房接待楼则是由三个模块和一些预制组件拼装而成。为了保护当地的自然环境，模块化技术发挥了很大的作用，所有的建筑模块都避开松树建造，使得这些树木既能够被保留下来，免于遭到被砍伐的厄运，又可以加深人与自然之间的联系。

图3 托卡纳卡特乡村酒店及基本单元模块（图片来源：作者自绘）

2.6 整体舱体模块化——望山蜂巢

望山蜂巢作为旅游度假酒店，采用模块化设计成为一个个单元模块，可多次重复拆装，包括雨水回收、太阳能电池等环保技术集成在内。为了适应各类地形环境的同时又不影响当地的自然环境，将其架于空中，无论是位于湖边、山地或是森林，安装时人力即可操作。

2.7 整体舱体模块化——A45黑色小木屋

著名建筑事务所BIG在哈德逊河谷设计了一座带有倾斜屋顶的黑色小木屋。这种木屋的三角形结构墙体是用黑色的松木进行弯曲搭配而成，并且建于四个钢筋混凝土的基座上。内部空间主要包含一个全新的开放式生活区与一个睡眠室、开放式的厨房空间、洗手间和一个阁楼。它可以被运送至任何地方，只需要改变它的基座就可以适应不同地形，这也是舱体的优势之一。

3 木结构模块化技术的发展挑战与展望

在我国，建筑行业虽然在逐渐推广并开始使用模块化木结构建筑，但没有标准的规范来指导设计施工。虽然建筑师有热情采用模块化技术进行木结构建筑设计，但往往因为缺乏相应的标准而止步于设计阶段，无法进行下一步的施工深化。除了缺乏相关设计规范，模块化技术无法全面发展的原因之一还在于高昂的造价成本。

由于建筑配件模块需要在工厂中进行预制加工，目前我国正在进行的是工厂化预制加工，建筑配件生产的企业主要以施工单位和企业为主，若是项目所在地距离厂家较远，运输成本不可忽视。尤其在木结构建筑设计中，部分木材本身就要进口，再加上模块化技术的应用，在这些限制之下，建造成本也相对增加。

在国内外案例的分析中可以发现，模块化木结构建筑尺度较小，是因为受制于在工厂安装，运输吊装比较困难，所以使建筑在功能层数上具有一定程度上的限制，通常被应用在临时建筑、酒店建筑、小型商业建筑或者小型公共建筑上。因此，如何将此类建筑应用在更多方面也将是人们需要考虑的问题。

“十四五”规划提出“坚持农业农村优先发展，全面推进乡村振兴”“完善新型城镇化战略，提升城镇化发展质量”“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”等纲领，中央明确了在推进建筑工业化的同时，要继续推进建筑产业现代化，推广智能装配式建筑，同时随着国家对环保的重视程度的增加，以节能环保为导向，将加快核心、关键技术领域新技术推广应用，对模块化木结构建筑的研究也必将更加深入。