基于箱板钢结构建筑的建筑模块化产品设计

唐博 刘津津

中国建筑设计研究院有限公司 北京 100032

引言

箱板钢结构装配式建筑是一种不同于其他现有装配式建筑的新型的装配式体系，借鉴了船舶的建造思路，其竖向结构构件以及水平结构构件都采用带肋的钢板，结构系统为整体受力的箱室结构体系，具有优越的抗震性能，因为没有传统的梁与柱等结构构件，能在一定程度上节省空间与高度。

另外，箱板钢结构式建筑的建造方式与造船相似，采用分板分块的方式，将钢结构构件与附着的建筑构件、设备管线在工厂集成加工，形成集成模块，再运至现场焊接安装。此种方式与产品化的设计思维相契合，因此在项目前期决定采用箱板钢结构作为主体结构方式。

1 功能模块化

箱板钢结构建造体系的建议跨度范围为7m至12m之间，根据项目场地尺度、办公建筑功能特点等需求采用9m×9m作为建筑的基本单元模块尺度。

为了后期工厂建造的便捷性，尽可能的优化模块的种类，先根据使用功能将模块分为四大类，办公模块、会议模块、公共模块与特殊模块，基本能涵盖办公类建筑的所有使用功能。

1.1 办公模块

办公功能是办公类建筑的基本功能，也是占比最大的功能，在进行办公模块化的设计过程中，以共享、高效、舒适作为模块设计的出发点。

项目定位为高科技创业型公司，根据创业型公司团队特点，办公空间趋向于共享化、混合化、开放化的特点，因此，对办公模块进行设计时，也充分考虑了这几个特点。

首先是共享化，单元功能模块内不仅有办公工位的空间，还有供小型团队的交流讨论空间。针对不同团队的使用要求，办公模块分为高效型和舒适型两种，高效型工位布置更为紧凑，可满足9～12人同时办公的需求，共享交流空间可满足4～6人的小型交流，舒适型工位布置更为灵活，可满足6～9人同时办公的需求，共享交流空间更为充裕，可满足6～12人交流，其中所有的交流空间都可以在团队间共享，实现空间利用的高效配置。

其次是混合化，据调查，目前越来越多的公司都有混合办公的需求，特别是疫情时代，混合办公已经逐渐成为一种趋势。因此模块化设计里也充分考虑了此部分需求，采用固定工位与非固定工位相结合的模式，另外，由于非固定工位时间使用上的不确定性，将非固定工位设计成空间上的灵活工位，可相互组合成临时的讨论或者会议空间，高效配置办公资源。

最后是开放化，由于项目定位是科创型公司，因此开放与交流是影响空间的一个重要因素，另外，还要考虑开放中考虑一定的私密性，给员工一定的场所感与归属感。在模块设计中，将每个9m×9m的单元模块定义为一个团队的场所，这个场所在开放度上分为三个层级，第一个层级是公共交通空间，用于连接整层的场所，属于最为开放的公共空间；第二个层级是团队交流空间，用于团队间的协作，属于半公共空间；第三个层级是工位，属于团队内部的私密空间，由于有交流空间作为过渡空间，私密性上得到一定的加强。

1.2 会议模块

会议部分也是办公类建筑的一个重要组成部分， 尤其对于科技创业型公司来说，交流的时间占了很大的比重，由于办公模块里已经设置了4～6人的开放型小型讨论空间，因此会议模块里都为6人以上的私密会议空间。另外，经过以往办公楼类项目使用情况调研，对于小型的会议空间使用频率最高，而大型会议使用频率较少，但却必不可少，因此在会议模块设计中，为了最大化的提高空间的使用效率，通过可移动分隔的方式划分模块空间，在9×9m模块中划分为两间10人左右的小型会议室，而当需要开大型会议时，可移动分隔以及家具便能调整为一个供20人会议的大型会议室，最大化的提高空间的可适用性。

1.3 公共模块

随着远程办公的日益普及化，企业需要提升办公空间的人性化以及舒适性，因此在公共模块中吸取居家办公环境的优势并将其融入办公空间当中。此部分模块主要以服务功能为主，围绕一个多功能吧台设置可移动的桌位，满足日常员工的餐饮、休闲需求，同时两个公共模块可整合成一个公司内部举办活动的一个场所。另外，还包括一个接待展示模块，主要用于入口前台的展示。

1.4 特殊模块

在项目中设置了部分的室外阳台空间，属于单元模块的附加部分，作为模块功能的延伸以及补充，既能解决室内空气质量问题，也为员工提供的多样化的空间选择。此部分模块是基本模块的一个延续，功能上以灵活的适用性功能为主，包括休闲、交流、灵活办公等功能，同时也是作为建筑艺术性表现的一个附加元素，可以在一定的框架内最大化的实现建筑的美学表达[1]。

基于这四种模块设置，基本能满足大部分办公类功能需求，同时这四种模块类似于一块块积木，可根据具体的使用需求以及规模进行组合,最大化的提高功能的适用性。

2 建造模块化

一个完整的产品模块不仅要满足功能设计的要求，还要具有实现的可能性，要满足工厂加工、现场安装等现实条件。而且一个完整的建筑模块空间不同于一般的工业产品，需要满足人们的日常生活、工作需求，以及一定的美学需求，因此他是一个多系统的集成模块，包括结构、室内精装、机电以及幕墙等部分，而要将这些系统集成到一个模块当中需要集成技术、加工技术、连接技术、材料技术的综合应用。

首先是集成技术，箱板钢结构体系是工厂预加工现在安装的模式，结合国内的运输条件工厂加工条件，无法满足9×9m整体单元模块的运输和加工，因此先将模块拆分成围壁墙以及楼板两个部分，一块完整的围壁墙板由九大部分组成，外围壁墙板、加劲肋、防火构造、设备和管线、保温隔声构造、横龙骨、外保温构造、防水构造以及外饰面板。而加劲楼板也包括八个部分，钢板、加劲肋、防火构造、隔声构造、设备及管线、架空地面模块，吊顶饰面以及龙骨。以上构成了一个基本的单元模块。

由于涉及的系统繁多，我们利用BIM技术对楼板以及围壁墙进行集成化设计，将建筑、幕墙、结构、设备、装修等各系统信息集成到一个BIM模型当中，实现全过程的集成设计、精益制造、精准建造，确定工厂在价值链中的核心位置，提升工厂在价值链中的地位，将工地作为工厂制造的延伸，实现建筑工业化、智能化的产品设计与加工生产。

第二是组件技术，组件技术与工厂加工技术直接挂钩，在围壁墙与楼板两大系统的基础上根据工厂加工条件进一步划分，比如钢板楼板，单元模块是9×9m的钢结构楼板，但是这个尺度不能直接工厂生产，因此结合结构计算、生产模数将整块楼板划分为1.5m×3m的更小单元块，同理应用于围壁墙板、幕墙、设备等等，将这些系统化整为零，再运到现场进行焊接。

连接技术指的是不同体系的连接，包括幕墙与结构的连接、室内装饰与基层的连接、吊顶与楼板的连接、设备与楼板的连接等，由于是工厂预先架构，都需要提前在工厂预留好连接条件，以设备管线与楼板的连接为例，需要提前根据桥架位置进行吊架设计，确定吊架位置，在生产钢板楼板时即提前加工好连接件，同样的还有室内外装修构件与结构的连接[2]。

材料技术是指针对材料的特殊性，需要研究钢结构与防火、防腐、保温构造一体化集成的产品和技术。首先是结构防火，一般有两种主流方式，一种是防火涂料喷涂，一种是用防火板包覆盖，基于这两种方式的对比，综合造价使用等各种因素，最终选择了防火涂料作为主要的钢结构防火方式，对于一般部位，采用水泥基非膨胀型防火，外有装饰板作为装饰层，而对于需要露明的部位，就采用膨胀型防火涂料，可以真实地表达箱板钢结构的结构特性。

另外，由于是钢结构材料，所以还要兼顾防腐性能，综合经济性以及适用性原则，钢结构模块采用以下防腐措施：

表1 钢结构防腐措施

防腐涂层按弱腐蚀下10～15年设计，并预留检修口定期检查维护。

钢结构表面在涂料前，应彻底除锈。承重构件的表面采用机械除锈，除锈等级不低于Sa2，其他可采用手工除锈，除锈等级不低于St2，并按照《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T8923的有关规定进行。构件出厂前，钢结构表面安装连接的接触面，柱子插图基础部分和工地两侧50mm范围内及高强螺栓连接处均涂防锈底漆。

而对于模块的保温性能设计，先是钢板部分，采用A级防火憎水保温岩棉板保温层的外保温模式，既能满足保温要求还能兼具防火性能。而透明部分采用断桥铝合金low-e中空玻璃窗或玻璃幕墙，中间为空气层，满足当地节能要求。

3 BIM协同设计

在建筑工程设计领域，协同设计主要有两种方式，二维协同设计及BIM三维协同设计。二维协同设计基于二维CAD工程图纸的传统设计方法中已经有所应用，它是以传统CAD计算机辅助绘图软件的外部参照功能为基础的文件级协同，是一种文件定期更新的阶段性协同模式。而BIM协同设计指的是各专业设计师在BIM软件平台下，用同一套标准来完成同一个设计项目，在整个设计过程中，各专业实时的进行设计，并融合设计手段本身（设计协调、组织和管理手段），基于三维信息模型的及时准确的信息协作模式，即基于“BIM协同化设计”。专业内各设计师甚至专业间各设计师的设计数据成果可以实时更新，以此实现高效的BIM协同设计。

另外，模块产品的实现与传统的建筑建造不同，传统的建筑建造可以在施工过程中解决很多问题，但模块产品的生产模式因为是在工厂预制加工，因此需要在设计阶段消化掉所有生产建造问题，BIM三维技术就为这种模式提供了诸多便利，一是三维模型可以更直观地发现问题；二是各专业集成在一个模型中便于各专业进行实时碰撞检查，运用三维手段建立建筑及管线设备模型，利用计算机在模拟真实空间内对各系统进行预装配模拟，能够直观的调整、细化、优化、合理管线走向及设备排布，从而达到模拟可视化、优化设计和缩短工期、提高项目质量的目的[3]。

4 经验总结

随着数字化和共享经济的快速发展，催生了新的生活方式和工作方式，生活和工作的界限变得越来越模糊，形成了工作环境生活化和工作时间碎片化的趋势。当下的办公空间结构和形式不利于空间资源的灵活配置，而使用者对空间功能的灵活性和多样性提出了更多的需求。模块化设计是被当下广泛应用和接受的一种设计方法，其具有灵活拆分与组合的特点，本项目将模块化设计方法引入到办公空间设计之中，试图探索空间结构与功能的可变性，探寻适应当下和未来办公需求的空间设计形式。从模块化设计方法探讨着手，基于办公共享性、开放性、便捷性的特点，探讨如何利用模块化设计放大其整合多种要素和调配闲置资源的优势，以期通过模块化设计创造出具有可变性的空间结构，调配空间资源，满足用户与企业的需求。但由于箱板式结构体系是一种新型的结构体系，在民用建筑中运较少，很多做法要在项目过程中摸索，比如钢结构防火、防腐等措施，幕墙与箱板结构的结合等问题，都需要设计师做进一步的探索。