既有多层住宅集成木构交通模块设计研究

罗泽，张楠

（中南大学建筑与艺术学院，湖南 怀化 419300）

0 引言

随着城市化的进程和人口老龄化的加剧，20 世纪 80～90年代及之前建成的多层既有住宅未增设电梯、空间狭小，已然不能满足当下市民的居住需求。全国各市区城市核心地带存在着大量既有多层住宅，这些旧住宅多为砖混结构且常年未维护，立面并不美观，但是由于其规范设计70 年的建筑年限和扎实的建筑用材，良好的建筑文脉的保存，使其具备一定的再利用的基础与价值[1]。对既有住宅交通空间的更新研究的是当前社会的热门话题，汪建平[2]从中部省会城市的既有住宅加装电梯政策角度，梳理了郑州、长沙、南昌、合肥四个城市在实施条件、实施程序、安全监管的文件发布情况。杨智凯[3]对既有住宅增设电梯及其关联环境空间的空间构成要素进行了归纳，总结了电梯与既有建筑的构成模式和电梯关联环境空间构成模式。张恒等[4]依托具体实施案例，从楼梯平台入户和直接入户、户型与电梯位置间的相互影响、现状和建筑规范对电梯加建的制约等方面探讨，为多层住宅电梯加建提供思路 。本文从装配式木结构集成设计体系出发，依托国家力推的“双碳” 和装配式建筑政策，运用集成木材（胶合木）构件与刚性连接节点装配，形成稳定的集成梁柱模块单元，再在其内部集成水暖电等设备，具有的质量轻、可快速拆卸、抗震性强的优势，此外集成木构体系绿色环保、工厂预制，现场仅需吊装施工，可以更好地为如火如荼的城市更新和既有住宅改造赋能。

1 研究概述

1.1 研究背景

2021 年底，住房和城乡建设部办公厅发布《关于开展第一批城市更新试点工作的通知》，决定在北京等 21 个城市（区）开展第一批城市更新试点工作[5]。在2021 年两会期间首次将碳达峰、碳中和写入政府工作报告中，CO2排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和的目标[6]。木材可再生、可重复利用、可生物降解的特性使其成为重要的绿色材料。北京林业大学木结构建筑研究与检测中心数据表明，建设同样一栋大楼，与使用钢筋混凝土相比，使用木结构可减少碳排放 300 多t[7]。

1.2 概念界定

本文所涉及的交通模块是指以轻木结构为主体支撑结构，具有拓展空间、载客运输、组织动线等功能的标准单元模块。交通模块根据使用者的需求分为以集成“电梯”功能为主要形式的垂直交通模块和以集成“廊道阳台”功能为主要形式的水平交通模块，如图1 所示。交通模块集机械设备、水暖电系统、消防系统及智慧场景系统等十几个专业系统为一体，其外观规则、尺寸符合人体工程学，并且采用集装箱模数设计，所有构部件及智能化设备均在工厂预制、集成，现场仅需整体吊装施工即可使用。

图1 交通模块平面构成示意图

2 交通空间模块增设面临的主要问题

20 世纪80、90 年代的老旧小区，由于城镇加速扩张和经济发展，大多处于商业中心等黄金地带，同时具备得天独厚的交通和医疗资源。随着使用年限增加，人口老龄化加剧，并且缺少的科学的物业管理及适老适残服务设施，集中呈现出破、旧、暗、小等集中问题，已成为城市中心的“毒瘤”，老旧社区建筑更新刻不容缓。

2.1 加建交通模块对原住宅结构破坏较大

既有住宅增设电梯已经成为新建住宅的标准配置，而这一批旧住宅楼未预留电梯井，多为垃圾通道及烟囱通道，改造及再利用成本大，对原建筑结构破坏较大。既有多层住宅建筑结构较为复杂，在满足结构承载力较强的前提下，模块增设要充分综合楼层高度、电梯轨道安装位置和设备的占用体积。在交通模块井道结构，尽可能不采用悬挑结构井道（不落基础），减少对建筑构造柱及圈梁的受力。同时根据户型和入户方向，据具体情况勘察评估后制定合理结构加强方案，例如在受力节点增设钢梁、钢柱等支撑结构，在保证安全性和稳定性前提下进行增设。

2.2 加建交通模块与原建筑立面不协调

当下加建的交通模块多为钢结构和混凝土结构，这两种建筑材料形式与原住宅的立面风格不和谐，亦不符合老旧街区历史风貌，提倡在设计过程中使用符合街区和文化的语言和材质。调研发现主流加建电梯单元模块多为钢结构框架，维护结构普遍采用玻璃幕墙体系的入户阳台模块，对增加室内的采光有一定帮助，但新与旧的对比非常突出，如图2 所示，相对较虚的玻璃幕墙与原建筑实墙形成了强烈的对比，较大材料和色彩元素的使用，对现有住区风貌有一定的影响，而混凝土井道需要对整体立面进行统一重新粉刷，工程量大、施工效率低，带来不必要的成本。

图2 既有多层住宅电梯模块增设现状

2.3 加建交通模块对室内采光的影响

增设交通模块会对原建筑的室内采光有较大影响，在方案设计过程中，对单元模块加建方向选择应提前做方案的日照分析模拟计算。如图2 所示，在南向入户阳台加建交通单元模块，通常对用户的采光影响较大；在北向加建单元模块，影响较小，但需要针对户型考虑其北侧起居室、卧室的影响。此外，考虑对场地内遮光影响较大的园林绿植进行定期修剪，如存在古树及名贵树种，需按照有关法规进行避让和移栽等保护措施。在不影响室内日常采光的前提下，现行方案多为玻璃加铝合金框架的围护结构，玻璃多为双层中空的Low-E 低辐射玻璃，具有优良的隔热效果和透光性。而部分采用混凝土加建模块的井道，井道基本未设置大尺寸开窗，基础立柱截面大，对既有住宅采光影响非常大，但降噪减震性能较突出。

2.4 加建交通模块侵占宅前道路、绿化空间和停车空间

老旧小区存在停车难以及宅前道路狭窄的情况，调研走访发现，八九十年代既有住宅未规划停车库及足够比例的停车位。如图2 所示，加建交通模块电梯井道的过程中，通常会侵占宅前停车道路的流畅性以及宅前绿化树木遭到砍伐或移栽，施工成本和周期一定程度会延长，也会影响整个街道的交通流线组织和其关联的环境空间。

3 集成木构技术运用于既有多层住宅更新的优势

集成木构技术是一种现代的建筑技术，它通过将木材和其他材料集成在一起，可以实现更高效、更灵活的建筑施工。在既有多层住宅电梯增设中，使用集成木构技术有以下几个显著优势：

3.1 集成木材具有绿色低碳的材料属性

装配式木结构取材于大自然，天然具备融合历史文化的特性，且由于材料与结构特点，具备平面布置灵活、方便运输、装配简单的优点，与老旧社区建筑改造特别是位于历史街区住宅的建筑风貌的修缮要求相契合[8]。如图3 所示，集成木构水平模块可有效拓展居住空间及增加观景面，阳台模块提前集成景观等园艺设施浇灌设备，具有调节微气候，以提供更好的室内空气质量，为住户创造更健康的居住环境。同时木材密度小，集成模块相对于传统的建筑材料来说更轻，因此可以减小对原有建筑结构的影响。集成木构技术采用的木材是一种天然的可再生资源，不仅可以减少对环境的污染，同时也可以减少建筑垃圾的产生，减轻对环境的压力。木材本身是“固碳”材料，集成木构技术的设计可以提高建筑的能效，减少能源的浪费，从而实现“减碳”的目的，顺应国家“双碳政策”，低碳环保意味着拥有很大的市场潜力。

图3 既有住宅加建电梯模块单元结构示意图

3.2 集成木构技术具有快速装配、可拆卸的优势

老旧城区的改造具有施工周期短、施工工序简易、施工质量好、施工成本低的要求，集成木构标准化的预制模块施工快、造价低、人力少，可拆卸且现场没有湿作业，对比传统施工工艺来说效率更高、更具有竞争力。集成木构技术可以在工厂制造，而不是在现场制造，可以减少施工现场的工作量，加快建筑项目进度，可以在较短的时间内完成施工，因此减少施工对住户生活的影响，让他们在较短时间内恢复正常生活。集成木构技术采用的集成部件可以进行拆卸和重复利用，这意味着如果需要对电梯进行进一步的改造或拆除时，可以避免浪费资源和材料。

3.3 集成木构模块结构安全稳定、可塑性更强

集成木构交通模块相对于混凝土结构，主体支撑结构自重轻、抗震性能好，对于原始建筑结构没有任何的负担。木构件采用胶合木（集成木）涂刷阻燃剂工艺，断面尺寸不小于180mm×180mm，胶合木爆火面满足燃烧温度达到250℃后以0.64mm/min 炭化，炭化层有效阻止木构件继续燃烧，木构件相对钢构件在燃烧后更具有荷载能力，为安全逃离火灾现场争取更加充裕时间。集成木构技术可以根据实际情况进行个性化的设计和制造，可以适应不同的空间和结构需求，因此非常灵活，与传统的建筑材料相比，集成木构模块构部件需要的维护成本较低，同时也可以提高建筑的寿命和稳定性。

4 集成木构交通模块部件划分

4.1 垂直交通模块

垂直交通模块具体包括楼板墙部件（结构部件）、电梯设备、数控及安保门（设备部件）。在预制墙板部件内集成电梯轨道和电梯数控设备管线，同时在外侧预留空调新风机外机平台；预制楼板部件内集成电梯轨道、安保门轨及智能化报警等设备。通过现场吊装楼墙板部件即可实现垂直交通客梯的精准增设装配，如图4 所示。

图4 交通模块部件构成示意图

4.2 水平交通模块

水平交通模块具体包括集成钢木结构框架、吊顶部件、底部楼板部件、围护墙体部件（结构部件）和厨卫集成设备（设备部件）。模块之间可任意组合排列，上下水平（含厨卫）交通模块的以相同模数孔位对接，并且可根据现场尺寸推拉出阳台空间，如图4 所示。集成楼墙板，包括面板层和基板层，水暖电控制盒设置于厨房框架的空腹柱面上，空腹柱内同时集成有绝缘水管和电管的安全控制阀。

4.3 集成木构交通模块装配流程

在进行方案设计和施工组织时需要考虑以下两点：确定电梯和入户阳台增设位置，如梯间式电梯井道布置于楼梯间入口一侧或原建筑阳台一侧，尽可能避开南向阳台，影响室内采光；对钢木电梯井道做初步方案设计后，需要对整体做标准化分块处理。施工人员必须现场实勘，测量施工现场道路的转弯半径，再确定现场吊装和运输车辆的长度及型号。

当集成木构交通模块到达现场后，其装配流程一般包括以下步骤：首先进行主结构模块现场吊装，将工厂内预制完成的交通模块自下往上依次分层装配，采用“结构部件＋电梯设备部件＋结构部件”的模式，如图4 所示，现场仅需将楼板梁柱和墙板梁柱通过螺栓铰接；主体结构吊装完成后，安装电梯轨道：电梯轨道是电梯安装的基础，首先需要按照设计要求和现场情况进行轨道的拼接和校平，然后使用固定螺栓将轨道固定在交通模块井墙上；接下来，需要安装电梯门套和井道设备：这包括电梯门套、门套导轨、限位开关、挡板等。安装过程中需要注意门套和设备的位置和尺寸，以确保其安装位置和井道的大小相符；安装电梯车厢和驱动装置：首先需要安装电梯顶部驱动装置和电缆，然后将电梯轿厢放入井道内，与轨道和门套配合连接；接下来连接电气和控制系统：连接电气和控制系统是电梯安装的重要环节。这包括电缆连接、控制面板的安装和连接、各种传感器和安全装置的安装等。在连接过程中需要注意各项连接是否正确、电缆是否固定牢固等；最后进行调试和测试：安装完电梯各个组件后，需要进行调试和测试。这包括对电梯的控制系统、机械系统、安全系统等进行测试和调试，以确保电梯的正常运行和安全性能符合要求；竣工验收：最后，需要进行交通模块的竣工验收，确认符合相关标准和规范的要求。验收工作包括对电梯的质量、安全性能等进行测试和评估，并出具相应的验收报告。

5 结论

综上所述，集成木构技术在既有多层住宅交通模块增设中具有多种优势，为当下增设电梯交通模块提供了具有可行性的设计和施工解决方案。本文通过调研现阶段电梯交通模块增设的现状发现普遍存在施工效率低周期长、对原建筑结构破坏严重等问题，针对这些问题提出运用集成木构技术的材料、结构和高度工业化的优势来解决。此外，集成模块的构部件可重复使用性高、可塑性强、维护成本更低，可为居民创造更加舒适、安全和健康的居住环境。整体上，我国的既有住宅更新产品尚处于起步阶段，模块化、标准化和智能化是集成产品设计的核心思路，集成木构同时又践行着“绿色低碳”理念。在存量时代城市更新和高度工业化住宅的大趋势下，集成木构技术在既有住宅旧交通模块增设方面具有广阔的前景和重要的一定前瞻性实践意义。