新西兰钢结构模块化公寓设计及案例解析

李任戈 乔永强 李志禹 温庆年

中建科工集团有限公司 广东 深圳 518040

钢结构模块化建筑是一种新兴的建筑结构体系，具有较高的装配化与预制化程度，同建筑行业的工业化及绿色发展要求相符。传统的建筑业施工周期长、能耗大、建筑垃圾较多，有待改革，建筑工业化发展势在必行。当前，工业化建筑主要有预制混凝体结构、钢结构等结构形式，其中，钢结构体系抗震性能良好，材料循环使用率较高，且空间布置灵活，其应用范围正在不断拓展[1-2]。比起传统的建造方式，钢结构模块化建筑有着建造速度快、质量好、绿色环保等优势。本文简述钢结构住宅与模块化设计的基本概述，探讨钢结构住宅中模块化设计的具体应用思路，以期为钢结构模块化住宅的设计提供一定的参考，进一步提升钢结构模块化住宅的大众认可度。

1 模块化设计的基本概述

1.1 模块化设计的概念

模块化设计是一种着眼于建筑系统整体，对功能进行分解和组合、由总而细且自上而下的设计。模块化设计能够借助一系列的标准化设计，让建筑系统整体变得更为灵活、有序，有助于提高住宅品质[3-4]。装配式住宅有着漫长的发展历史，形成SAR体系、中国百年住宅体系等多种住宅体系，这些住宅体系中都蕴含着明显的模块化思想。例如，中国百年住宅体系是一种将全生命周期理念为基础，以建造可持续居住的人居环境为目标的一套住宅体系。该住宅体系能够有效提高住宅的整体价值，可推动建设产业化、绿色低碳化、建筑长寿化的实现。建设产业化的核心在于发展装配式住宅，利用科学的管理与系统的设计来落实，想要实现该目标，需始终坚持贯彻落实模块化思想[5]。建筑的长寿性受许多因素影响，需注重提高主体耐久性，内装会因人们的需求转变、时间推移等原因而发生变化，想要提升主体耐久性应积极研究住宅单一部品，从而提高部品性能，发挥出部品的可替代性，完成住宅的灵活多变。针对通用化部品，相关人员也可通过模块化手法对其进行拆分研究，以便实现使用目标。

1.2 模块化建筑思想解析

20世纪50年代，欧美发达国家提出模块化设计这一产品设计方法，该方法能够有效缓解产品需求多样化、成本控制及批量生产速度间的矛盾。随着时间的推移，模块化设计逐渐朝着方法论的方向发展，并对建筑、经济等领域形成了一定的影响[6,7]。人们普遍认为，模块化是一个把复杂系统拆分为独立运行的子系统的一个过程，在遵守共同规则的前提下，各个模块能够独立设计。我国的专家学者童时则认为：模块化是一种思维，通过对系统的特征、规律进行分析，采用分析和综合、归纳和演绎、抽象和具体等逻辑方法，使其标准化、规范化、有序化。模块化设计有着广阔的发展前景，现代社会为追求标准与效率，越发注重标准化建造与工业化生产，模块化设计时常被用于建筑行业。模块化建筑设计的重点在于通过标准的建筑模块单元，借助多元化的组合方式满足各类使用需求。模块化设计有着弹性可拓性、功能灵活性的特点，能够适应建筑设计本质，符合建筑应变发展潮流。对于建筑，模块化设计能够从功能、结构、空间等属性方面对其实施层级化分类，利用特定的组合方式组建为一个有机成体，通过组合不同的模块完成建筑系统的进化和升级，可有效增强建筑的环境属性及功能属性，具有重要意义。

2 模块化建筑与传统建筑的区别

随着经济结构的转型，高消耗、低效率、高污染的传统粗放式建造模式正在朝着建筑产业化的方向发展[8-9]。模块化建筑具有明显的节能环保特征，是建筑产业化进程中的重要载体。按照结构体系，模块化建筑可被划分为全模块化建筑和复合结构模块化建筑。其中，全模块化建筑全部是由模块单元组合而成，复合结构模块建筑是模块单元同其他结构形式复合而成。模块化建筑所具有的优势大致可归纳为以下三点：其一，速度快。模块化建筑从设计到施工开展多线程作业，能够极大程度缩短项目周期。比起传统的从设计到施工的单线程流程，模块化建筑的施工效率明显更高。更快的施工效率意味着更短的资金周期与更为快速的项目回报，故而模块化建筑十分适合高周转的项目。其二，质量好。模块化建筑的整体建筑均由集成化的模块单元构成，所有模块的结构、设备管线等均于工厂中进行预制，能够进行更为精细化的施工，投资者可通过有效的投入获取性能更高的模块单元。其三，绿色环保。比起传统建筑，模块化建筑在运输、材料循环使用等方面都更为环保。

当前，模块化建筑在技术层面已然非常接近传统混凝土住宅，但建造成本相对更高。但相关人员在评价模块化建筑的经济性时不应当仅仅考虑建造成本，可从全生命周期角度考量，模块化建筑在建筑材料回收利用等方面有着十分明显的价格优势。现如今，模块化建筑未能得到大规模的普及，分析其原因，除技术原因外，还在于公众对于模块化建筑的认知程度较低，模块化建筑受到的社会认可较低。当前，模块化建筑也存在一些不足。模块化建筑由模块单元组合而成，若是单一模块的细节处理较为粗糙，将会影响到建筑的质量。比如，如果发生内外梁柱裸露的现象，既影响内装与人们的视觉生理感受，又干扰到室内空间的使用率。又比如，若是在拼装的过程中发生接缝处理不够到位、管线布置较为随意等情况，同样会形成不良影响。此种现象出现的原因在于许多模块化建筑项目尚处于前期摸索阶段，需要积累经验，相关人员应当积极开展标准化设计、建筑模块等方面的相关研究，使得模块化建筑的设计方法变得更为多元化。模块化建筑的发展体现了工业化住宅技术正在向着更为精细化与完善的方向前进与发展，相关人员需在掌握结构与构造后对细节部分进行更为缜密细致的处理，积极探索模块化建筑的设计方案，促使模块化设计理念不断进步，模块化建筑不断发展，以推动建筑行业的变革步伐。

3 模块化设计在钢结构住宅中的具体应用

3.1 灵活的大空间技术

传统的住宅存在户内剪力墙，管井管线设施直接入户，加大了改造与维修的难度，想要进行二次装修也面临着较大的困难，无法因人们的需求变化而及时做出应变，难以实现建筑的长寿化[10]。钢结构可有效避免上述弊端，整个建筑的构成采用模块化设计方法，由套型模块与公共交通模块组成住栋单元，相关人员可按照市场的需求变化来选择套型的组合[11]。钢结构住宅将管井管线等设施集中设计于公共空间内，便于出现问题时能够及时进行管理维修。在钢结构住宅的套型模块中，除卫浴、厨房等独立模块，其余空间运用轻钢龙骨隔墙，或是从使用功能的角度出发，或是由住户家庭结构出发进行分割，可有效保证分割的灵活性。

3.2 整体厨卫

在钢结构住宅的户型设计中，厨卫既是不可或缺的功能区，也是管线集中的重点区域，具有位置固定、使用频率高等特点。因厨卫区域的空间设计关系到上下水与排污，常常会进行降板处理，布置着较为密集的管线，优先选取靠近入口处的位置，方便使用公共管井，也可同生活区进行结合，借助生活阳台进行管线检修[12-13]。除此之外，厨卫规格应当尽可能统一，以便于内装工业化建造的实现。对厨卫开展模块化处理，能够有效解决部分细节处理粗糙的不足之处，提升住户的居住品质，有利于提高住户的生活质量。

3.3 模数协调的应用

模数是模块化策略的落实基础，贯彻于建筑设计始终。装配式钢结构住宅运用了模数协调技术和标准模块系统，能够组合由80m2至160m2的各类住宅建筑的立面与平面，通常选取以M为基本模数，1M为300mm。于水平扩大模数数列方面选取1/2M、1M、2M、4M、5M与10M，运用范围包括开间、进深；门窗、洞口等。于竖向扩大模数数列方面选取1M、1/2M、1/3M，运用范围包括层高、洞口与门窗。于节点构造与构配件截面方面选取1/30M。在建立模数数列后，只需生产基本模块形成所需的部分异形板与标准版，便可满足不同类型的居住要求，进而发展成标准化设计，并可成为工厂化生产的重要基础。

4 项目概况

本文以新西兰当地开发企业Dialog Fitzroy Limited推进模块化住宅项目Dixon Street为例，分析新西兰地区钢结构模块化公寓的设计要点。该项目是基于装配式理念专门研发的模块化产品，严格遵守当地的建筑规范和抗震设计要求，其研发目的在于期望通过现代建筑方法来实现开发高质量的经济适用房和公寓，比传统建筑更快、更高效的交付。104 Dixon Street是Dialog Fitzroy Limited模块化住宅的首个项目，位于新西兰首都惠灵顿，地块购置于2018年，该项目计划开发46个1居室公寓和临街一层的商业单元组，综合公寓将以开发商名义出售给投资者和首次购房者。

5 新西兰钢结构模块化公寓的设计方案

5.1 模块化总体布局

104 Dixon Street项目由两栋楼组成，临街为4层楼体，内侧为8层楼体。临街地面层为商业模块和休闲模块，2-4层为公寓模块，每层设有2个带阳台的住宿单元。内侧一栋均为公寓模块，每层设有5个住宿单元。商业模块靠近休闲模块，公寓模块占比最重，各功能模块既具有关联性，又具有相对独立性，最终形成了完整且合理的住宅体系。临街地面层最接近道路，易被噪音干扰，不适合设计为公寓模块，但作为商业模块与休闲模块具有明显的优势。该公寓的设计方案以模块化布局适应用地条件，建筑群体内外畅通，模块组合错落有致，空间结构虚实相间，有效保证了建筑的通风与采光的优越性。在104 Dixon Street项目中，公寓模块是设计方案的基础与重点，每层设有带阳台的住宿单元，保证公寓内能够拥有良好的通风采光条件。

5.2 模块化功能组织

104 Dixon Street项目住宿单元由两个箱体拼接组成，单个箱体尺寸（长*宽*高）：8000*3250*3145mm。左侧箱体为厨房客厅间，右侧箱体为住宿间，如下图所示。该公寓的居住单元模块采用比较成熟的平面布置形式，对模块种类进行检查，同时将管道集中设置于两个模块的相邻部位，有利于共用。该公寓的单元空间标准化程度较高，有着很强的可复制性，同模块化建筑的基本要素特征相符[14]。每一个箱体都能够在工厂中进行精细化预制，而后拼接为一个住宿单元。该公寓建筑属于钢结构住宅，不被室内空间柱梁体系所限制，空间布局灵活性较高。混凝土公寓被户内剪力墙所影响，通常而言无法改变户型，但本项目的公寓内并无承重剪力墙体，居住者能够自行确定内部空间的分隔，隔墙所运用的轻质隔板想要拆卸也较为方便，无需耗费大量的时间与精力。

图1 104 Dixon Street项目住宿单元示意图

6 结语

钢结构住宅的设计需要模块化的设计思想，此类住宅借助对单元式标准模块的设计、制造与组装，完成住宅建设的标准化设计、生产与施工，填充体和结构体的分离。将单元模块当作基础，利用基本模块的组合形成住户单元，进而组合为单栋建筑完成预制装配式住宅。多元化的单元组合方式能够形成个性化的功能分区，且模块化的分割方式可有效适应不同业主的实际需求，还可为匹配建筑内装提供便利。模块化设计对于钢结构住宅的空间灵活布局与标准化生产有着十分重要的意义。钢结构模块化建筑具有工期短、绿色环保、质量优良等优点，应用前景广阔。