“结构单元”成就“空间单元”——装配式混合结构体系创造高层住宅套型的可变性

李少锋 丁茂华

阐述“空间单元=结构单元”概念，基于我国高层住宅建筑结构和套型设计现状，分析钢筋混凝土剪力墙结构、钢-混凝土混合结构、装配式混合结构特点，并结合具体案例，采用装配式混合结构体系实现高层住宅套型在生命周期内的可变性。

高层住宅；住宅套型；可变性；装配式；混合结构

1 “空间单元=结构单元”概念

“空间单元=结构单元”是20世纪美国著名建筑师路易斯·康在早期代表作耶鲁大学艺术馆中，开始展现并逐步走向成熟的空间设计概念。在随后一系列作品中，路易斯·康将柱和承重墙等构件从空间中整合并分离出来形成“结构单元”。该单元既发挥了结构作用，又起到划分建筑空间的作用。除“结构单元”外的单元均为“空间单元”，“空间单元”里不再有结构构件，故得到完整自由的建筑空间。在此基础上，路易斯·康将楼梯、卫生间等辅助功能及设备管线整合至“结构单元”中，所有为建筑空间服务的内容均可被整合至“结构单元”中以保证“空间单元”中空间的纯净、自由和完整。由“结构单元”容纳服务功能形成服务空间，将被服务的“空间单元”解放形成被服务空间，即“服务空间与被服务空间”设计理论。在该理论走向成熟阶段，路易斯·康开始追求“空间单元”的统一，即以“结构单元”（服务空间）为中心，围绕其布局“空间单元”（被服务空间），形成整体。

2 我国高层住宅建筑结构和套型设计现状

1）住宅市场 随着生活水平不断提高，人们对于住房的需求已逐步从“有没有”转向“好不好”，居住条件与空间品质成为房屋的重要评价标准。其中，居住者对住宅空间布局多样化、可变性的需求与日俱增，该需求与大部分建成后就已基本固定的具体套型之间的矛盾日益凸显。

2）行业标准 2012年5月18日，中国房地产业协会和日本日中建筑住宅产业协会共同签署了《中日住宅示范项目建设合作意向书》，提出以建筑产业化的生产方式建设“中国百年住宅”新型产品，其具有长寿化、高品质、低能耗特点，并委托设计单位进行技术研发和标准制定。“百年住宅”对长寿化提出了除物理寿命外的适应性层面的寿命延长要求，考虑建筑的使用功能是否能在住宅主体结构不变的前提下满足多样化家庭结构与生活方式的需求，套型空间是否具有灵活可变性，并提出了新的判断标准。

以“空间单元=结构单元”概念指导建筑设计，实现高层住宅套型在生命周期内的可变性，梳理整合并分离套型中的“结构单元”，将套型中必要的服务功能部分（包括竖向结构构件、永久性围护结构、设备管线等）装配安置在此类单元中，因其相对固定不可变，故在套型中占用面积较小。同时，留出空白且占套型较大面积和尺寸的“空间单元”作为套型中相对自由完整的大空间，其内部无柱无墙且无竖向管线设备。围绕自由完整的“空间单元”布局“结构单元”，可根据不同住户的需求通过装修改变布局得到不同的套型空间；根据相同住户在不同阶段的需求变化，通过二次装修改造套型空间，装配重组并升级设备，进而实现住宅套型在生命周期内的可变性。

3 我国高层住宅建筑结构

3.1 钢筋混凝土剪力墙结构

钢筋混凝土剪力墙结构体系因具有较好的耐久性、适宜的造价及成熟的技术，成为近年来高层住宅最普遍采用的建筑结构形式。同时其空间灵活性较差、工业化程度较低、施工周期较长等缺点愈发明显，特别是钢筋混凝土剪力墙结构构件导致套型格局难以被打破。在节能降耗方面，混凝土无法满足目前“双碳”的时代要求，应减少利用砂石等不可再生资源，而混凝土形成的建筑垃圾也极难处理，应有计划地降低其在建筑结构中的使用，寻找替代方案。

3.2 钢-混凝土混合结构

由钢构件或组合构件与钢筋混凝土构件共同组成的结构体系被称为钢-混凝土混合结构体系，为近年来在我国快速发展起来的高层建筑结构体系，包括钢框架-混凝土剪力墙（芯筒）、钢筋混凝土筒体-钢梁、组合框架-支撑等结构体系。混合结构通过不同材料构件或结构的混合使用，最大化发挥混凝土材料抗压性能优良、刚度大、成本低廉、钢型材重量轻、施工速度快、抗拉强度高等优点。此种混合结构相较全钢结构具有节省型钢与节点用料、简化防火处理、降低施工难度和工程造价等优点，相较混凝土结构具有减轻结构自重、降低基础造价、施工速度快和减少现场湿作业等优点。

3.3 装配式混合结构

钢-混凝土混合结构体系被住房和城乡建设部列为推广应用新技术，近年来在我国高层、超高层公共建筑领域得到较广泛应用，在住宅建筑中应用较少。基于结构特性，装配式混合结构体系的标准化集成设计既具有上述结构的优点，又可实现高层住宅套型的可变性。

4 实现套型可变性的具体措施

在混合结构高层住宅建筑体系的平面布局中，柱网布置宜以住宅单元或套型为单位实现模块化，以卧室、起居室最小开间尺寸为模数确定总开间尺寸，厨卫结合管线一体化集成设计。同时要考虑承重骨架、楼屋盖、围护结构及设备管线的优化选型，适应住宅个性化、多样化和可变性等需要。采用钢-混凝土组合框架-约束屈曲支撑（BRB）结构体系，即由钢管混凝土柱+H型/箱型钢梁+约束屈曲支撑（BRB）构成的结构体系。钢管混凝土柱采用方形（矩形）截面有利于“结构单元”的集成，约束屈曲支撑（BRB）可布置于“服务空间”（包括卫生间、厨房间、楼梯间、电梯间等）的隔墙及分户墙中，作为结构的主要抗侧力构件。

为提高得房率并获得灵活的室内空间，可采用7～9m大开间，在减少框架柱的同时，将框架柱和约束屈曲支撑（BRB）结合，对机电管井进行封闭，避免室内露梁露柱。将框架柱向室外凸出布置，结合建筑立面适当处理可有效避免室内露柱。预应力叠合楼板适用于7～9m跨度，且经济性较好。楼盖采用现浇钢筋混凝土楼板、压型钢板组合楼板、钢筋桁架楼承板等形式，起到承担竖向荷载、传递水平荷载的作用，且满足隔声性能及在楼板集成布置管线的要求。

采用焊钉等剪力件将压型钢板和钢梁进行连接，在浇注混凝土时用作模板，混凝土成型后可参与受力，极大方便了施工，节省了工期，宜在装配化施工的钢结构、混合结构中使用，因其整体性能好，还可在高层钢结构、混合结构住宅中使用。此外，在相同梁格布置条件下，总厚度与现浇混凝土楼板相当，但混凝土的平均厚度约为现浇钢筋混凝土楼板的80%，楼板自重较轻，减轻了主体结构竖向荷载和地震反应。开口型压型钢板相较闭口型压型钢板用钢量少，但闭口型压型钢板形式更便于进行住宅内部的吊顶装修。

竖向结构构件与“服务空间”的功能紧密结合，并将该空间中的管线设备进行模块化集成，形成“结构单元”。大跨度的柱网、装配式楼板及向室外凸出的钢架柱均保证了“空间单元”内空间的完整性。在此种套型中，除相对固定的“结构单元”外，其他“空间单元”内的大空间可采用轻质隔墙灵活划分各功能房间，通过对填充体的灵活调整，得出房间数量不同的多种套型，以适应不同家庭及同一家庭的不同阶段对内部空间的需求，实现住宅套型在生命周期内的可变性。以某装配式混合结构高层住宅为例，共包括3种套型：①1对夫妻与父母同住；②1对夫妻与父母及2名子女同住；③既满足居住功能又满足居家办公需求（见图1～4）。

1 A套型（图片来源：刘一帆）

2 B套型（图片来源：刘一帆）

3 C套型（图片来源：刘一帆）

4 结构平面（图片来源：刘一帆）

套型内各部品部件因使用频率、自身材料不同，耐久年限也各不相同。装配式混合结构住宅采用管线分离的方式，将管线集成在“结构单元”中，通过设置检修口和清洁口对管线进行日常维护、增加使用寿命，维修更新不会对建筑结构造成影响甚至破坏，进而使维修费用降低，改造更为便捷，可做到随坏随修，随改随换，且增建改建难度降低，整体适应性更强。

5 绿色环保

相较传统剪力墙结构，装配式混合结构住宅生命周期结束时构件的回收率具有明显优势。通用化体系下预制通用部件部品的适用范围得到极大扩展，集中回收经由专业厂家处理后的部件部品可快捷、经济地投入下一轮建设。将部件部品的生命周期与建筑生命周期分离，客观上延长了部件部品的使用寿命，有利于实现“四节一环保”的发展目标。

6 结语

以“空间单元=结构单元”概念指导建筑设计，基于我国高层住宅建筑结构和套型设计现状，分析钢筋混凝土剪力墙结构、钢-混凝土混合结构、装配式混合结构特点，并结合具体案例，采用装配式混合结构体系实现高层住宅套型在生命周期内的可变性。