装配式模块化集成房屋在严寒寒冷地区设计研究

2023-12-04张志喜

工程质量 2023年11期

郭震，张志喜

（甘肃省科工建设集团有限公司，甘肃兰州 730300）

0 引言

现阶段，集成房屋作为装配式建筑中工业化、产业化程度最高的一种结构形式，得到了迅速的发展和应用，其不但延续了装配式建筑设计模数化、工厂生产化、施工装配化等优点，而且在此基础上充分体现“集成”的综合化、一体化理念，即将房屋各个组成部分有机的整合为一体，从而实现 1+1＞2 的整体效果［1］。

由于集成房屋设计、建造理念的不同，我国集成房屋的应用主要在临时性建筑、城市办公、民用安置、旅游区休闲别墅、度假屋、公共卫生间、隔离病房等临时性用房。近年来，集成房屋如何能够更好地在高海拔严寒寒冷地区大批量的使用成为研究热点，在对国内外集成房屋研究现状进行总结的基础上，本文提出了一种适用于严寒寒冷地区的装配式模块化应急房屋整体解决方案，为模块化集成房屋在极端环境下的应用提供借鉴。

1 模块化集成房屋的概述及发展现状

在房屋建筑领域中“集成”的概念来源于自动化领域，集成并不只是简单的集合，通过系统的集成，将关联度较低的各个子系统进行有机组合，形成各个部分相互协调、效能整体提高的新系统，因此，一个成功的集成并不是盲目的做加法，而是将最终的系统提高一个层次。装配式模块化集成房屋作为集成后的最终产品，是住宅工业化、专业化、社会协作化的产物，它集成了先进的生产方式、生产材料、设计方案、施工方法，为我们创造了一种全新建造理念和居住模式［2］。

目前，随着装配式模块化集成房屋在我国的一些应急工程中的大量应用，这种建造速度快，安拆方便、舒适环保的房屋越来越受到人们的关注，如 2003 年非典时期的小汤山医院、2008 年汶川地震安置房以及 2020 年举世瞩目的雷神山、火神山医院等。随着我国经济社会的不断发展，装配式模块化房屋将具有广阔的发展空间［3］。

1.1 国外发展现状

欧美、日本等国家由于战后住房问题突出，20 世纪60、70 年代开始研发轻钢模块房，主要用于临时性过度房屋使用，随着技术的不断发展，模块化房屋各组成系统逐渐完善和成熟。随着临时性房屋市场的饱和，各公司推出了模块房屋租赁的经营模式，其中典型代表为 Algeco 公司，作为欧洲最大的模块化房屋生产企业，每年售出和租赁模块房屋数量为 30 万个左右。现阶段，箱式集成房屋主要应用于城市建设、应急设施、临时居住建筑、商业建筑等领域。与国内不同的是，欧洲模块化集成房屋用于工程施工临时性使用仅占到总数的 30 %，更多被应用于民用住宅、学校和商业建筑。

同样，美国在集成房屋的发展也逐步成熟，日趋完善，进入 21 世纪，美国主要推广在郊区采用低层木结构形式，推出标准户型和个性化需求设计服务，受到了美国民众普遍的青睐，但由于木材的大量消耗，造成了严重的环境问题，美国的工程设计师们又着力研发出钢结构集成房屋和模块化装配式房屋，这两种结构形式的使用率正在逐年提高，据统计，美国每 16 个人中就有 1 人居住模块化集成房屋，集成技术体系不断发展成熟，极大地提高了住宅质量和舒适度。

1.2 国内发展现状

我国建筑行业工业化推广较为缓慢，20 世纪末由国内多家大型企业发起成立了住宅产业集团联盟，虽然取得了些成绩，但生产效率和科技水平依旧较低。近年来，我国经济发展高速稳定，近两年建设行业经济增长有所放缓，但整个国内建筑市场依旧活跃，且体量巨大。2000 年以前国内市场主要采用 K 型房屋作为主要的临时性房屋建筑，通过科技研发和技术进步逐步形成了轻钢集成模块房屋建筑，但由于当时社会经济条件和市场规模等原因应用数量较少。从 2013 年开始，包括中建集团在内的一大批大型建筑集团企业开始大批量地生产应用箱式集成房屋，市场规模逐渐扩大，且广泛应用于其他各领域，例如从 2020 年开始大肆蔓延的新冠病毒，模块化集成房屋以其施工安拆速度快，功能集成度高，大量应用于临时应急处置用房当中。目前，我国模块化集成房屋在工程建设领域的使用量可以达到总数的 80 % 左右，模块化集成房屋在其他领域的批量使用也在不断地尝试和探索。

2 装配式模块化集成房屋的特点及存在问题

装配式模块化集成房屋采用模块化的设计理念和生产方式，将单元模块箱房拆解成若干零部件，如顶框、底框、角柱、顶板、底板、墙板等，运至现场后组装成箱房单元，再通过吊装拼接成为建筑整体，如图1所示。钢框架结构具有梁、柱、板等构件易于标准化、定型化生产的优点，便于结构的整体装配，为工厂化生产制作提供了有利的条件。

图1 装配式集成房屋部件拆分

装配式模块化集成房屋具有以下特点。

1）标准制造。装配式模块化集成房屋采用“搭积木”的建造方式，即部品部件均采用模块化设计、标准化生产，运至现场组装或吊装落位即可，建造方式的巨大变革为乡村、城镇的发展提供了新的思路和契机，助力我国工业化、智能化发展。

2）拆运方便。装配式模块化集成房屋采用全干式连接，并且由于结构特性，通常为单层或多层，建设周期短，安装速度快。国外发达地区家用的集装箱房，一般在工厂就已经将房屋的各类设施预制完成，运送至指定位置，吊运落位后即可投入使用，也可根据甲方实际需求，灵活组装、拼接使用单元（见图1）；待房屋需要转移至其他地点时，只需将模块单元拆解成标准构件，装车运送到指定地点安装即可。

3）节能环保。装配式模块化集成房屋的建设较比相同面积的传统房屋，可节省一定的钢材、混凝土和木材的消耗，并且建造过程全程工厂化，对大气环境的污染较小，单个箱房可减少二氧化碳排放 3.49 t［4，5］，大力发展装配式模块化集成房屋与国家倡导的低碳环保发展政策不谋而合。

随着我国模块化集成房屋工业化生产技术的快速发展，工业生产能力与市场消费能力还不能有效地匹配，箱式房屋即将迎来产能过剩时代。但我国对于集成模块化房屋的技术标准较为缺乏，市场监管机制还不够完善，导致集成模块化房屋行业门槛、技术门槛和生产门槛相对较低，大量小工厂涌现，造成市场上产品良莠不齐，大量产品质量达不到实际使用要求，同时存在着安全方面的隐患。

3 集成房屋在严寒寒冷地区的设计应用

目前，装配式模块化集成房屋在高海拔严寒地区的应用已然成为此领域的下一个研究开发热点，由于高海拔严寒地区温度极低，气候复杂、空气稀薄、昼夜温差大等特点，集成房屋的拆卸、移动方便、功能集成、节能环保的优点可最大程度地发挥，以满足各类正常生活条件，如住宿、卫浴、电力、热源、饮食、垃圾处理等，设计思路如图2 所示。

图2 本解决方法总体设计思路

3.1 房屋布局

利用装配式模块化集成房屋多接口、可定制的特点，与已有模块或新建模块进行连接组合，实现多功能的集成。标准模块单排布置；多功能室及卫生间设置在两端，起到一定的保温隔热作用；盥洗室相邻卫生间设置，方便水源连接供给；宿舍外部设置玻璃走廊，起到保温隔热作用，同时可有效避免开关门的热损失，玻璃暖廊设置门 M3，平时关闭，用于紧急疏散，整体场地布置如图3 所示。热源则单独设置，与单排布置的集成房屋隔开一段的距离，防止火灾的发生。

图3 整体场地布置图

高寒、高海拔地区所使用的应急房屋整体布置坐北朝南，实现全天最大采光时间，发电机组及垃圾间与生活区保持一定的距离，避免噪声和垃圾对生活区的影响，便于发电机组定期维护和保养，同时，集中垃圾处理间的设置，大大增加了场地垃圾处理能力，有助于居住环境的整洁卫生。应急房屋内可布置 6 张附墙式床位（3 层或 2 层），床具通过现场组装，固定在墙柱上，安拆方便，节省空间，桌子、座椅等可采用折叠式家具，方便收纳；多功能活动室内可安装电视或投影，便于党建活动或其他活动安排；卫生间采用干湿分离型蹲便器，通过固液分离器在源头将大小便进行分离，并经加热烘干，使粪便变为水蒸气和少量固体粉末，只需专人定期清理烘干残渣，卫生环保、易于管理。

3.2 运输方式

装配式模块化集成房屋可拆分为部品部件，通过打包箱和集运箱进行运输。集成打包箱由箱底、箱顶、立柱、挡板组成，集成模块化房屋的其他构件如墙板、门窗、辅料等存放于形成的空间内。集运箱是由多个打包箱盒子组成，尺寸规格需符合相关运输要求，一般来说由 3 个或 4 个打包箱盒组合成为一个集运箱，相邻两个打包箱盒要连接可靠，满足整体吊运安全性要求，支持陆运、海运乃至空运，适用于运输数量大，距离远，施工场地复杂的工程。集成模块化房屋也可整体运输，适用于工期紧，运输距离近，模块化集成房屋需求量少的情况。

3.3 电源、热源

1）电源。电源可采用燃油电车或太阳能板，亦可使用现场已有电源与相应模块接入。表1 为不同型号燃油电车的功率，按照额定功率 300 kW 计算，油耗率为 210 g/kWh，供电 8 h 油耗为 504 kg/d。5～8 t 柴油运输车可满足应急房屋 10 d 的用电需求。

表1 不同型号燃油电车的功率

太阳能光伏板 1 kW 组件（10 m2）有效日照 6 h，不考虑损耗，1 d 发 6 度电；单体屋顶可排布两组组件，发电量约为 12 度；配置控制器，逆变器及蓄电池组，可满足应急房屋日常用电需求。

2）热源。热源采用清洁热源站，采用电力驱动压缩机，使 CO2制冷剂从空气中取热，一度电产生三度电的热量，用热水循环加热的方式供暖，清洁无污染。适用于场地固定、现场电力充足的高寒、高海拔地区。单个清洁热源模块电力负荷不超过 25 kW，可解决 20 个 18 m2的应急房屋供暖，热水系统循环，供热舒适度高，最高出水温度可达 75 ℃。