羅宇 程?hào)|偉 LUO Yu，CHENG Dongwei

1同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

2同濟(jì)大學(xué)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，高消耗、高污染、低效率的“粗放”式建造模式將逐步向建筑產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡，具備節(jié)能環(huán)保特征的裝配式建筑是我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的主要載體之一，而模塊化建筑是其中預(yù)制裝配率最高的一種。根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的不同，模塊建筑又可分為全模塊化建筑與復(fù)合結(jié)構(gòu)模塊化建筑，前者為建筑全部由模塊單元組成，后者則是模塊單元與其他結(jié)構(gòu)形式復(fù)合。相比傳統(tǒng)的建造方式，全模塊化建筑具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）速度快：從設(shè)計(jì)到施工多線程作業(yè)，縮短項(xiàng)目周期。相比傳統(tǒng)單線程從設(shè)計(jì)到施工的流程，模塊化建筑在時(shí)間上可節(jié)約高達(dá)50%。這意味著更短的資金周期和更快速的項(xiàng)目回報(bào)，尤其適用于高周轉(zhuǎn)的項(xiàng)目。

（2）質(zhì)量好：整體建筑將由集成化的模塊單元組成，每個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)、圍護(hù)墻體、設(shè)備管線、內(nèi)外裝修都在工廠內(nèi)預(yù)制，施工更精細(xì)化，有限的投入能帶來(lái)更高性能的模塊單元。

（3）綠色環(huán)保：鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑在整個(gè)運(yùn)輸、建造與材料循環(huán)使用等方面比傳統(tǒng)建筑更環(huán)保（圖1）。

多層大學(xué)生公寓單元空間標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可復(fù)制性強(qiáng)，符合模塊化建筑的基本要素特征。單個(gè)宿舍房間可以作為一個(gè)模塊在工廠進(jìn)行精細(xì)化預(yù)制，完成后再運(yùn)輸至場(chǎng)地進(jìn)行拼接。因此，模塊化建筑在學(xué)生宿舍這一類型建筑中有非常廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，國(guó)外陸續(xù)建成大量模塊化宿舍項(xiàng)目，例如新加坡南洋理工大學(xué)學(xué)生宿舍、美國(guó)天普大學(xué)學(xué)生宿舍等，但國(guó)內(nèi)暫時(shí)未見(jiàn)此類項(xiàng)目建成。

中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)舉辦的2018年度“津西杯”全國(guó)高校學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽，試圖探討裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑形式在大學(xué)生公寓上的應(yīng)用前景及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，參賽項(xiàng)目“四方之舍”正是探索多層全模塊化鋼結(jié)構(gòu)學(xué)生宿舍設(shè)計(jì)的一次嘗試。

1 模塊化建筑優(yōu)點(diǎn)

1 模塊化鋼結(jié)構(gòu)宿舍的模塊單元設(shè)計(jì)

首先需要對(duì)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的空間單元進(jìn)行一系列的精細(xì)化設(shè)計(jì)。模塊單元是一種高度集成化的體系，單個(gè)模塊需要在工廠完成全部裝修與管線安裝，以避免在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊內(nèi)的二次裝修，從而將現(xiàn)場(chǎng)安裝量降到最小。

通過(guò)對(duì)理想的學(xué)生宿舍空間的暢想，“四方之舍”預(yù)先設(shè)計(jì)了3類6種基本模塊單元，分別為：居住單元模塊——標(biāo)準(zhǔn)宿舍模塊（無(wú)障礙宿舍模塊）、公共空間模塊——露臺(tái)模塊（服務(wù)用房模塊和架空模塊）、交通空間模塊。同時(shí)綜合考慮功能、模數(shù)、運(yùn)輸?shù)纫蛩?，將基本模塊單元尺寸定為3.3m×9.9m×3.0m，其他衍生模塊均在此基礎(chǔ)上進(jìn)行恰當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。

居住單元模塊：標(biāo)準(zhǔn)宿舍設(shè)計(jì)為雙人間，采用較成熟的平面布置形式，同時(shí)將走廊設(shè)計(jì)在模塊單元內(nèi)部，簡(jiǎn)化模塊的種類。單元內(nèi)結(jié)構(gòu)考慮以角柱支承，單元各面根據(jù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的圍護(hù)墻體。管道井集中設(shè)置在兩個(gè)模塊相鄰部位，便于共用。無(wú)障礙宿舍因?yàn)檩喴蔚拇嬖?，使?biāo)準(zhǔn)宿舍只能改為單人居住。但從人文心理關(guān)懷的角度來(lái)看，將其設(shè)計(jì)為成套雙人間的形式，既可以滿足輪椅尺度，也可將它兼作青年教師公寓。

公共空間模塊：利用露臺(tái)模塊為學(xué)生提供半露天的公共空間。它以涼亭的形式呈現(xiàn)，在模塊內(nèi)設(shè)計(jì)有直跑樓梯，形成某種垂直相連的空間關(guān)系。服務(wù)用房模塊是指在基本模塊的基礎(chǔ)上去掉不必要的內(nèi)部分隔，簡(jiǎn)化為單個(gè)空間，為公共活動(dòng)提供空間載體；而架空模塊則將基本模塊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部去除，僅用鋼結(jié)構(gòu)框架支撐上部模塊，形成一些架空的灰空間，兼作風(fēng)雨連廊等功能（圖2）。

交通空間模塊：主要為樓電梯間模塊，每個(gè)模塊的內(nèi)部都進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，以便于工廠預(yù)制。模塊單元的外立面設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，整體建筑立面效果通過(guò)最大化利用各種模塊本身的立面差異，呈現(xiàn)出豐富的立面效果。

2 模塊化鋼結(jié)構(gòu)宿舍的單元組合設(shè)計(jì)

筆者認(rèn)為全模塊化建筑最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是模塊單元的組合方案設(shè)計(jì)。一方面需要在組合中控制模塊種類，恰到好處地應(yīng)用基本模塊，減少基于基本模塊修改的衍生模塊；同時(shí)又要避免建筑形式的單調(diào)，而通常模塊種類的限制容易導(dǎo)致組合設(shè)計(jì)變?yōu)橐晃兜膯卧獜?fù)制，空間層級(jí)過(guò)于單一。面對(duì)這一難題，筆者受阿爾多·凡·艾克的構(gòu)型原則的啟發(fā)，試圖基于以上模塊單元，將1 500人的宿舍看作一個(gè)微型城市，進(jìn)行一次宿舍“建筑城市化”的嘗試。

2 模塊單元設(shè)計(jì)

3 模塊單元的組織方案

4 總平面圖

5 公共功能與居住功能的相互滲透關(guān)系

6 模塊可持續(xù)性建設(shè)

居住模塊單元的組織是整個(gè)方案的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)大部分學(xué)生宿舍的空間組織多采取內(nèi)廊式，該方式產(chǎn)生的空間層級(jí)過(guò)于單一。通過(guò)對(duì)比研究學(xué)生宿舍各類單元空間的組織方式，決定采用院落式，該模式存在多空間層級(jí)的潛力。通過(guò)將院落建筑旋轉(zhuǎn)45°，居住單元都被調(diào)整至南面，保證每個(gè)宿舍都擁有均好的通風(fēng)采光條件。同時(shí)將每個(gè)院落式宿舍單元角部的居住單元模塊解放出來(lái)，以適應(yīng)靈活的居住人數(shù)要求，也在側(cè)面反映出建筑可動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的特點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)公共空間模塊進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)書(shū)中容納1 500名學(xué)生的要求，院落式宿舍單元共設(shè)計(jì)有4個(gè)。方案將服務(wù)用房模塊組織成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以容納大部分的公共功能。然后用架空模塊將該“環(huán)”架設(shè)在三層的高度，并與4個(gè)院落式宿舍單元緊密聯(lián)結(jié)在一起，形成一個(gè)“五環(huán)”結(jié)構(gòu)（圖3，4）。該結(jié)構(gòu)使得許多與大學(xué)生有關(guān)的公共活動(dòng)直接滲透到了宿舍單元內(nèi)部——通過(guò)在平面與空間上將院落式宿舍單元的角部解放出來(lái)，讓公共空間模塊從這里嵌入到宿舍單元的內(nèi)部，兩類功能形成一個(gè)相互交織的狀態(tài)，既聯(lián)系緊密又相對(duì)獨(dú)立（圖5）。

“五環(huán)”結(jié)構(gòu)的模塊組合方案本質(zhì)上表達(dá)了一種圍繞公共生活空間設(shè)計(jì)個(gè)人生活居室的基本設(shè)想。這種形制下的宿舍建筑就如同一個(gè)“大房子”，中間環(huán)狀空間是房子的客廳、書(shū)房、茶室、健身房等，宿舍的學(xué)生便組成一個(gè)“大家庭”，可以在臥室以外的空間展開(kāi)社交活動(dòng)?！拔瀛h(huán)”結(jié)構(gòu)同時(shí)也是網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本構(gòu)成單元。在該組合模式下，建筑的形式是一個(gè)可持續(xù)變化的狀態(tài)，可以根據(jù)實(shí)際使用人數(shù)進(jìn)行模塊單元的增減來(lái)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，但這一過(guò)程的形式結(jié)果仍能夠保證居室圍繞公共空間這一設(shè)想的相對(duì)完整性（圖6）?！拔瀛h(huán)”結(jié)構(gòu)的模塊單元組合設(shè)計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是空間層級(jí)的豐富性。建筑中包含了圍合庭院、公共功能環(huán)、屋面退臺(tái)等各類公共空間，充分考慮了學(xué)生從室外、半室外再到室內(nèi)的多樣化活動(dòng)的可能。

7 公共功能環(huán)剖面圖

8 公共功能環(huán)鳥(niǎo)瞰圖

9 宿舍單元角部的露臺(tái)模塊

10 宿舍鳥(niǎo)瞰圖

各個(gè)“環(huán)”內(nèi)部的庭院是使用者最主要的室外活動(dòng)空間，也是建筑內(nèi)部自然景觀的載體。服務(wù)用房模塊組成的公共空間環(huán)包含閱覽室、自習(xí)室、茶室、討論室、會(huì)客室、社團(tuán)工作室等多種功能，屋頂則為運(yùn)動(dòng)休閑區(qū)?！碍h(huán)”被架空模塊支撐，位于三層，下面兩層的架空空間則成為學(xué)生的風(fēng)雨走廊與半室外活動(dòng)場(chǎng)所（圖7，8）。

在宿舍單元的角部安放露臺(tái)模塊，形成退臺(tái)式公共涼亭。連續(xù)的樓梯將各層涼亭相連，學(xué)生們可以在此停留、小憩（圖9）。同時(shí)將宿舍單元局部掏空放入架空模塊，形成宿舍單元內(nèi)部的公共陽(yáng)臺(tái)，提高利用率，豐富公共功能空間的層次。

“五環(huán)”結(jié)構(gòu)這一模塊單元的組合方案恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用了基本模塊，在控制模塊種類的同時(shí)，形成了層級(jí)豐富的空間結(jié)果。多種功能空間有組織地混合與交織，使得學(xué)生可以在這里找到各種生活場(chǎng)景，宿舍成為學(xué)生們的一個(gè)“大家庭”，甚至是一座“小城市”（圖10）。

3 模塊化鋼結(jié)構(gòu)宿舍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

11 結(jié)構(gòu)計(jì)算單體

12 波紋鋼板墻

13 宿舍角部連接

14 外墻豎縫連接節(jié)點(diǎn)

15 模塊吊裝方案

模塊單元組合方案完成后，便可進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)整體方案的空間特點(diǎn)，決定采用角柱支撐模塊為主，整體結(jié)構(gòu)為全模塊化的建筑結(jié)構(gòu)體系。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)置了抗震縫將整體結(jié)構(gòu)分割為5類單體（圖11）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在保證梁柱截面經(jīng)濟(jì)合理的前提下，會(huì)存在單體抗側(cè)能力不足的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)一般采用鋼支撐，但會(huì)在一定程度上影響建筑模塊在功能上的靈活性和適應(yīng)性。設(shè)計(jì)中巧妙地在體系中添加波紋鋼板墻作為輔助抗側(cè)力構(gòu)件，波紋鋼板墻一般由波紋鋼板以及兩側(cè)的豎向邊緣構(gòu)件組成，具有截面尺寸小、抗側(cè)剛度大和消能減震好等優(yōu)勢(shì)。將它們布置在模塊中能自然地與圍護(hù)墻體融為一體，同時(shí)不影響空間的靈活適應(yīng)性（圖12）。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一大難點(diǎn)是如何將這些積木般的模塊單元有效、牢固地連接成一個(gè)整體。由于整體的梁柱并不是貫通的，相鄰的模塊需要通過(guò)角部的連接節(jié)點(diǎn)傳遞荷載和協(xié)調(diào)變形，使多個(gè)單元形成整體結(jié)構(gòu)。模塊間連接節(jié)點(diǎn)對(duì)保證最終結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性和適用性起著非常重要的作用。

綜合考慮傳力的可靠性和施工的便捷性，“四方之舍”在模塊間采用梁端蓋板螺栓連接。以宿舍角部連接為例，在梁端和柱端預(yù)先焊有連接件，連接件內(nèi)設(shè)有加勁肋，連接板位于上下連接件之間，通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接。連接板上巧妙地布置有L形抗剪定位雙功能鍵，在施工時(shí)能保證安裝的精度，在服役時(shí)又能起到抵抗剪力的作用（圖13）。同理，為了便于宿舍模塊側(cè)面連接，在長(zhǎng)模塊端部與短模塊中部等部位設(shè)計(jì)了一系列相似的連接節(jié)點(diǎn)。

4 模塊化鋼結(jié)構(gòu)宿舍的圍護(hù)體系設(shè)計(jì)

單個(gè)模塊單元的圍護(hù)體系均可在工廠內(nèi)預(yù)制完成，技術(shù)成熟。但由于建筑整體的建造特性，各個(gè)模塊單元相互獨(dú)立，單元間的圍護(hù)體系呈現(xiàn)雙板雙墻的特點(diǎn)，這樣就會(huì)導(dǎo)致每?jī)蓚€(gè)模塊之間各個(gè)接觸面都有空氣隔層，整個(gè)建筑的縫隙眾多，因此如何滿足防水、防火和密閉性要求是模塊化建筑整體圍護(hù)體系最重要的問(wèn)題。方案充分考慮到模塊建筑圍護(hù)體系這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一系列的密封節(jié)點(diǎn)，以保證模塊間的橫豎縫隙都能有效地密閉（圖14）。此外，在屋頂增設(shè)一層整體輕鋼樓板，以保證屋頂?shù)恼w性。

5 模塊化鋼結(jié)構(gòu)宿舍的吊裝規(guī)劃

設(shè)計(jì)為模塊的吊裝進(jìn)行了施工規(guī)劃。吊裝通常在模塊頂部進(jìn)行，一般有4種方式，分別是單點(diǎn)提升、借助次級(jí)框架提升、借助橫梁提升和借助重型框架提升。單點(diǎn)提升方法施工操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于水平分力較大，且實(shí)際吊裝中容易出現(xiàn)角部應(yīng)力集中，梁可能發(fā)生失穩(wěn)破壞等情況。通過(guò)驗(yàn)算，采用借助框架或一對(duì)橫梁的提升方式相對(duì)會(huì)更為安全（圖15）。

吊裝施工按照減少施工誤差、方便吊裝的原則進(jìn)行規(guī)劃。吊裝亦按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中劃分的5類單體分別同時(shí)進(jìn)行，為由內(nèi)到外兩邊對(duì)稱吊裝，模塊連接均在建筑長(zhǎng)邊方向的外立面完成。連廊部分存在模塊間交接，也是先吊裝中部的長(zhǎng)模塊再吊裝兩邊的短模塊。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合“四方之舍”的設(shè)計(jì)，探討了多層模塊化鋼結(jié)構(gòu)學(xué)生宿舍的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

（1）模塊化學(xué)生宿舍設(shè)計(jì)之初就應(yīng)合理地根據(jù)使用需求和運(yùn)輸條件等因素確定模塊單元的基本平面和尺寸，同時(shí)不應(yīng)忽視公共空間模塊的設(shè)計(jì)。

（2）模塊化建筑的單元組合設(shè)計(jì)應(yīng)避免單一的建筑空間，同時(shí)限制模塊種類來(lái)控制加工成本。案例提出圍繞公共生活空間設(shè)計(jì)個(gè)人生活居室的設(shè)想，探索出“五環(huán)”空間模式，對(duì)于在學(xué)生宿舍類型建筑中化解這一矛盾具有借鑒意義。

（3）對(duì)于全模塊化建筑結(jié)構(gòu)形式，往往因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件沒(méi)有上下貫通帶來(lái)結(jié)構(gòu)抗側(cè)和整體連接的問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)提出可靠的抗側(cè)措施，并設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

（4）全模塊化建筑的圍護(hù)體系存在雙板雙墻特點(diǎn)，需要合理設(shè)計(jì)防水保溫連接節(jié)點(diǎn)，以保證其圍護(hù)體系的基本性能。

（5）模塊單元的吊裝需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，采取合理的方式，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的吊裝規(guī)劃以保證現(xiàn)場(chǎng)安裝效率。

模塊化建筑具有可縮短工期、節(jié)約資源、綠色環(huán)保、品質(zhì)精良等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)對(duì)于建筑的綠色可持續(xù)發(fā)展要求，需進(jìn)行不斷探索與應(yīng)用?！八姆街帷钡脑O(shè)計(jì)為其在多層學(xué)生宿舍這一建筑類型中的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了多層全模塊化學(xué)生宿舍的發(fā)展。