張娟，朱慶玲，萬文杰

（1.北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144 2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082）

我們將模塊單元作為具有獨立功能空間的建造體，去除繁復(fù)的內(nèi)部空間組合與流線，以單體或多個模塊單元體之間的有機結(jié)合，構(gòu)成簡潔而靈活的形態(tài)，滿足使用者對建筑功能的本質(zhì)需要。

在節(jié)能、節(jié)材、低碳環(huán)保的可持續(xù)設(shè)計理念下，一方面，解決不同類型居住建筑功能空間的不完全使用問題；另一方面，深入分析模塊單元體及其構(gòu)件，在不同建造條件下的組裝、拆解及循環(huán)再利用的可行性與可操作性。提出模塊單元體在居住建筑中的適應(yīng)性應(yīng)用策略。

1 模塊單元體基本尺寸及構(gòu)造

模塊單元的結(jié)構(gòu)體系主要包括無骨架體系和骨架體系兩種類型。目前，由柱、梁、龍骨、面材組件等預(yù)制構(gòu)件組成的骨架體系模塊單元應(yīng)用最為廣泛，也是本研究采用的單體構(gòu)造形態(tài)（圖1）。

圖1 模塊單元基本構(gòu)造示意圖

對于模塊單元的單體尺度確定，我們是以住宅建筑房間尺寸為基本參照，充分考慮空間使用、構(gòu)造特征、拆裝運輸及標(biāo)準(zhǔn)化等因素。以600mm為模數(shù)，形成3m和4.5m二種基本尺寸的模塊單元體。并通過對框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)設(shè)螺栓孔的方式，靈活調(diào)節(jié)屋面、樓地板等高度，以適應(yīng)不同建造條件，豐富建筑立面形態(tài)（圖 2）。

圖2 可調(diào)節(jié)單元體的構(gòu)造設(shè)計

在材料選擇方面，充分考慮建筑用途及使用環(huán)境等因素。如在北方地區(qū)，維護(hù)構(gòu)件多采用保溫、堅固的厚墻板材；南方地區(qū)則以柵欄的墻體結(jié)構(gòu)為宜，選用透氣性、防潮性材料。隨著技術(shù)的發(fā)展，更多新型材料如納米材料、智能環(huán)境反饋材料等也可選擇，賦予模塊單元體更強的生態(tài)性與智慧性。

2 模塊單元體在建筑中的組構(gòu)方式

模塊體作為基本建造單元，所形成的空間圍合是相對的，根據(jù)所承載的功能不同，其空間限定要素及其圍合形態(tài)具有較大差異性。

圖3 單元體間組合方式示意圖

除以單體形式獨立構(gòu)成功能空間外，亦可以一定方式進(jìn)行多個模塊單元體的組合連接，形成一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于安裝、拆卸、及重組再用的建造體系。滿足不同建筑功能、類型、規(guī)模及空間形態(tài)的要求。其主要組合方式包括串聯(lián)式、疊加式、重疊式、相交式、并聯(lián)式、錯位式、對角式、直立式、站立式等，如圖3所示。

在組合運用中，由于模塊單體可自成結(jié)構(gòu)體系，因此連接中力學(xué)約束較小。連接設(shè)計中，可將模塊單元體頂端設(shè)置有20cm的凹槽，既可作為具有蓄水作用的屋頂，亦可在多個單元體連接組構(gòu)中，提供模塊體間不同方向的咬合構(gòu)造。對于疊加層數(shù)過高、力學(xué)特性較復(fù)雜情況，可通過加建主體結(jié)構(gòu)，與之相結(jié)合的方式，形成輔助支撐。

3 模塊單元體在居住建筑中的可持續(xù)設(shè)計應(yīng)用

基于資源節(jié)約理念的模塊單元建筑可持續(xù)設(shè)計，將充分考慮自身所具有的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)揮建造體系及其材料的易循環(huán)、可循環(huán)利用性。分別將裝配式模塊單元，應(yīng)用于新建住宅、既有塔式住宅建筑空間置換、及傳統(tǒng)民宅改造等三種典型居住建筑可持續(xù)設(shè)計中，探討其適應(yīng)性應(yīng)用策略。

3.1 “城市共生”理念下的居住建筑設(shè)計

將項目用地選取在北京城市中心CBD中心區(qū)域，嘗試一種新的建造模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑理念，改善CBD經(jīng)濟(jì)區(qū)“白天無比繁華，夜晚無人問津”的現(xiàn)狀。

首先，設(shè)置一個以9×9m為框架基本尺度的梁柱體系，每個9m見方框架中可容納多組3m×3m的模塊單元，構(gòu)成建筑居住空間和交通空間，并以遞減方式形成逐層退臺的交錯形態(tài)（圖4）。

圖4 模塊單元建筑的組構(gòu)與生成示意圖

根據(jù)具體使用需求，在建筑整體框架中，以模數(shù)化組構(gòu)原理進(jìn)行各種相應(yīng)的組構(gòu)搭接，形成適于不同家庭結(jié)構(gòu)的使用空間，如圖5。在3m×3m模塊組構(gòu)中，對于一些不可避免的無法直接采光空間，可與其它可采光模塊空間相結(jié)合，構(gòu)成大空間。

在建筑體系中，模塊單元的數(shù)量及組構(gòu)方式是不固定的，它可根據(jù)人們對空間的需求進(jìn)行有機生成，形成靈活的建筑形態(tài)。如同人類骨骼一樣，成為一個生長中的有機建筑體，而不需要大量的拆毀再建。其層層疊落的組構(gòu)豐富了空間層次，也為建筑提供了多角度的陽光照射。

圖5 3×3M的平面組合示意圖

3.2 既有塔式住宅建筑中的空間介入與重組

塔式住宅是我國90年代盛行的一種高層住宅建筑模式，隨著人們生活方式及居住模式的改變，原有建筑空間在不同程度上已無法適應(yīng)新的使用需要。例如，在大城市高房價壓力下，外賣點餐的優(yōu)勢，使得人們對廚房依賴變得更??；而對于上班族來說，平均每天住宅建筑的使用率不超過50%。

圖6 模塊單元置入傳統(tǒng)塔樓建筑前后的空間對比

為此，嘗試在保留原建筑剪力墻等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件基礎(chǔ)上，引入模塊空間概念。去掉原建筑部分分戶墻，保留所有臥室及部分廚房、衛(wèi)生間等輔助功能空間。將起居空間等可公共使用空間進(jìn)行合并，形成具有開放屬性的更大空間（圖6）。

為更好滿足建筑空間的適應(yīng)性與靈活性需要，可采用在樓板上加設(shè)焊接移動軌道的方式。將以2個3×3m的模塊，組合為一個可在軌道上隨意移動的私密性空間單元體。模塊單元未到達(dá)的部分可作為公共空間，或賦予特定功能（圖7）。

圖7 模塊單元在新建塔樓設(shè)計平面圖

以上兩種做法，均可在不破壞住宅建筑所必備的私密性前提下，形成良好鄰里交流環(huán)境，同時解決現(xiàn)代生活方式中，部分功能空間不完全使用問題，增強空間使用的高效性。

3.3 傳統(tǒng)村落民宅建筑低碳改造中的應(yīng)用

以北京市大興區(qū)泰迪低碳小鎮(zhèn)改造設(shè)計為例，探討裝配式模塊在民宅改造中的適應(yīng)性利用。首先，在基本保留原院落格局基礎(chǔ)上，將6個裝配式模塊單元體與原建筑主體相組構(gòu)，分別置入起居室、臥室、廚衛(wèi)、主題室等功能空間。在充分考慮流線、采光、通風(fēng)等居住設(shè)計要素前提下，進(jìn)行單元體的排列組合；并通過部分單元體的退讓布局，形成半圍合的庭院（圖8）。

圖8 模塊單元置入傳統(tǒng)民宅院落改造前后平面圖

圖9 單元體在不同地塊的適應(yīng)性組構(gòu)示意圖

由于每個模塊單元功能獨立，且具有可靈活組構(gòu)的特征，為后續(xù)使用中的改造或加建提供了更大可能性。亦可根據(jù)不同地塊條件、客戶需求、小鎮(zhèn)活動安排等，將多個模塊單元進(jìn)行拆卸與重組。如圖9所示，適于街道中間區(qū)及街角處的適應(yīng)性單元組合形式。

因此，以裝配式模塊單元的模式進(jìn)行傳統(tǒng)民俗改造，在更大限度滿足功能空間更新的靈活性、適應(yīng)性同時，減少建設(shè)活動對鄉(xiāng)村環(huán)境的污染，實現(xiàn)低碳理念的可持續(xù)設(shè)計主題。

4 綠色效能模擬分析

為進(jìn)一步探討模塊單元體在居住建筑可持續(xù)設(shè)計中的綠色效能，以泰迪低碳小鎮(zhèn)改造設(shè)計為例，進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境及光環(huán)境兩個方面的模擬驗算。分析模塊單元的組構(gòu)應(yīng)用，對建筑室內(nèi)物理環(huán)境的影響，即在冬季是否具有較好的保溫性能，在夏季通風(fēng)性能如何，以及能否滿足住戶的日常日照采光需求。

圖10 民宅院落改造后風(fēng)環(huán)境模擬分析

其中，風(fēng)環(huán)境模擬采用CFD軟件Phoenics進(jìn)行分析，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。以北京地區(qū)氣象資料數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析得出，夏季門窗開啟狀態(tài)下，建筑室內(nèi)自然通風(fēng)良好；冬季建筑室外迎風(fēng)面與背風(fēng)面,均不易造成冷風(fēng)滲透（圖10）。光環(huán)境模擬采用Ecotect及Radiance對室內(nèi)自然采光情況進(jìn)行分析（圖11）。參考面為距地面0.75 m處，以0.1m為間隔劃分水平網(wǎng)格，模擬模型為CIE全陰天模型。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面層材料的反射系數(shù)取0.5。

圖11 民宅院落改造后風(fēng)環(huán)境模擬分析

從模擬分析結(jié)果可知，裝配式模塊建筑在能保證良好采光的同時也能保證良好的通風(fēng)和保溫，符合綠色、低碳、可循環(huán)的可持續(xù)建筑設(shè)計理念。

5 結(jié)語

綜上所述，裝配式模塊單元體作為現(xiàn)代工業(yè)化建造體系的重要形態(tài)，為當(dāng)今居住建筑的發(fā)展與更新提供了一種更加通用化的建筑構(gòu)造模式。無論對于可持續(xù)設(shè)計理念下的“城市共生”住宅設(shè)計，還是既有建筑更新改造應(yīng)用，都體現(xiàn)出極強的適應(yīng)性、靈活性。不僅應(yīng)對了當(dāng)代生活方式與居住建筑模式發(fā)展下的空間使用不完全問題，亦可滿足建筑環(huán)境的良好生態(tài)性，建筑材料使用的可循環(huán)性等低碳發(fā)展模式。

未來將不斷拓展裝配式模塊單元在建筑中的相關(guān)應(yīng)用研究，不僅對于居住建筑，更將在公共建筑、市政設(shè)施等領(lǐng)域，提出可行性應(yīng)用策略。同時，伴隨電子商務(wù)的普及和智慧建筑管理方式的開展，將更有利于實現(xiàn)定制化模塊單元與多種功能空間的高效、靈活對接應(yīng)用。