装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法

文章摘要

针对建筑师在装配式建筑研究及实践中“缺位”的问题,提出建立系统科学观点和一体化的集成设计方法,正确理解、看待、发展装配式建筑。通过分析建筑物质性和非物质性的二元统一特征,对装配式建筑的物质性本质进行定义,并提出装配式建筑应分为结构、围护、机电、内装四大系统。最后,总结装配式建筑应进行流程再造,建立建筑、结构、机电、内装一体化和设计、制造、装配一体化的建筑系统集成设计方法。
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
樊则森 / 清华大学深圳国际研究生院;中建科技集团有限公司
张玥 / 中建科技集团有限公司

装配式建筑发展中的建筑师“缺位”问题
 
装配式建筑是推动我国工程建造方式转型升级,促进住房供给侧结构性改革的关键举措,是实现建筑产业工业化、数字化、绿色化高质量发展的重要抓手。“十三五”期间装配式建筑得到了较为快速的发展。据住建部统计,“2020年全国31个省、自治区、直辖市和新疆生产建设兵团新开工装配式建筑共计6.3亿㎡,较2019年增长50%,占新建建筑面积的比例约为20.5%”。但是,由于发展速度快、准备时间短,目前的技术、标准、相关技能教育及人才培养已经远远不能满足发展需要。胡芝福等指出,专业人才短缺是目前装配式建筑发展中存在的瓶颈问题。单兰亮认为,设计企业从业人员存在设计理念落后、技术不全面、缺少关键技术支撑等问题。修龙指出,装配式建筑技术发展方向应该坚持全产业链一体化、全生命周期一体化,建筑师必须在其中发挥主导作用。在中国知网以“建筑学专业人才培养”为主题词进行搜索,得到约231篇研究文章。加入“装配式”进一步搜索,仅有一篇研究文章涉及装配式领域建筑学人才培养,且该论文仅提出存在问题,尚未找到解决问题的途径。这些研究一方面肯定了建筑师在装配式建筑发展中的重要性;另一方面也反映出在装配式建筑工程实践中,还存在建筑师“缺位”的现象。分析其原因主要有以下三个方面。
 
首先,业界对装配式建筑存在误解。人们通常将建筑学片面地理解为形而上的复杂性科学,主要研究形式、空间、功能等问题;而装配式建造方式被认为仅仅是一个建筑技术领域的问题,可以由深化设计的结构工程师代劳。也有人认为装配式建筑不同于其他建筑,两者相互对立:其他建筑是有创意的、艺术感强的,空间丰富的;装配式建筑只能是呆板的、条条框框明显的,空间受限的。正如董凌等所指出的,在早期现代建筑之后的一定时期内,预制装配方式与建筑的多样性表达之间存在矛盾,并影响了建筑师的创作及其自身发展。
 
其次,没有从系统科学的角度认识装配式建筑。在实际工作中,装配式建筑被简单等同于装配式结构,常常是结构工程师做好拆分并绘制深化图纸,建筑师和其他专业工程师进行配合。围护、机电、内装的整合与集成被忽视,从专业划分上限定了建筑师的不作为。
 
其三,缺乏合理设计装配式建筑的技术手段。结构工程师对装配式建筑的研究,具有非常清晰的目标——仅关注在保证结构安全的前提下,工厂生产结构构件并运输到工地进行装配的技术,主要聚焦于结构体系构件设计和连接节点三个方面。而建筑师研究装配式建筑,往往从不同的出发点和角度展开:有的着眼于建构和构造;有的关注空间;还有的看重材料;多数都主要关心其形式表现。因此,在构件组合、节点构造等技术层面,缺少建筑师与结构工程师跨界融合的经验,也不具备复合型的专业技能,导致实际工作无法顺利展开。
 
针对以上问题,本文以建筑师的视角,从科学的角度解析装配式建筑,探讨其本质特征、系统架构和设计方法。
2 装配式建筑的物质性特征
 
关于“建筑是什么”,梁思成先生认为:“最简单地说,建筑就是人类建的房子。为了解决他们生活上“住”的问题。”德国哲学家兼建筑师森佩尔提出了创造建筑形式的四个要素,指出“建筑由基座、外墙、屋顶和火炉四要素组成”。而中国新石器时期的建筑原型同样包含基座、外墙、屋顶和火塘四个要素。以陕西临潼姜寨遗址46号大屋为例:基座由夯土构成,是上部结构安全的保障;外墙和屋顶为茅草和泥土混合而成,提供基本的围蔽保护;火塘既是火种的保护手段,又作为厨房设施提供食物加工用途,并为室内提供热源保障,满足御寒需求。这些研究成果都说明建筑的本质是物质性的存在,是由若干物质材料构成的,具有围蔽、防护和保障等功能的人工建成物。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 临潼姜寨遗址46号大屋考古复原平面及结构示意
 
随着时代的进步,建筑的魅力更多地来自其承载的精神和文化内涵。“建筑不是一个单纯的物质产品,它是一个文化系统(或分系统),除了物质功能外,还具有精神品质,对一个社会的兴衰起着预示、反映和总结的作用。”建筑的本质虽然是物质性的人类庇护所,但同时也具有较强的非物质性,这些非物质性包括历史、文化、艺术等与人类意识形态和精神相关的内容,以建筑空间、材料、建构等物质实体来承载,通过空间组合、材料搭配和建构方式来实现和表达。
 
装配式建筑的特点是部品部件的工厂制造和现场装配,因而其物质性与非物质性的二元结构与其他建筑类型没有本质区别,但仍是物质第一性。装配式建筑发展的目的在于,通过研究材料特性、建构方式、部件组合和关联关系,将复杂的物质和非物质建筑系统,简化为结构清晰、功能完备、便于量化的多个物质性子系统的集合;并将非物质性的内涵通过其物质性的建构呈现出来,从而实现物质性与非物质性的二元统一。有鉴于此,在装配式建筑发展中,建筑师不仅要关注建筑的非物质性特征表现,更应该从装配式建筑的物质性特征出发,重点研究其物质系统各组成要素之间的建构关系。
3 装配式建筑的系统架构
 
从原始居屋到当代建筑,其间经历了长达数千年且越来越复杂的演进过程。建筑从最初的物质第一性,发展到今天物质性与非物质性对立统一的整体;从曾经的四要素,演变为基础、结构、外墙、内墙、楼板、屋顶、暖通、空调、给水、排水、强电、弱电、外装、内装、设备、材料等多要素的复杂系统。建筑在时间维度上承载了越来越多的历史、文化、艺术等精神层面的意义,面对越来越复杂的建筑,我们需要将其纳入系统科学的研究范围来分析和认识。
 
钱学森指出:“系统科学就是从局部与整体,局部与系统这样一个观点去研究客观世界。”研究装配式建筑,也同样需要建立系统科学的观点与方法。樊则森等曾指出:“制约装配式建筑发展的关键是各种技术要素均处于碎片化状态,缺乏系统性的整合,其发展的核心问题是如何实现系统性。”装配式建筑是采用工厂制造的部品部件在现场装配而成的建筑,相比传统建筑用混凝土等建筑材料在现场浇筑的建造方式,其局部、整体与系统的关系更清楚,系统架构更为明晰,可以按照工厂制作、现场装配的部品部件种类和专业类别进行分类。应用系统观点,可以将复杂系统从原来各种个体间离散性的集合,梳理为结构化的系统建构;从过去模糊且混沌的认知,解析为清晰且高度关联的物质要素的集合。一般而言,装配式建筑由结构系统、围护系统、机电系统和内装系统四部分构成,每个系统还可以划分为若干子系统。
 
结构系统是建筑的主要支撑体,承担抵抗竖向荷载和水平荷载的结构功能,其应满足安全性、经济性、易建性和结构空间对各种功能的适应性等要求,包括柱系统、墙系统、梁系统、楼盖系统、减震系统、隔震系统等子系统。
 
围护系统主要用于建筑室内空间与外部环境分隔,满足保温、隔热、防水、隔音、防火等要求的围护功能;包括屋面系统、外墙系统、门窗系统、遮阳系统、阳台系统、防火分隔系统、外墙饰面系统等。
 
机电系统与使用功能和人的生理需求密切相关,用来满足建筑的声、光、电、暖及空气环境使用功能,包括采暖系统、空调系统、给水系统、排水系统、强电系统、弱电系统、消防系统、支吊架系统等。
 
内装系统是建筑各系统中与人的使用和体验最密切相关的子系统,不同的建筑类型,其内装系统构成会有所不同。如住宅建筑的装饰装修系统包括收纳系统、厨房系统、卫生间系统、家政系统、墙系统、吊顶系统、地面系统、内门系统等子系统;公共建筑的内装系统主要包括隔墙系统、顶系统、地面系统等。各系统之间相互联系并形成完整的内装体系。
 
装配式建筑可被视作一个复杂的系统集合,其内部各系统之间存在一定的关联,它们之间相互联系并整合成为一个完整的建筑体系。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 装配式建筑系统架构示意
4 装配式建筑的系统集成设计方法
 
我国的装配式建筑起步于20世纪50年代,历经六十多年的发展,仍与发达国家存在较大差距,究其原因主要存在三个方面的问题:一是缺乏以完整的建筑产品为对象,将建筑结构装配与建筑围护、机电设备、装饰装修等的各大要素加以整合的系统集成技术与方法;二是基于现浇的设计逻辑,仅通过拆分构件实现“等同现浇”的装配式结构设计缺乏考虑加工、装配的设计技术,设计一体化、标准化程度低,难以适应工业化生产和装配化施工需求;三是缺少装配式建筑通用体系和专用体系,亟待研发与工业化生产方式相适应的若干工业化关键技术体系及设计方法。
 
由于缺乏正确的方法,多数装配式建筑都以实现结构的装配化为目标。多年的实践证明,只要遵循科学标准及规则进行建造,装配式结构就具有可靠的安全性,其主要缺陷是不能解决目前普遍存在的“三板”问题。装配式建筑很少出现结构问题,却常因为围护、内装等与主体不匹配等问题,造成建筑墙体开裂、渗漏,从而影响建筑的质量和性能。有的装配式建筑则只强调内装的装配式,认为只要实现了内装的装配式,就能完成装配式的建造,交付装配式的建筑产品。其结果是因拖泥带水的施工方式、过大的施工误差、内装产品相互间的不配套造成房屋渗漏,内装工业化也举步维艰。
 
面对这种情况,我们应采用系统集成的方法,以结构、围护、机电、内装一体化,以及设计、制造、装配一体化为发展路径,研究装配式建筑设计及建造全过程、全方位的整体解决方案。装配式建筑系统集成方法主要包括三个方面:①系统要素划分;②要素间的关联关系;③系统建构。下文结合具体的工程案例来说明。
 
4.1 系统要素划分
 
以某钢和混凝土组合结构装配式建筑为例,其采用框架结构,结构系统由柱、梁、楼板等构成。柱采用预制钢筋混凝土柱;梁为变截面钢梁,梁上翼缘栓钉在工厂焊接;楼板为预应力带肋叠合板;围护系统由外墙、外门窗、屋顶等构成。外墙采用预制清水混凝土挂板,有150 mm、180 mm和200 mm三种厚度,分别为灰白、浅灰和深灰三种色彩;外门窗为70系列铝合金窗,表面氟碳喷涂饰面,6+12+6中空玻璃;屋顶采用预应力叠合板,上部采用倒置式保温隔热屋面;机电系统采用管线与主体结构和围护墙体相分离、结合内装一体化的做法;内装系统采用工厂制造的各种部品,与机电管线和设备设置一体化布置。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 钢-混凝土组合装配式建筑系统要素配置
 
4.2 要素间关联
 
钱学森认为,“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成并具有特定功能的有机整体”。可见,系统的核心在于要素之间的联系。装配式建筑的各要素之间存在着很多复杂的关联关系,下文主要探讨其中的几何关联性、连接关联性和流程关联性。
 
4.2.1 几何关联性
 
建筑是空间的科学,构成建筑的各要素都需要进行空间定位,其定位关系能否相互协调,始终是建筑学研究的永恒命题。中国古代木构建筑的“材分之制”,古罗马建筑的“柱式”,其实都是在界定结构构件之间的几何关系。模数空间是现代建筑常用的几何定位系统。它由X、Y、Z三个方向上的尺寸关系构成,具备三维概念且构建了网络化的数列关系。
 
标准化设计是装配式建筑的核心,其实质就是用一套完整的几何控制系统将装配式建筑各层级系统要素集成在一起,并将它们整合为一个具备模数协调关系的有机整体,从而达到品质好、效率高、消耗少、成本优的目的。标准化设计不是简单的户型(平面)标准化,也不必试图用统一的尺寸和面积标准来固化建筑或构件的某些几何特征,更不能仅仅停留在建筑的轴网、平面、立面、模数的层面上;而是应该将平面、立面、构件、部品都实现标准化的整合(四个标准化)。标准化设计要以功能适应性、形式多样性为目标,用“少规格”的部品部件,形成平面、空间、立面形式的“多组合”。为了实现这个目标,应从工厂大规模制造的需求出发,将少规格落实到构件和部品的标准化上,从而提高生产效率,降低成本;而将多组合落实到平面、立面、空间的多组合上,满足建筑多样化的使用需求。所谓平面标准化,应该通过制定大空间可变、结构可变、模数协调和组合多样等规则,解决平面标准化和建筑空间适应性二者对立统一的问题;而立面标准化,则要形成立面要素标准化和组合多样化的设计方法,解决过去工业化建筑存在立面呆板、千篇一律的问题;构件标准化是工业化大规模生产制造的必然要求,是标准化设计面向制造和装配需求的本质要求。构件标准化要适应规模化大工业生产要求,解决设计不能满足工厂生产和现场装配需求的问题;部品标准化要研究模块化内装部品的精细化和精益化设计,实现高品质装配,提升居住者的使用幸福感及建筑质量和性能。
 
在某标准化设计项目中,统一采用9 000 mm× 9 000 mm柱网,600 mm×600 mm×4 000 mm标准预制混凝土柱构成标准化的结构模块单元,并形成结构、围护、机电、内装四个子系统一体化的标准模块单元;其中,变截面钢梁柱中跨度9 000 mm,梁端部高度550 mm,中部高度450 mm;预应力带肋叠合板尺寸为4 500 mm× 1 600 mm×50 mm,肋高45 mm。用标准化的柱、梁、板,构建出不同功能、规模、空间组合和立面形式的多个学校建筑,实现了标准化和多样性的统一。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 结构、围护、机电、内装组合成标准化模块单元
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 标准化的柱、梁、板构件设计
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 标准化的构件组合出多样化的建筑形式
4.2.2 连接关联性
 
组成建筑整体的各系统要素之间存在关联关系,这种关系既有接口、节点等“硬连接”(也称物理连接);也有信息、数据等“软连接”(也称信息连接)。软连接主要存在于各机电设备系统要素之间,本文不作深入探究。装配式建筑作为一种建造方式,其物理连接是难点,也是关键。因此,需要深入研究这些接口和节点。下文通过几个案例来说明这种关联关系。
 
(1)柱与柱、柱与梁、梁与楼板之间的连接 柱底预埋滚压全灌浆套筒,另一端柱头预留钢筋,柱与柱之间通过将下层预留钢筋插入灌浆套筒来实现柱与柱之间的连接;柱头端预埋专用的钢和混凝土组合连接节点,混凝土柱和钢梁之间形成结构传力关系而构成柱与梁之间的连接;钢梁上翼缘栓钉在工厂焊接,以叠合板为底模,后浇混凝土,与叠合板和钢梁一体浇筑成形。钢梁和楼板之间通过钢和混凝土材料的组合应用,形成上部混凝土受压,底部钢梁受拉的连接关系。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 柱与柱、柱与梁、梁与板之间的连接节点设计示意
 
(2)柱、梁与楼板之间的连接 预制柱与型钢梁之间通过预制柱顶预埋钢节点连接。钢梁上翼缘焊接连接,腹板及下翼缘通过高强螺栓连接。
 
《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网
▲ 柱、梁与楼板之间的连接节点设计示意
 
4.2.3 流程关联性
 
流程关联性与装配式建筑部品部件的工艺流程强相关,是组成装配式建筑的各类部品部件生产、运输、装配的先后顺序,是各构成要素之间时间维度的关联关系。本案例结构系统的顺序为:安装预制混凝土柱,调节柱位置,安装预制钢梁,螺栓连接形成框架,柱脚灌浆套筒灌浆,吊装预制叠合板,铺设楼板钢筋网片,浇筑混凝土形成整体楼盖。从时间维度体现了钢和混凝土混合结构体系各构成要素间的流程关联性。
 
4.3 系统建构
 
系统建构就是将各系统要素按照它们之间的关联关系整合而成具备一定使用功能的建筑的过程。在《整合建筑——建筑学的系统要素》一书中,贝齐曼从物理、视觉和性能等层次对整合建筑的模式进行了研究和分析。虽然该书中关于系统物质性的表述较为清晰,作者也试图在视觉系统等非物质性领域寻求如何整合建筑的答案,但这并不能让读者从中得到规律性的科学认知和复用经验。面对复杂的建筑对象,在视觉系统等领域很难找到系统整合的有效方法,应该重点关注物质性特征及其科学规律。针对装配式建筑的整合作用,重点需要研究上述各要素间几何关联性、连接关联性和流程关联性之间的关系。装配式建筑系统建构应该遵循设计、制造、施工一体化的原则,而实现一体化的关键在于设计、制造、施工之间的流程再造。建筑业应从制造业中学习和借鉴流程再造的方法。基兰等在《再造建筑》中也指出,当代建筑的建造是一个线性的渐进式过程,应该学习制造业,对建造的方法和流程进行根本性的改变,使设计和建造过程完全整合。
 
装配式建筑设计中,建筑师应该充当“建筑系统总设计师”的角色,采用系统集成的设计方法,从结构、围护、机电、内装四大系统的整体建构出发,统筹设计、采购、生产、施工、运维各环节,再造设计、制造、施工的工作流程:一是在设计阶段,造价工程师、生产工程师和施工工程师就要先期介入,对设计提出经济、制造、施工方面的优化完善的意见,甚至共同完成设计;二是设计成果完成并经确认后,各系统的结构构件、机电设备和装修部品均可以同时进行采购并委托加工制造,然后按照计划约定的时间运至现场装配施工;三是装配式建筑的施工流程也应不同于传统建筑施工中一环接一环的“串联”方式,而采用结构、围护、机电、装修穿插作业的“并联”总装方式。
5 结语
 
综上所述,装配式建筑是物质性和非物质性二元统一的有机体,其本质是多种物质要素的集合。文化、艺术等精神层面的非物质性意义是通过物质性建筑来承载和展现的。本文主要研究装配式建筑的物质性,并应用系统观念,将复杂的装配式建筑系统解析为结构清晰、关系明确的部分及整体的集合:由结构、围护、机电、内装四个系统整合而成,四个系统由若干的子系统及其下一层级的若干子集共同构成。装配式建筑各系统间相互联系,要建立一体化的方法论,使之联系更加紧密;并进行流程再造,用建筑、结构、机电、内装一体化和设计、制造、装配一体化的方法,优化建筑系统的整合。
 
建筑师在装配式建筑设计中不能“缺位”,要勇于担起牵头统筹作用,用系统科学的观点正确理解、看待、发展装配式建筑。更进一步,要充分发挥建筑学专业综合性强、集成度高的特点,通过综合研究社会、经济、生态及其他工程技术系统,整体、系统地开展城市规划、建筑设计、工程管理、施工组织等活动。以规划、设计、施工及管理的一体化为主线,综合美学、生态学、社会学、经济学、工程学、艺术学、数学等学科,综合、系统地整合建造全过程,以达成建造过程及建筑产品的社会、经济、生态和产业等综合效益的最优化。建筑师应积极地在学科交叉融合中寻找创作灵感和科学依据,通过物质性的建构、科学的系统集成手段呈现非物质性的建筑文化、审美、时代精神等意匠,从而更好地服务人的需求,让装配式建筑焕发更加蓬勃的生命力。 

《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网

《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网

《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网

《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网

《NA专栏|樊则森等|装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法》- 投稿作者:朱明之关于建筑 - 发布于:翻身猫建筑自学网

原文请查阅《新建筑》2022年第4期(总第203期)点击 阅读原文 获取全文下载链接。
本文内容版权系 新建筑杂志社 所有,欢迎转发。谢绝任何未经许可的转载形式。
引用本文|樊则森,张玥. 装配式建筑的物质性特征及其系统集成设计方法[J].  新建筑,2022(4):15-19.

本文来自公众号「朱明之关于建筑」,不代表本站立场。
文章版权归作者朱明之关于建筑所有,如需转载请先经得作者确认授权(可通过本站私信文章作者)。文中图片出处为水印文字,由文章作者整理上传,若有侵权请告知翻身猫处理。

0
分享海报
显示验证码