装配式内装体系与技术创新探究

作者:唐大为 易鸣
单位:深圳市建筑设计研究总院有限公司
摘要:装配式内装体系与技术在国外发展较成熟,近些年在装配式内装理念引入国内过程中遇到技术本土化的挑战。结合我国内装产业现状,从内装技术和存在的问题、本土部品体系创建、创新指导思想和构造优化措施等方面,研究装配式内装体系与技术创新,以开发适合我国国情的装配式内装技术体系。
关键词:装配式建筑 装配式内装 部品体系 技术创新
作者简介:唐大为,装配式工程院院长,高级工程师,E-mail:26873227@qq.com; *易鸣,主创建筑师,工程师,E-mail:624548581@qq.com;
基金: “十三五”国家重点研发计划项目:工业化建筑设计关键技术(2016YFC0701500);

 

1 装配式内装理论发展由来

1961年,原美国麻省理工学院建筑系主任哈布瑞肯撰写《Support,an alternative to mass housing》一书中首次提出支撑体理论,并于1964年在荷兰组织创办了Stitching Architect Research(SAR)研究协会,1965年其正式提出将住宅设计和建造分成“支撑体”和“可分体”的设想,其中可靠耐久的结构性部分作为支撑体(Support),后期可变性管线内装作为填充体(Detachable units);SAR住宅体系在实现大规模住宅建设背景下,重拾内部开放设计的可能性[1]

受SAR和开放建筑理论等西方相关理论影响,日本结合其住宅发展国情,提出支撑体(Skeleton)和填充体(Infill)完全分离的SI住宅体系。1970年开始了KEP体系研究(Kodan试验房项目),该系统实现了房屋结构和内部部品的拆分,并在八王子技术研究院进行了住房原型设计,目的是开发一种“有序住房系统”(开放式系统),该系统使用通用部件的同时满足居民的个性化需求[2]。在19世纪80年代,日本研发并供应KEP体系住宅,但随着技术发展,灵活可变内装变得非常重要。2000年左右,日本开始探讨对“存量型社会”的改建修复,并帮助居民探寻提出对住宅内装的个人需求,研究内容如养老护理住房部品研究(1999年)、宠物共生型房屋研究(2003年)、既有住宅翻新技术(2005年)等。目前室内家具布局和灵活可变内装设计已融入企业产品技术体系研发理念中,如日本骊住株式会社从最初拥有生产制造能力的综合建材供应商,到整合装配式内装设计、高效大批量施工及后期维保的产业链上下游资源,已贯穿企业各环节的管理标准中。

2 技术引进与本土化过程

我国装配式内装技术发展历程可分为3个阶段:20世纪50—60年代的技术探索期;20世纪70—80年代技术发展期和20世纪90年代至今的技术提升期。20世纪50—60年代,计划经济时代下住房采用分房制度以解决基本居住问题,引进前苏联工业化建造技术(大板体系),采取单元定型和整栋楼定型的设计标准,即所谓的“筒子楼”。当时室内装修水平低,土建和装修均由同一个建设单位完成,所有居室装修一律为白灰刷墙、水泥砂浆抹平地面、无独立卫生间[3]。20世纪70-80年代,在商品经济体制下,住房形式呈多元化,由业主完成二次装修的毛坯房出现在市场上。通过二次装修打造个性空间,土建施工与内装分离,装修产业不断壮大。伴随房地产行业迅速发展,开发商为迎合消费者审美需求和解决二次装修繁琐问题,精装修房应运而生,并形成不同的内装配置标准。

我国装配式内装理论发展起始点可追溯至20世纪80年代,受国外建筑理论影响,国内大批学者对开放建筑、SI理论展开研究,其中以南京大学鲍家声教授的论著《支撑体住宅》最具代表性,同期国内在无锡进行的支撑体住宅试验工程落成,为支撑体与填充体脱离的理论落地提供支撑。

鉴于当时建设水平低,配套技术不成熟,再加上成本限制,无法在我国大范围应用推广。直至20世纪90年代,我国大力发展住宅科技,吸取国外经验,提出全装修成品住宅概念。2000年以后,伴随着住宅产业化口号的提出,内装与结构在理念上彻底拆分,以万科为代表的房企及施工单位着手研究产业化技术,研发形成住宅产业化内装成套技术,包括集成化程度较高的模块化部品(如整体卫浴、整体厨房、整体收纳)和标准化程度较高的集成化部品(如装配式楼地面、装配式吊顶、装配式隔墙墙体)。

随着住宅产业化蓬勃发展,为解决我国当下住宅寿命短、能耗大、质量通病严重、二次装修浪费等现状问题,原建设部住宅产业化促进中心联合相关企业和研究机构,确立具有我国住宅产业化特色的新型建筑工业化通用体系———CSI体系。该体系涵盖建筑设计、施工、内装,贯穿建筑全生命周期为基于空间灵活、节能提质等角度全面运用工业化思维的创新体系。该体系使住宅产品具有突出的结构耐久性、室内空间灵活性、内装可更新和住房品质高等优点。虽然CSI体系出发点是为改变传统住宅建造方式、打造持续舒适的百年住宅,但其提供了针对建筑全装修高度整合的部品群,同时运用全装配化建造方式,是一套较完善的装配式建筑装修技术体系。

基于CSI体系,已建设完成雅世合金公寓、绿地百年住宅、上海威廉公馆、光合原筑等示范项目,积累了大量装配式建筑装修实践经验。同样以北京和能人居科技公司为代表的装配式装修研发企业也开发出拥有自主知识产权的装配式装修成套技术体系产品,目前建设实施项目有马驹桥物流保障房项目和上海上坤樾山国际墅区项目等。

3 现状问题

目前装配式内装技术体系在应用层面最突出的问题在于接受程度低这一现状,主要原因之一是“舶来”技术的不适宜性。以架空地板为例,该内装技术在日本各种类型建筑中极为常见,但在国内一直得不到推广应用,原因在于日本传统习惯进入室内后会脱鞋换鞋席地而坐,包括很多公共场所也是如此。因此入口处设置有玄关换鞋区,而架空地板刚好在入口位置可解决室内外高差。因此,卫生间也无需做降板,利用原地坪高差即可解决卫生间排水及反水问题。我国入户习惯是直接平进平出,并不会设计玄关换鞋区,因而直接照搬国外技术便存在设计的不合理性。另外,通过牺牲室内净高空间,实现室内管线与主体结构相分离,是业主无法接受的重要原因。

我国对于装配式内装部品的研究仍不够深入,未形成具有自身产业特色的技术体系。装配式装修部品是从施工方法到集成产品的转变,是由建造业向制造业转型的过程。对于产品制造来说,首当其冲需完善住宅技术和部品认证机制。技术部品的研发工作在于建筑材料、功能的集成化研发,在工厂精密加工制造,生产运输至施工现场后仅需简单搭接,将各产品模块组装起来。而目前集成化和装配化的产品设计理念仍未得到深入体现,很多部品在现场施工过程中的安装连接仍未摆脱传统施工手段,为增加部品与结构连接的可靠性,甚至额外提高施工难度和增加工序,严重时引发局部漏水、冷热桥等影响住宅品质的问题。

4 原因分析

通过对装配式内装设计单位和厂家的调研访谈,造成上述问题的重要原因之一是未经研判的拿来主义。目前市场上推广的装配式装修体系均是基于CSI体系改良,然而CSI体系并非针对装配式内装所建立的技术体系,其本质是以支撑体和填充体分离为手段,以挖掘住宅全生命周期价值为目的,以实现住宅可持续性发展为目标的一套建筑设计及施工体系[4]。这与大众所认知的内装价值理念有所偏差,这也导致无法迎合并解决消费者痛点。以装配式混凝土整体卫浴为例,其在新加坡保障性住房项目广泛应用,主要优点是降低人工成本和缩短施工工期。由于预制混凝土整体卫浴重达9t,对于吊装起重设备要求很高,运输过程成品保护要求也非常高。尽管其观感体验几乎与传统卫浴相同,但成本仍高于传统卫浴施工。另外,整体防水密封性能的可靠性远不及SMC模压成形整体卫浴。因此,该类产品在成本和质量上均不具备竞争能力。

另一个主要原因是由于缺乏完整的顶层技术体系进行指导。各类产品的创新形式五花八门,尽管某些产品在某一项关键性能上能达到行业领先水平,但整套产品无法与其他产品相互组合配套,出现明显水土不服,从而无法实现住宅整体质量性能的系统性提升。装配式装修企业对于装配式内装部品技术的自主研发,是按传统施工思路和逻辑,围绕某项已有技术或部品展开性能的升级创新。企业对于技术的评审认定工作或企业产品技术研判不充分,可能导致技术特定时期的过渡产品,甚至已被淘汰的落后技术得到错误判断,其产品技术从基本技术体系上无法与当前产业化成套技术相融合。体系化的研究、改良、生产对于装配式内装技术研发极为重要,只有集中力量,发挥产业集聚效应,才能做到有的放矢、共同进步。

5 建立“五化”内装体系

首先需建立装配式内装基本体系框架,对市场上成熟的装配式内装产品线进行梳理,建立不同功能用途且各具优劣势的产品框架,指导其系列化发展。装配式内装产品技术体系应向同一个目标推进发展:提高整体内装行业生产效率(工厂制造和现场施工),降低人工劳动力比例和缩短施工时间;提供更好的施工环境,将大部分现场作业移至工厂完成,降低施工现场灰尘和噪声污染;不断改进质量控制措施,工厂预制可通过在类似工厂环境中进行质量控制以提高最终产品质量。为实现具备我国自身产业结构和发展特点的装配式内装技术体系,需要遵从“五化”原则循序渐进,实现技术体系逐步深化。

5.1“系列化”产品

“系列化”产品是根据市场动向和消费者要求,逐渐优化形成不同标准配置和存在各自基本参数、功能、材质差异化的产品体系。“系列化”产品为内装提供多种风格和预算选择。而系列化并非一律追求多样化,而是高度标准化并走向成熟的标志。系列化通过分析内装需求,针对性研发高性价比产品系列,同时提供丰富的可替换的类型产品,并权衡兼顾工业化生产效益。根据系列化细分产品需求,企业可根据各自资源配置优势进行研发,从而不断丰富整个行业的系列化产品。

以装配式隔墙体系为例,根据构造做法、材料属性等,隔墙体系包括以下3种:(1)板材隔墙主要包括加气混凝土条板、石膏条板、炭化石灰板、石膏珍珠岩板等;(2)骨架隔墙主要包括以轻钢龙骨和型钢龙骨等为骨架,以纸面石膏板、水泥纤维板、金属饰面板、石材饰面板、木饰面板等为墙面板的隔墙;(3)活动隔墙根据分格宽度和重量可选用手动和电动,墙板主要包括板材墙板、玻璃墙板、金属类墙板等。可通过生产工艺、产品特点、技术参数比较,形成功能、材质、用途、性能差异化的产品。

5.2“标准化”设计

“标准化”设计旨在采用内装部品共性条件,可由主管部门或科研机构制定统一研发标准和模式,包括对材料、构造等均按照相关行业标准对性能指标进行严格要求。标准化并不会带来所谓的产品单一化,在合理设置的标准模式下更能促进产品创新与多样性。日本早期KJ住宅部品由于受到明确的规格材料限制,供应商只负责按照标准统一生产,导致产品无法差异化并形成恶性竞争。随后取代KJ住宅部品的BL优良部品出现,只规定最低技术性能参数要求,而产品本身各具所长、不断更新迭代。

“标准化”设计可根据装配式装修部品不同性能要求以拆分到各构造层中。以轻钢龙骨隔墙为例,保温隔热主要为内填充的岩棉发挥作用,热镀锌龙骨防腐;条板墙隔热防腐主要为条板材料本身。挂板饰面墙体的防潮为物理层,增加防潮隔膜;耐磨防水主要为饰面层,因此饰面层的选择较重要;乳胶漆墙体本身不防潮;墙体一般考虑整体防火,饰面板需不燃材料,要慎重考虑饰面挂板的燃烧性能及遇火燃烧的毒性、烟气、滴落物等。

5.3“集成化”生产

“集成化”生产是内装材料和部品不断研究发展的方向。通过各种材料和工艺的研究,将材料和产品高度精炼化,从而满足多种性能、功能要求。同时材料、产品功能复合更多地转移到工厂完成,进一步降低现场安装施工的复杂程度。轻钢龙骨为成熟的做法,可随时采购,饰面板根据不同的安装方式,定制程度略有差异,但均有定制过程,需设计提前介入。饰面板一般为饰面一体化板,工厂生产,全工厂化;条板墙需根据不同项目进行开模定制。

5.4“模块化”安装

“模块化”安装是指自身或系列产品按特定模数体系进行设计,从而实现模块化安装。基于模块化安装效率的优化设计,既能实现功能增减组合,又能避免现场安装的二次加工。另外,在完善的模数体系下,建筑、施工可按照部品的模数进行一体化设计,现场安装任意组合,实现像拼装乐高一样快速组装,提高综合效益。轻钢龙骨墙体结合管线综合,施工效率高于条板墙,全装修精度更高。

5.5“通用化”部件

“通用化”部件在相同体系内的产品具备通用性,如相同的承载连接件上安装不同样式、材质的产品。通用化程度越高,量产后的成本越低,互换性也越好,用户日后进行建材更新时的难度也越低。轻钢龙骨墙为目前最常用的隔墙方式,材料供应充足,安装方式便捷,对工人技能要求低,天地龙骨、调平龙骨、调平附件、安装附件略有不同,饰面板的部品部件种类多,安装需技术培训。条板墙施工同样需安装培训。

5.6 适老性与环保性

此外,适老性和环保性也应作为装配式内装部品材料的要求而被提出。目前国内针对装配式内装的研究主要集中在对既有老旧住宅等室内空间改造和功能提升方面,以满足适老性、包容性设计要求[5]。倡导在住宅内实现通用设计,即人人都易于使用的产品和环境设计,而这些理念设计可通过适老性内装设计及一系列模块化部品的二次安装有效实现。如对于走道空间而言,最小宽度保持在0.85m以上便于行动不便的老人使用轮椅,走道两侧加装高度在0.7~0.8m的连续扶手,在门上加装长0.6m、高约1.0m的门扶手,便于开启。桌面、盥洗池、操作台面的高度尽量控制在0.75~0.85m,并需考虑在台面下方预留足够的空间,保证轮椅和腿能舒适地进入。

另外,建筑行业倡导全生命周期研究(Life Cycle Analysis),即材料产品从最初原材料获取提炼、生产加工、运输安装、使用更换到最后拆除回收,整个过程对环境产生的影响、所需人力资源、同一产业链条的碳排放量等。通过对室内精装修产品材料的LCA研究发现,一方面,在内装设计和产品材料招采过程中,通常关注的只是材料本身的属性性能及其生产加工所需的成本。而材料的来源及生产加工过程中是否环保,该产业是否存在高能耗、高污染物排放的情况却不被关注。另一方面,在施工环节中辅材的使用也并未考虑,由施工单位包工包料并由其自行采购,如何避免使用到存在污染和影响健康的材料也需在内装设计前期考虑。

6 优化内装核心技术

通过调研分析,我国装配式内装体系普遍还需进一步优化改善,如集成化程度低、局部耐久性差、表面质感单一、受力性能一般、现场施工精度不高等。另外,内装部品在局部细节上存在研究深度不足和技术缺陷,直接影响产品耐久性和存在潜在隐患。综合考虑所节省的人力成本、工期,在相同预算下装配式内装技术所能实现的内装效果、性能还无法等同于传统装修方式,并且在设计性能考虑上还存在以下疑问。

1)装配式隔墙装配式隔墙作为分户墙(分隔)对于隔声、减振、防火能力的要求采取何种措施来满足?与条板隔墙比较如何?装配式隔墙对于有防水要求的房间如卫生间,有何防水处理措施?装配式隔墙需挂重物时有何可靠固定措施?门窗洞口、墙体转角连接处等部位如何处理?

2)装配式吊顶通过固定在墙面的龙骨承受吊顶自重、架空层管线、灯具、排风扇等设备设施时有没有问题?

3)装配式楼地面装配式楼地面面层对于平整度、耐磨性、抗污染、易清洁、耐腐蚀、防火、防静电等性能有无具体要求?有水房间楼地面在使用材料方面如何满足防水、防滑、防蛀等性能要求?架空地板对于产品承载能力如何设计?放置重物部位是否有加强措施?对于非用水房间仅存放液体的房间,如餐厅,一旦出现液体洒落情况,架空地板系统如何防止液体进入架空层?

针对上述问题,结合“五化”体系研究,分别就装配式隔墙、吊顶、地面体系提出解决思路和优化方案。

6.1 装配式隔墙体系优化

装配式隔墙需具备传统装饰面墙的基本性能,包括承载、装饰、防火、防潮、隔声等性能。其中承载性能多由基层材料决定;装饰性能多由表面装饰材料决定;防火、防潮、隔声性能通常是系统性问题,除板材本身属性外,与材料组合方式和构造做法密切相关。

墙体起到承载作用的基层材料主要采用纤维增强硅酸钙板,其作为生产技术成熟的无机物建筑板材,具备高强度、高密度、高耐久性且价格低廉的优点。另外在载重方面,对于轻质物品的墙面安装,可在墙面材料(硅酸钙板)上任一点用自攻螺栓打入墙体,单点挂重15kg,拉拔力30N。当需在墙板安装如电视机、空调等固定重物时,需在精装设计时确定重物位置,并在施工阶段对墙板后进行加固处理,大芯板连接在墙体龙骨上或土建墙体上,在完成墙体表面标注挂重物位置。

板材装饰层可通过涂装打印技术,采用特殊工艺在材料表面加工出纹理,同时再通过印刷设备在表面印刷木纹、石纹等仿真图案。这种工艺加工形成的装饰层耐磨性能强,不存在VOCs污染源,成本较天然材料低很多。也可通过在基层表面直接粘贴瓷砖和天然材料的复合装饰层,但耐久性一般,易出现脱落问题。

就隔声问题而言,内隔墙与分户墙对于隔声的要求不同。轻钢龙骨硅酸钙板隔墙同常规的石膏板隔墙在隔声方面类似,能基本满足室内内隔墙空气声隔声要求。在构造做法上,可通过增加内部空腔实现更高的隔声性能及消除撞击干扰的作用。分户墙一方面由于其通常由土建主体施工完成;另一方面分户墙的隔声性能对于住户私密性的影响更直接。综合考虑,采用成本较低、隔声性能可靠的轻质条板隔墙作为分户墙更优。

对于有防水要求的房间如卫生间,隔墙还需考虑采取防水处理措施,防止水进入墙体内引起潮湿腐烂甚至霉菌污染。因此隔墙材料采用无机材料,装饰层采用涂装打印。板材拼缝处易出现渗漏,因此拼缝方式可采用特殊铝合金型材企口构造,起到物理防水作用。另外在饰面层内侧,额外增加1道PE防潮膜,防止水汽侵入,保护墙体内的岩棉及金属构件。岩棉可选用憎水型,钢型材均做镀锌处理,防止腐蚀锈化。

6.2 装配式吊顶体系优化

装配式吊顶体系与墙体同样存在吊装管线、设备等问题。目前装配式装修吊顶较成熟的体系是基于铝合金扣板的集成吊顶体系,加工长度根据内装方案确定,加工宽度规格依据生产模数标准。吊顶自重、架空层管线、灯具、排风扇等设备设施主要通过固定连接在墙面的龙骨承受,即通过吊顶金属件将荷载传递到土建墙体或主龙骨构件上。金属件为铝合金材质,可承受自重及灯具、排风扇、厨卫小电器的重量。吊顶内的管线均固定在空间顶板上,重量不由吊顶承受。对于跨度较大房间导致龙骨间距较大时,可通过在吊顶板材背面增加T形加强肋的方式增强长度方向抵抗挠度的能力。

6.3 装配式楼地面体系优化

地面采用地面系统模块,利用地脚螺栓进行调平处理。材料本身为无机材料,防火、不发霉、防虫蛀,变形率低于3‰,地面采用涂装打印技术,耐油污、耐擦洗,表面可做光面和麻面处理,耐磨性能优于复合地板,可做到8 000~12 000转。地面架空模块为压型钢板及硅酸钙板作为主要承重构件,设计承载力为满足空间正常使用的家具布置及人员活动要求。卫生间的淋浴区作为完全湿区,通过采用一体成型式塑料大底盘解决防水问题。非用水房间防水为企口拼接的物理防水,短时间内具有防水作用,需注意使用环境及使用习惯,有突发事件需及时处理。

7 结语

回顾过往,装配式内装在国外发展历史较长,近些年在装配式内装理念引入国内过程中遇到技术本土化和资源本土化的挑战。目前我国尚未形成完善的装配式内装体系研究,大部分还是基于国外成熟理论体系改良。开发适合我国装配式内装的技术体系和部品体系,以解决部分技术和国内规范冲突、进口部品价格高、市场接受程度低等问题。

因此,本文结合现状问题介绍一些解决思路和建议。为使材料加工尽可能在工厂完成,减少现场加工工作量,提高装配化施工效率,必须对装配式装修部品进行装配化改造。市场既有装配式装修部品的装配化程度依然不高,需深化改造。最后对装配式装修墙体、吊顶、地面部品的装配式安装构造进行改良,对既有构造进行合理的深化设计,并对不合理的既有构造进行革新设计。

装配式内装未来发展仍需尽快向工业制造思路转变,不论是国内还是国外,建筑装修部品和装配工艺的研究水平远达不到工业生产中的装配化水平。装配式装修工业化水平还非常低,要解决这个问题,必须摒弃传统建筑装修的粗放思维,特别是要深入研究材料学、工艺学知识,改良建材性能,改进生产工艺,才能得到基于新材料的高集成度、高性能的装配式装修建材部品。

 

 

参考文献[1]张守仪.SAR的理论和方法[J].建筑学报,1981(6):1-10.

[2]史言翔.基于SI体系的老旧住宅室内空间改造及功能提升研究[D].北京:北京建筑大学,2019.

[3]周静敏,苗青,司红松,等.住宅产业化视角下的中国住宅装修发展与内装产业化前景研究[J].建筑学报,2014(7):1-9.

[4]李硕昆.工业化装配式装修若干技术问题研究[D].北京:北京建筑大学,2018.

[5]张晓雪.建筑工业化体系下既有住宅卫浴空间适老化改造研究[D].北京:北京建筑大学,2019.
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