1 小型装配式建筑单元研发应用背景

装配式建筑指部件预制生产，运输至现场装配而成的建筑，即在工厂预先加工结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统等主要结构构件，然后运输至施工现场进行构件安装形成建筑整体的建筑形式。预制装配式建筑在西方已有百余年的发展史，当前狭义的“装配式建筑”在西方建筑学体系中已经是一个历史术语，更宽泛开放的概念如“绿色建筑体系”“模块化建筑”“离地建造”“可拆卸建筑”等概念覆盖了已成为历史概念的“装配式建筑”。

小型装配式住宅设计方法是在国内外经济增长方式转变、城市存量更新逐渐替代增量扩张形势下的建筑学设计方法探索的新热点。随着城市化进程进入“新常态”，经济适用房、灾后重建、新农村住宅、青年人才公寓、适老化改造等类型的更新改造类项目成为适用型装配式设计方法施展身手的热土。由于此类设计任务的现场情况复杂多变，对设计的精细化与多样性要求高于新建项目，而当下既有成熟轻钢住宅体系无法满足如此定制化的设计要求，因此为前沿建筑师创造“小而巧”的新型装配式建筑形式创造了条件。目前多样而开放的产品体系适用于极其复杂的既有空间体系与改造任务，尊重建筑的全生命周期规律（建设、维护、更新、拆卸），以最小化的环境扰动与“可逆”的技术措施打造小型经济适用的装配式建筑。

20世纪中叶是小型装配式建筑技术的爆发式增长期，建筑师布劳耶（Marcel Breuer）、瓦克斯曼（Konrad Wachsmann）、富勒（RBuckminster Fuller）、普维（Jean Prouvé）等是这一时期将预制装配技术运用于小型建筑的先驱者。自20世纪90年代开始，随着数字化设计与建造技术的发展，也由于西方社会城市化进程减缓，小规模定制技术逐渐取代大规模预制成为建筑工业化探索的新热点。预制装配式建筑技术更关注社会的复杂需求，在临时搭建、灾后重建、福利住宅等领域持续探索。如建筑师科鲁兹（Teddy Cruz）在美国与墨西哥边境的提华纳（Tijuana）福利住区计划，其运用工厂中闲置的构件进行工业化改造，通过为贫民提供生活所需的基础设施，鼓励后者进一步自由搭建（见图1）。齐朗-廷柏雷事务所（Kieran-Timberlake）则通过板装箱技术与栓接标准创造可拆卸的预制建筑体系。他们的“玻璃纸房”集成太阳能、集水、复合墙板等工艺，为多样性的预制装配式建造设立一种模式。目前西方发达国家普遍建立了通用的建筑工业化标准，达到较高模块化率。

由于预制混凝土在小型空间搭建中不具有优势，薄壁型钢与轻钢复合板材料是目前国内小型预制装配式建筑的主流结构材料。国内目前常用的小型预制装配结构一般包括如下形式（集成化程度由低到高）：墙骨结合式、板拼式、定制模块式、集装箱式、板装箱式（见表1）。在大批量建设中，较常用的依然为“墙骨结合式”钢结构装配式住宅，此类住宅一般采用薄壁型钢拼装成板式构件，再安装覆面板材，结构适应性较强，但集成化程度较低。

如果从建筑学层面的应用场景区分，目前小型装配式建筑一般应用于以下2种场景：一种是具有自身基础体系的独立结构；另一种是作为内装体或被拆除构件的替代构件（模块）嵌入既有结构体的模块化单元（或其组合）。这2种应用场景均需设计者进一步深化构件模块集成度，整合装饰、设备、保温、隔声体系，控制冷热桥，减少焊接作业与板材打洞，减少施工废弃物。

香港中文大学的朱竞翔教授是目前在小型全预制模块化建筑中极为活跃的探索者，在对活动板房进行系统调研后，朱竞翔发现活动板房轻便易于搭建的特性和热工方面的问题，并由此开始预制建筑的研究。2009年，四川广元灾后重建的“下寺新芽小学”成为这一系统的首个落地成果（见图2）。该小学采用轻钢框架，将预制墙板与之拉接，形成复合轻型结构系统，具备高抗震能力。随后，朱竞翔又探索了童趣园体系，采用凹凸的欧松板通过凹凸格子的方法建造小型幼儿园。2016年，朱竞翔团队又完成肯尼亚内罗毕的MCEDO学校，采用可折叠的Y形骨架形成类似灯笼的结构，便于远距离运输的同时也保证了建造质量。

以众建筑事务所为代表的实践采取小尺度的城市干预法对旧城胡同进行改造。众建筑的“内盒院”是应用于旧城更新的预制化模块建造系统。内盒院通过向老旧建筑插入预制化单元完成改造更新，避免全拆重建，并采用相对低廉的造价（见图3）。众建筑研发一种特有的预制复合板材，集成结构、保温、管线、门窗及室内外装饰完成面，使用1个六角扳手即可完成安装，并可适应洗浴、居住、办公等功能，其变体也可作为部件承担墙板、楼板、屋面等结构。内盒院类似建筑师霍顿（RichardHorden）的“小微箱”（Micro Compact Home）体系。相较后者，“内盒院”造价更低，适用于较低技术环境下的社区更新。

集装箱式属于定制模块化结构的一种，由于集装箱是一种高度工业化的结构，其主导技术研发部门往往是集装箱生产厂家，而非建筑师，但也有建筑师致力于集装箱（快装箱）结构的研发。例如，隈研吾在中国台湾花莲湾购物中心星巴克项目采用29个回收的集装箱，通过玻璃连接体连通上下，巧妙破解了因集装箱上下堆叠形成的均一单调的空间体验。清华大学艺术与科学研究中心设计的“生菜屋”利用6个集装箱，构建出布局合理、空间错落有致的模块化住宅。每个箱体内部均为标准的空间单元，承担不同功能，住宅内部包括卧室、储藏、试验、展示和厨卫空间（见图4）。在集装箱体系之上，快装箱是利用集装箱自身的储物功能，将板材封装在柜体中，进行集中储运、远程搭建安装的体系，目前这个系统还缺乏建筑学层面认可的案例。

我国尚处于快速城市化阶段，为应对大批量建设任务，装配式建筑技术的讨论仍以预制混凝土体系为主，但在存量更新、适应性改造方面少有触及，而在未来可见的情况下，随着渐近式城市化模式成为主流，新经济模式要求绿色全生命周期的建造体系。根据2014年度的《中国建筑垃圾资源化产业发展报告》，我国建筑废弃物回收利用率仅为5%左右，绝大多废弃混凝土被直接填埋甚至非法倾倒。这种情况下，以金属材料、合成材料与改性木板等相对绿色的结构就具备了在日常小型建设中使用的优势。因此，同济大学张永和教授团队从2018年起与恒造建筑设计（上海）有限公司合作，探索小型装配式建筑的多样化可能。这一研究以“万元宅”为题，在严格的成本核算前提下，探索墙骨结合式、板拼式、折叠式（板拼式的一种）等低成本预制装配技术的可能，以适应复杂的城市更新、旧屋改建、福利住宅建设需要，并在此基础上探索集成化部件的研发。

万元宅的研究任务以小型核心家庭的居住需求为目标，在各种城市环境条件下，探索1个小家庭能负担的宜居居住单元。这一居住单元既可以独立结构体形式（或叠加方式）自支承体系，也可以盒子的形式插入既有结构体中。试验将材料与人力安装成本纳入前期设计过程中，从经济性出发设计适宜技术条件的开放式预制构件体系，并考虑批量化生产的可能。如图5所示的建造体系是以薄壁型材龙骨、复合墙板（欧松板）、压型彩钢板屋面、吊顶导轨系统组合成的墙骨结合式建造体系。其特点是完全区分骨（框架）与板（屋面-墙体），墙体仅为隔断，地面板与内外墙板为集成保温材料的木龙骨-欧松板复合板材，以6.0m×4.8m×3.0m空间为例，整个构件系统可以封装在1.4m×1.4m×2.8m的盒子中进行运输，现场安装墙体时只需将墙体上下两端推入导轨，落位时旋转90°，并通过“L”“T”“十”形连接件固定到所需位置，并可根据实际需要改变平面布局（见图6,7）。

该设计体系是以现行轻钢工业化住宅结构体系为基础，预制装配化新型墙体，墙体中内置厨卫管道及设备，在外部留有管道接口，在工厂中完成墙体安装之后运输至施工现场，完成结构安装后将预留接口与厨房、卫生间设备连接，从而可快速、环保地实现厨卫空间的装配。管道墙的主体支撑结构由轻钢龙骨骨架组成，通过不同型号和大小的轻钢龙骨排列搭接，使墙体具有一定的强度可承托建筑重量，同时在内部围合出可供管道及隐藏式设备布设的空间。主体支撑结构的外部再采用双层纸面石膏板作为外装饰面材料，轻钢龙骨之间、轻钢龙骨和纸面石膏板之间通过自攻螺栓进行锚固，设备及管道通过吊卡铆接固定于轻钢龙骨上（见图8～10）。实际投入使用时，各尺寸亦可根据实际情况调整大小。本产品一方面解决了整体式卫生间造价较高、占用空间较大的问题；另一方面在现有管道墙产品基础上，加入能承受重量的轻钢骨架，并通过预制装配化设计，使管道墙的现场施工更迅速；若进一步结合以墙为预制单位的装配式轻钢结构建筑体系，可实现低价快速完全装配化。

近十年来，随着我国经济快速发展，劳动力成本上升，经济模式转变和环境压力倒逼，预制装配式建筑呈快速发展态势。近年来中央连续出台推广绿色建筑和装配式建筑的相关政策，制定行业准则，确定建设目标。从最早2012年财政部、住建部提出力争2020年绿色建筑占新建建筑比重超过30%，至2017年1月发布装配式建筑三大体系技术标准，再到2017年3月出台《“十三五”装配式建筑行动方案》及配套管理办法，政策愈发密集。全球范围内现存装配式建筑在大批量快速低成本建造方面发展较成熟，然而随着建筑发展迎来增速减慢而存量更新发展时期，适应性改造、城市更新、非大批量改造方面存在等存量更新急剧增多，此类存量更新项目面临场地多样、条件复杂、对设计人员要求高、设计灵活多样、适应性强等特征，现存装配式建筑在此存量更新方面存在大量空白。

低造价与低技术常被认作是设计创造性思维的限制条件之一，但如果从建筑设计前期考虑成本与技术适用性，从我国当前的普遍技术水平与建造文化出发开展对开放式的复合构件体系探索在“淘宝”级工业水平基础上的工业化建筑路径，其现实意义重大。本研究以万元宅为标准（每平方米实际材料费用在千元左右）设定研究目标，希望在低造价和工业化两方面同时推进对低造价高品质住宅建造形式的探索。研究聚焦于小型低成本预制装配式住宅的多样性设计途径，旨在低造价与工业化2个方面进行研究与设计，希望能对我国装配化市场与发展中国家的普遍社会发展需求起到参考与启示作用。