自2009年起, 新疆生产建设兵团将装配式钢结构住宅作为兵团新型城镇化建设的突破点, 有意做大做强该产业。新疆德坤实业集团有限公司以自主研发的“DSC钢结构镶嵌复合保温板建筑体系”为主, 在新疆建设了多个项目, 共完成棚户区改造和新农村建设试点项目30余万m^2[1]。笔者通过对新疆地区装配式钢结构住宅示范工程的调研, 发现由于设计人员对模数体系认知和实践方面的不足, 导致建筑构配件等缺少整体尺寸配合, 建筑部品标准化及通用化程度低, 难以实现工厂批量生产和现场拼装, 影响钢结构快速装配优势的发挥, 无法有效减少房屋综合建造成本。本文旨在总结分析装配式钢结构住宅设计存在的问题, 提出相关建议, 以期为设计人员提供参考。

新疆地区由于缺乏专业的装配式建筑设计团队, 设计人员设计理念较陈旧, 仍沿用传统的建筑设计思路, 表现为:设计以结构为中心, 建筑功能次之, 内部装修基本不考虑。在进行钢结构住宅设计时, 平面定位轴线沿用钢筋混凝土框架结构的定位方法, 采用以结构承重柱、梁为主的中心线定位法, 导致柱距虽然满足模数要求, 但柱间排板无法满足模数要求, 造成板材大量浪费 (见图1) 。很多设计单位片面强求降低钢结构用钢量, 造成梁、柱、支撑等钢结构构件不统一, 规格过多, 室内露柱露梁现象普遍, 以牺牲住宅使用功能换取结构的经济性, 导致居民对装配式钢结构住宅认同度和满意度均较低。

新疆地区钢结构体系设计未实行标准化、模块化, 既未强调钢结构构件的模数化、系列化, 导致结构构件规格过多, 又造成外围护墙板的规格在水平、竖直方向排布不统一, 导致工业化板材运到施工现场后裁切量巨大, 现场工人劳动强度并未降低, 房屋成品观感粗糙, 同时也造成材料、人工浪费, 建筑成本增加。

因未遵循模数协调原则进行设计, 在前期方案设计和中期订购住宅部品等环节中又未进行严格论证, 造成部品进场随意性较大, 品种繁多、规格杂乱, 严重影响安装质量。如部品尺寸规格多, 互换性较低, 与原建筑设计无法匹配;下游产业构件预制场因缺失模数协调, 造成构件预制类型多, 每种构件加工量少, 生产效率低, 构件产品定型在新疆地区多年无法完成, 对部品系列化、通用化发展造成严重影响。

新疆地区由于住宅设计构件规格尺寸随意性较大, 建筑与部品、构件与构件间缺少固定模式的接口配合, 造成住宅成品质量不高, 观感档次低。不成熟的接口技术与不配套、不齐全的接口配件是降低最终成品质量的主要原因 (见图3) 。细节决定成败, 好的建筑设计作品若无精良的住宅构件、部品相配合, 将是空中楼阁;好的部品若无很好的配合接口技术, 就是粗劣制造。

标准化是产业化的基础, 而模数协调统一是实现住宅产业化的重要前提, 若缺失模数化技术对全产业系统的约束和协调, 住宅产业化将无从实施。注重发挥模数协调的最大效能, 需对住宅空间部位和住宅部品的参数系列进行优化选择, 因此新疆地区必须用标准化理念指导设计, 用工业定制化方式实施生产。

装配式钢结构住宅是采用框架柱承重, 轻质条板填充墙体的一种工业化住宅类型, 钢结构体宜采用扩大模数数列3n M^[2], 考虑到柱、梁结构体系与墙板围护体系是两个大类, 为减少部品构件规格, 均应执行模数标准化设计, 可采用复合定位法满足结构构件和围护构件的双重定位要求。在钢结构住宅平面传统的柱中心线定位系统的基础上, 再设置1套柱间净距排板的定位轴线系统, 即双轴线定位法, 既考虑承重构件柱、梁的定位, 又顾及墙板排板的模数要求。采用结构柱和围护墙板双轴线定位法更科学, 该定位法提示设计人员进行预排板时, 应充分考虑住宅门窗位置、门斗入口和拐角等构造因素对排板尺寸的影响, 以尽量减少现场裁切板材。

装配式钢结构住宅层高或净高是控制住宅建筑垂直方向外墙墙板高度定位的主要因素, 层高通常不变, 采用同样的外墙墙板, 根据外围护体系墙板施工安装方法的不同, 剖立面的定位方式有2种: (1) 层高线模数定位当采用外挂墙板构成的围护系统时, 层高就是墙板选取的高度, 模数网格线位于上下层楼板上或下表面上, 通过楼层的建筑层高进行定位, 层高线就是垂直模数定位线; (2) 净高线模数定位当采用嵌入式墙板构成的围护系统时, 净高就是墙板选取的高度, 即层高减去梁的高度就是净高, 净高线就是模数定位线。住宅层高宜采用基本模数和扩大模数n M。

在装配式钢结构住宅部品密集区域, 如厨房、卫生间等小尺寸空间功能区, 空间净尺寸先采用300mm为进级基数的一级模数网, 再嵌进30mm为基数的二级模数网。采用二级模数对住宅套内小空间和多种部品设计可在一级模数标准化前提下, 按设计意图或居住者需求更深层次调整并选择最佳的适配方案, 从根本上消除空间与部品、部品与部品尺寸不协调的情况。另外, 限定内装部品尺寸进级的模数, 能更好地控制主要部品尺寸, 形成规范化系列标准, 方便设计者选择更多的部品组合功能, 提高部品的互换性。对于小尺寸产品, 可使用二级模数系统的分模数进行设计, 如以模数3mm为进级基数的加密网格, 使设计更加精细化^[3,4,5]。

装配式钢结构住宅由一系列功能相对独立的模块部品组成, 因此建立工业化模块协调体系的关键是建立并实施部品系列化和通用化。住宅不同部品的使用寿命各异, 随着现代居民生活品质的提高和对居住质量的重视, 住宅部品维修与更换频率加快, 因此部品的系列化和通用化尤为重要, 因此应在满足基本需求的基础上, 推行最少化, 以实现多种住宅部品和组合品种简量化, 保证工厂制造的简易、经济及施工现场安装的方便和高效。在目前住宅工业化初期, 强调工业化部品协调体系面面俱到并不现实, 特别是如新疆等偏远地区, 首先应该做的是钢结构支撑体部品的定型化和模块化, 以大量减少结构构件和围护墙板的规格, 使构件可高度复制生产, 提高装配化率。其次是住宅厨房、卫生间的定型化和模块化, 考虑到厨房和卫生间漏水或现场设计问题可能对钢结构后期围护造成的影响, 需强调尽可能采用整体式厨房和卫生间, 这要求在设计时厨房和卫生间尽可能模数化, 能高度复制。最后才是内装体系的定型化、模块化设计, 内装体宜采用基本模数或M/2、M/5的分模数。

装配式住宅建筑设计系统性较强, 与施工建造组织设计密切相关, 标准化和多样化并不对立, 二者的有机协调配合能实现标准化前提下的多样性和个性化。新疆地区地广人稀, 经济相对落后, 装配式钢结构住宅设计应突出以少而精的套型和少量的标准化构件规格, 组合出多样化建筑形式的设计原则。在满足使用功能和空间灵活性与可变性的前提下, 强调标准化设计的易建性和高效性要求, 从而获得居民可接受的经济性和舒适性, 使新疆地区装配式钢结构住宅开发进入新阶段。