住宅建筑由于功能相对固定、建造量大并带有商品属性, 是所有建筑类型中最接近“产品”的一种类型。二战之后西方国家逐渐转变传统住宅的设计和建造方式, 引入工业化建造思想建造装配式住宅。随着社会的发展和技术的进步, 人们不但对住宅的质量和功能要求日益提高, 同时也开始重视住宅建筑的建造和使用过程是否能够秉承绿色和可持续的理念。装配式住宅不仅建造速度快, 建造能耗低, 而且能使住宅建造质量达到较高的标准和性能, 其方向符合绿色设计的基本理念和当今时代的发展趋势。

目前日本是世界上装配式住宅最发达的国家之一, 每年建造超过70 000间装配式住宅;英国的新建住宅超过30%是装配式住宅, 在爱尔兰和苏格兰, 近年来房屋的装配率超过了70%^[1];荷兰50%的住宅使用预制配件;瑞典木质独立住宅的预制率已经达到了84%;德国在2013年颁发建设许可的装配式住宅占新建住宅的9%^[2]。

从以上数据可以看出, 装配式住宅已在全世界范围内得到广泛应用, 与之对应的装配式住宅研究也非常充分。下面通过对装配式住宅模块化体系的文献综述以及两个国外案例的介绍, 从理论和实践两个角度, 总结当前装配式住宅模块化体系的主要发展趋势和动态, 帮助相关学者和从业人员了解模块化住宅, 以便制定适当的策略来克服已知的挑战。

研究采用文献分析法, 即对不同文献进行回顾和评价的一种系统方法。此次研究文献的种类包括论文、书籍和新闻报道, 所有文献均为电子文献。

文献检索方式为在SCI和EI数据库中搜索与“Modular Residential”“Modular Building”“Prefabricated”“Prefabricated Construction”相关的文献, 并将其中与住宅设计有关的文章挑选出来。为保证研究的前沿性, 选取的论文均发表于2010年之后, 绝大多数发表于2014～2018年。经过筛选, 挑选出36篇论文进行进一步分析。

从论文主题的分析结果来看, 36篇论文中关于装配式住宅在不同国家的发展研究共计15篇 (文献[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]) , 装配式住宅可持续性研究相关11篇 (文献[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]) , 参数化设计相关7篇 (文献[27,28,29,30,31,32,33]) , 其他类型3篇 (文献[34,35,36]) 。研究选取的36篇论文基本可以囊括当下关于装配式住宅模块化体系研究的全部主题, 从中可以看出当下的研究主要分为三个方向, 即不同国家的发展研究、可持续性研究和参数化设计研究, 下文将对其进行详细介绍。

装配式住宅的发展与每个国家的政策、工业环境和社会环境水平密不可分, 不同国家的装配式住宅发展情况也各有不同, 因而部分学者对各国的装配式住宅进行了比较研究。例如在模块研究方面, Ying-Chang Yu等人使用任务结构矩阵 (TSM) 分析美国和日本建筑模块设计趋势的不同, 发现日本的预制构件各部件的相互关联度更高, 即日本的建筑模块倾向于一体化, 而美国的建筑模块倾向于模块化^[3]。这意味着相比之下, 美国预制构件中的零件更容易被替换和修改。

除比较研究之外, 更多学者选择针对单一国家的装配式住宅发展进行研究, 从各个国家学者的研究内容可以看出不同国家装配式住宅的发展程度。日本已经有了高度成熟的装配式住宅体系, 因此, 健康、长寿命化成为日本装配式住宅研究的新方向^[7,8]。Kazunobu Minami介绍了日本自2009年起开始实施的长期优良住宅法令, 长期优良住宅是日本装配式住宅的新方向, 其主要指导方针是通过不断改进住宅的适应性以延长住宅的寿命, 其特点是支撑体长寿化、室内空间灵活化和维护更新简便化。

此外, 一种创新的模块化住宅建造方式正在全世界范围内流行, 这种建造方式将整间房间包括其内部设备都在工厂预制, 然后在现场进行组装, 在新加坡这种方式被称为厢式预制装配系统 (Prefabricated Prefinished Volumetric Construction, PPVC) 。Bon-Gang Hwang等人的研究指出了PPVC的关键阻碍和解决措施。在美国这种方式被称为永久模块化结构 (Permanent Modular Construction, PMC) , PMC的应用范围比PPVC更为广泛, 除了住宅之外, 还可以应用于学校、办公、医疗和商业建筑中^[9]。Ryan E.Smith和Talbot Rice研究了PMC在施工中的性能表现, 分析了17个案例 (主要集中在北美地区) , 其结果表明, 永久模块化结构能够节省16%的施工成本和45%的施工时间^[39]。在欧洲也有很多相关实践, 如R.Mark Lawson等人介绍了三个在英国建造的高层学生公寓案例^[36]。

中国的装配式住宅正在快速发展中, Jinyue Zhang等人论述了使用BIM系统建立关于建筑、结构和水电暖通的标准构件库, 并从中选择构件进行再设计和建造经济适用房的过程^[17]。此外, 该文献还介绍了在信息收集过程中先进硬件工具的应用方法, 包括使用3D激光扫描仪收集原始数据, 建立点云模型以便更好地协调MEP (Mechanical, Electrical and Plumbing) 系统, 以及使用测量机器人 (即全站仪) 进行快速安装。

装配式的建造方式被认为具有高效、安全、可持续的特点^[12], 模块化施工作为预制装配式方法的一种, 在美国、日本和欧洲的一些地方得到了广泛的应用。为充分了解模块化建造方法与现场施工相比的可持续性, 对模块化建造方法的可持续评估必不可少。可持续评估包括经济、环境和社会影响评估, 与建筑学相关的研究主要涉及环境影响评估。

Lu Aye等人比较了三栋模块化住宅的全生命周期隐含能耗 (Embodied Energy) 和运行能耗^[15]。三栋建筑位于澳大利亚墨尔本, 均为3 943m²的8层集合住宅, 分别使用了预制钢框架、预制木框架和传统混凝土框架结构, 假定使用年数为50年, 将全生命周期内的材料更换排除在外。结果显示钢结构、木结构和混凝土结构的隐含能耗分别为14.4, 10.5, 9.6GJ/m², 钢结构建筑的总能耗比混凝土建筑高50%, 尽管后者的重量是前者的4倍, 而这是因为钢材是能源密集型材料, 在制造的过程中能耗更高。此外, 研究还表明不同的施工方法对运行能耗影响不大, 钢结构、木结构和混凝土结构的运行能耗分别为21, 21, 20GJ/m²。

Xinying Cao比较了两栋住宅的资源消耗、能源消耗和建筑垃圾排放^[16]。这两栋住宅面积相当、层数相同, 都为钢筋混凝土结构, 由同一地产公司在同一地区 (北京市房山区) 建造。其中一栋为全现场施工, 另外一栋选用材料的1/3为预制混凝土。结果表明, 采用预制结构的住宅与现场施工的住宅相比, 总能耗减少了20.49%。预制结构的使用对环境影响较小, 减少了资源消耗35.82%、健康损害6.61%、生态系统损害3.47%。

John Quale等人比较了8个规模相同 (均为186m²) 且在同一地区建造的2层木框架房屋建造周期的温室气体排放量^[26], 其中3个是模块化施工, 5个是现场施工。模块化施工案例的能耗计算包括材料数量、材料和劳动力运输过程、工厂消耗的能量、模块运输以及组装过程中消耗的能量。现场施工案例计算了材料数量、现场能耗, 还考虑了材料和劳务运输过程中消耗的能量。温室气体排放的生命周期评估 (LCA) 分析结果显示, 与现场施工方式相比, 模块化施工对环境的负面影响较小, 模块化施工的住宅平均温室气体排放量比现场施工住宅减少了近6t的CO₂当量。

参数化设计是信息化时代建筑设计的必然趋势, 因此也被许多学者应用于装配式住宅模块化中。值得一提的是, 参考文献中超过50%的参数化设计都采用了建筑信息模型 (BIM) 作为设计工具, 这也证明了BIM是信息化时代计算机辅助设计最重要的工具之一。

Ana de Almeida等人论述了基于遗传算法的模块化住宅自动平面设计^[31]。文章将住宅平面设计看作是一个具有固定尺寸和附加定位约束的二维单个大型物体布局问题, 提出了遗传布局的编码、算符和参数, 得出了最终的参数化算法, 该算法能够生成符合所有设计和布置规则的房屋平面图, 可能的布局方案的数量由功能分区数量和它们的边长共同决定。

Manav Mahan Singh等人研究了基于模块协调规则的BIM对象的开发方法, 该方法允许设计者在模块协调 (MC) 的规则内创建模型^[27]。设计者使用模块协调标准在模块化框架中确定建筑对象的各种参数, 并开发基于规则的BIM对象。模块协调规则与BIM工具的集成不仅有利于强化设计过程, 还可以自动生成一些不需要设计专业知识的复杂建模或文档活动。全文以住宅设施为例, 论述了BIM软件使用模块协调规则进行定制建模的方法。

Alwisy等人探究了借助BIM软件为住宅构件工厂自动设计和生成构件图纸的方法^[28]。第一阶段为基于方案设计的BIM模型的生成, 包括:将生产线分为墙、窗户、门、连接、阳台和走廊组;为每面墙设计开口和连接, 并生成BIM。第二阶段为基于模块化制造BIM的生成, 包括:使用内墙作为隔离墙将平面划分为模块;生成由每个模块边界定义的地面元素和升级的BIM。第三阶段为详细的车间图纸生成, 包括:根据结构设计调整墙壁厚度;调整墙壁长度以便根据框架方法生成准确的连接;分析每个模块并构建其框架和生成车间的图纸和估算清单。

近年来纽约出现了不少用PMC方法建造的公寓楼, 这其中的主要原因是纽约有着高昂的人工价格和高密度的城市空间。建造商为了节省人工成本、减少场地占用和缩短工期, 不得不选用这种高效率的建造方式。曼哈顿堆栈公寓是纽约第一个PMC建筑, 是一栋位于纽约曼哈顿上城的7层公寓项目, 拥有28个住宅单元, 于2013年竣工。曼哈顿堆栈公寓采用简洁优雅的设计, 在可能的范围内将建筑材料利用率提到最高。

该项目需要制造、运输和组装56个模块, 模块尺寸和重量由运输和起重机上限决定。模块由宾夕法尼亚州贝里克的DeLuxe Building Systems建造, 之后被运往纽约并堆放在钢架平台上。在运输过程中, 需要特别注意模块的刚性和稳定性。模块之间连接点的设计也非常重要, 连接点必须设置在工人最易接近的位置, 最大程度地减少需通过已经安装好的墙壁和天花板连接位置的可能。当模块被提升到定位好的连接点后, 工人用螺栓固定或焊接的方式将两个模块连接起来。曼哈顿堆栈公寓的56个模块使用了19天的时间安装完毕, 这个过程只需要1台起重机和14名工人。

Ryan E.Smith等人的研究显示, 该公寓的模块制造成本为540万美元, 其他费用共计730万美元, 从设计到建成总共历时20个月, 施工总共花费了10个月, 其中模块制作耗时4个月。与传统建造方式相比, 节省成本10%, 缩短工期25%。此外, 在现场建设工期极为紧张的情况下, 工程曾因为保险手续的问题造成了延期, 这也说明在施工中忽略任何一个小细节都有可能导致整个工程进度延迟, 因此在模块化建造过程中, 各参与方的信息交流尤为重要。

近年来新加坡开始大力推广厢式预制装配系统 (PPVC) , 从2014年开始使用的PPVC施工法成为土地出让的条件之一, 新加坡建筑和建造管理局 (BCA) 建立了验收框架来认证每个PPVC供应商和制造商, 以确保在指定开发地点使用的不同PPVC系统可靠、耐用^[9]。在PPVC施工法中, 整间房间的结构与装修 (包括地面、墙面、吊顶等) 被视为独立模块, 在工厂预制之后运输至现场安装。PPVC模块分为钢筋混凝土PPVC模块和钢结构PPVC模块, 由于运输需要, PPVC模块高度必须小于4.5m, 宽度不大于3.4m, 重量小于80t。这样的尺度非常适合应用于居住单元, 新加坡最早建成的PPVC建筑主要是宿舍和酒店。

南洋理工大学北山学生公寓于2017年建成, 建筑分为6个组团, 共计13层, 其中有1 580间单人宿舍和66间公寓。其核心筒以及部分功能空间采用现场施工的方式, 大部分居住模块使用了PPVC模块。公寓的建设使用了1 200个钢结构PPVC模块, 单人宿舍模块使用了水泥楼板, 公寓模块使用了轻质混凝土楼板。在整个公寓的施工过程中, 减少了20%的人力需求, 提高了40%的生产力。

项目建造使用的PPVC模块首先在中国生产, 主要包括模块的框架、地面 (包含地砖) 、窗户、内门的框架以及内隔墙。随后整个模块被运送至新加坡的工厂, 用1～2周的时间安装电线、水管、开关、热水供应系统、厕所地面和门等。最后模块被运送至现场安装, 每天能够安装6～8个模块, 在模块连接好之后, 才能将排水管与下方的模块进行连接。直至所有的水电管线以及机械设备都安装、连接完成, 铺上走廊地砖后, 整个安装工程才算完成。

PPVC施工法的优点在于能够提高资源利用效率, 使建筑浪费最小化, 减少现场承包商, 缩短施工工期, 节省劳动力。同时有三点挑战:1) 成本过高, 尚未规模化生产导致制造成本过高, 而大体积的模块使运输成本过高;2) 对设计和管理的精确度要求较高, 一旦设计定稿就很难再任意修改, 否则会造成不必要的构件浪费;3) 由于运输条件的限制, 构建大跨度模块仍然具有挑战性。

随着装配式住宅的推广和普及, 模块化设计作为一种有效的装配式住宅设计方法也在快速发展。经过对近年来相关文献的综述和案例分析, 梳理当下的装配式住宅模块化体系研究和实践, 结论如下:

(1) 从当下的研究和实践来看, 近年来PPVC及类似方法被较多地应用于集合公寓的建设上, 这是与当前社会经济环境相匹配的建造方法。我国目前已经具备制造PPVC模块的能力, 同时也是世界上集合住宅建设量最大的国家, 采用此类模块化建设方法容易形成规模效应, 降低成本, 工厂化的建造方式也便于质量控制。从长远来看, PPVC工法比当下主流的装配式住宅建设模式更适合我国。

(2) 可持续是装配式建造的特征之一, 也是各国大力发展装配式住宅的原因之一。然而, 对业界而言, 装配式建造的可持续性尚需可靠的定量分析和结果支撑。目前的研究成果表明, 相较于传统施工方法, 装配式住宅在建造阶段对环境影响较小, 但针对建筑物其他生命周期的研究尚不够全面和完善, 无法有效地论证装配式住宅的可持续性, 未来的研究需要在这些方面进一步深入。

(3) 参数化设计是当代建筑设计的大趋势, 在装配式住宅模块化设计领域也不例外。从现有研究来看, 当前的应用多为使用系统的方法 (算法) 处理设计深化过程中产生的大量数字化信息。参数化设计中使用的方法 (算法) 是决定参数化设计是否成功的关键, 要开发适合的方法 (算法) 需要设计师使用数学逻辑剖析模块化设计问题, 寻找一条与传统设计逻辑完全不同的设计思路。

图片来源

图1来源于文献[39], 图5来源于文献[38];图2～4为作者自绘。