推进集成装配式模块房高质量发展研究
在奋力抗击新冠肺炎疫情过程中,无论是2020年初建设武汉雷神山医院、火神山医院和深圳第三人民医院应急院区项目,还是2021年初建设的河北石家庄、邢台南宫抗疫隔离治疗医院,乃至2003年应对非典疫情建设的小汤山医院,采用最多的是集成装配式模块房,这类房屋凭借其超快的建设速度、较高的建设质量、大兵团施工组织模式,在疫情防控阻击战中发挥了关键作用,保障了人民群众生命安全。
按照平战结合的要求,系统分析集成装配式模块房技术体系优势和推进过程中存在的问题,提出高质量发展的政策建议,将为在更广泛领域应用此类建筑形式,实现建造方式转型升级和高质量发展,进而打造中国建造品牌奠定坚实基础。
1 集成装配式模块房在抗击新冠肺炎疫情中发挥的关键作用
无论是2003年的非典,还是本次新冠肺炎疫情,都体现了突发性公共卫生事件的共同特点:一是事件突发,整个社会准备不足;二是集中爆发,传染迅速;三是救治需求急迫,但医疗和生活物资紧张,收治能力存在巨大缺口。在疫苗和药物研制完成之前,应对这些问题的最有效方法是阻断传染途径,建造更多隔离治疗空间,将所有确诊、疑似病患隔离开来集中治疗。而集成装配式模块房造得好、建得快、功能全的优势,恰好满足了抗疫隔离治疗房紧迫的功能性需求。
集成装配式模块房特有的组合方式与隔离治疗医院功能组合需求紧密吻合,确保了优秀设计理念顺延和生产、施工安装高效率完成。快速出设计图是应急隔离治疗医院快速建设的关键。而借鉴原有设计思路、设计方案和图纸,能够最大程度提高设计效率。武汉火神山医院参考了北京小汤山医院设计图纸,同样,火神山医院设计思路也为石家庄隔离治疗点迅速解决建筑设计问题提供了巨大帮助。
抗疫隔离治疗医院项目都严格遵循“三区两通道”设计原则:三区是指清洁区、半污染区和污染区。清洁区与污染区之间要有过渡区域;两通道是指清洁医护通道和一般医护通道。以火神山医院病房楼为例,中间是医护用房和走廊,两侧是病房。不仅医生和病人活动区域相互分开,每一个伸出去的病房区域也相互分开。多个病房护理单元形成一个H型治疗区域,每个治疗区域之间的连接体是公共区域。化验、检查等工作在公共区域进行。
标准单元横向、纵向扩展的组合方式与隔离治疗医院特有的功能空间组合需求相吻合,H型模块可以不断增加,扩展容纳更多病人,但不影响已有模块。一旦发生疫情恶化或失火等紧急情况,将部分单元封闭就能保全其他单元。
同时,通用尺寸的模块化设计是装配式模块房拓展的关键。集成装配式模块房采用标准化通用尺寸,火神山医院病房单元尺寸是3米×6米,走廊通用单元尺寸是3米×3米。通用单元尺寸内根据不同需求隔离出不同小型功能房间。因每个病房单元尺寸统一,故可根据需要沿横向、纵向、竖向不断延伸或替换,形成多种功能的使用空间。模块单元排列数量和长度都可视疫情和场地需要进行调整。通用尺寸设计既保证了功能空间的重叠拓展,又保证了构件重复率最大化,最大程度保证批量生产,提高施工效率。
2003年,采用集成装配式模块房建造方式,7天建成北京小汤山医院,建筑面积2.5万平方米,可容纳1000张病床;时隔18年,武汉火神山医院、雷神山医院从方案设计到建成交付仅用10天左右时间,建筑面积约为3.4万平方米和8万平方米,共使用了5000多个临时打包式模块;深圳市第三人民医院应急院区项目建筑面积5.9万平方米,提供1000张床位,用时20天;石家庄集中隔离治疗医院总建筑面积11万平方米左右,共建设4100多套集成装配式模块房。
据抽样统计,包括中建科工、中建集成建筑、烟台万华、中冶天工、浩石集成房屋、扬州泰利、广厦房屋等10多家企业在内,为应对本次新冠疫情采用集成装配式模块房已承建或参建了近40多个隔离治疗医院项目,总面积近60万平方米,采用临时打包式模块近23000个,从工程实践角度印证了此类房屋的独特优势,展现了广泛的适应性和巨大应用潜力,也为集成装配式模块房建造方式在更广泛领域应用提供工程实践的借鉴。
2 集成装配式模块房的独特优势
集成装配式模块房(有模块化箱式集成房屋、轻型模块化钢结构组合房屋、集装箱房、打包箱式房等多种称呼),是通过标准化设计、工厂化制作、模块化安装的,集建筑、结构、机电设备、装修于一体的,具有可移动、可周转、可重复拆装特性的钢结构工业化建筑产品。
从产品集成程度、组装方式、建筑耐久性和品质而言,集成装配式模块房可分为永久性装配式模块房和临时性装配式模块房(打包箱)。临时性集成装配式模块房因生产效率高、产品供给量大、运输效率高(打包运输比在1∶4到1∶5),在绝大多数应急隔离治疗医院中得以广泛采用。
集成装配式模块房不仅在应急隔离治疗医院项目中能够得以应用,在其他抗震救灾快速建设需求强烈、使用环境恶劣、建设资源和市政功能配套资源匮乏地区也大有用武之地。从调研企业承揽集成装配式模块房项目数据看,集成装配式模块房还被广泛应用于公共建筑、矿山营区和维和部队营区建设中。如天津子牙尚林苑项目,建筑面积近1万平方米,层高5层、局部6层,采用永久性装配式模块与钢框架混合结构建设,审批手续齐全,在集成装配式模块房用于永久性公共建筑方面进行了积极的探索。其他建设项目,如深圳前海商务中心、北京汇佳中学、巴新公务员住房项目、蒙古奥尤陶勒盖矿营地房,以及部分维和部队营区房,都体现了集成装配式模块房在较多特定领域的广泛适应性。
2.1 从结构形式、建造方式角度保证了好和快
集成装配式模块房主体结构由顶框、底框及立柱组成。围护墙板采用带饰面复合保温板,集钢骨架、保温、装饰于一体,工厂化预制,现场装配。每个单元模块配置独立的机电设备系统,管线预埋在结构内部,通过快速连接头实现标准化连接。
从结构形式角度保证了好。集成装配式模块房主体钢结构模块的抗风、抗震、隔热、防火、气密水密性能够满足设计要求;钢制波纹板构成的外围护结构,满足抗冲击和可靠密闭性要求,确保防疫模块房病毒不会对外扩散;水电接口全部采用模块化快速插接,可以在不同工况下独立使用。
从建造方式角度保证了快。集成装配式模块房可以现场搭建装修,也可以在工厂完成内部装修直接运到现场组建,功能与结构一体化。每个单元都是独立标准模块,可以多单元同时施工。如通用型的病房箱、走廊箱等与特定功能型的卫生间箱、楼梯间箱,可独自成型后再无缝衔接,减少了交叉导致的误工,保证了快速搭建。同时,小体量构件应用确保施工效率。抗疫医院项目无法保证每个构件都用吊车,集成装配式模块房构件小型化成为首选。火神山医院、雷神山医院和石家庄隔离治疗医院项目的模块房都尽量拆分成多种小型构件,工人能够直接搬运安装,提高安装效率。
2.2 从环节整合和拆装复用角度,保证了绿色建造
从环节整合角度而言,集成装配式模块房是建筑工业化高度发展的结果,它将传统建筑的设计、采购、制造、安装、装饰装修、家具家电布置等各环节内容重新组合,打通诸环节各自分割的壁垒,前期完善的规划生产意味着更少浪费、更少的现场再加工和更精确的材料用量,也更容易建造出比在工地环境中更好的建筑品质。
采取“工厂制造+现场安装”模式,项目现场可减少施工用水量,施工、装修垃圾减少约70%,整体安装效率提升约2~3倍。利用不同形状模块间种植草皮或观赏植物可节约更多土地。同时,集成装配式模块房的拆装周转复用能够较大程度降低环保成本。与预制钢筋混凝土结构或轻钢结构相比,集成装配式模块房因能够重复拆装,使得环保成本更低。多数企业的模块房产品均可以重复拆装3次左右,通过整体拆移做到换地不换房,并可通过回收二手集装箱进行改造搭建,提升残余价值,这些都能有效降低环保成本。
2.3 从建设管理模式角度,确保了项目顺利实施
建设应急隔离治疗医院难度最大之处还在于专业统筹、资源调度和进度管理。以火神山医院为例,设计单位5小时完成设计方案,24小时完成施工图,边建设边完善方案;施工单位全部实施两班倒。在7万平方米的施工现场,近千名管理人员、4000多名工人和几百台机械设备24小时轮班作业。各类分包单位有上百家,更有几百家不同地区、不同行业的生产厂家参与建设材料供应。春节期间仅用10天时间就完成了这些物资、人员调度协调,成熟的建设管理模式和高超的工程管理水平是项目顺利实施的重要保障。
集成装配式模块房的专业协同较好地满足了隔离治疗医院功能需求。在项目水暖电方面,火神山医院集成模块房对给排水、暖通、电气等进行协同设计、同步安装。医院废水从排出到处理合格要经过7道工序,暖通专业要实现各个区域不同的空气压力梯度。3家电信运营商在火神山医院开通4G、5G基站,确保超过5000万人同时观看直播做“云监工”。
3 集成装配式模块房推广过程中存在的问题
从行业发展和产品质量角度而言,装配式模块房,特别是临时性模块房制作门槛较低,专业技术人员相对缺乏,不同生产厂家产品质量良莠不齐。个别厂家产品质量低劣,在钢构件厚度方面,角柱厚度就包括3mm、2.5mm、2mm等多种规格,而相关标准规定,顶底梁和立柱厚度要大于3mm;在保温板厚度方面,夏热冬冷地区墙板内保温如采用玻璃丝棉,其厚度就包括75mm、50mm等不同规格,而相关标准规定,如采用玻璃丝棉,厚度应为75mm;部分厂家模块房底部无保温棉,顶部保温棉仅10mm,而相关标准规定和通用做法是,采用玻璃丝棉卷毡,厚度为100mm,导致部分模块房产品保温性能远低于国家标准。行业发展无序,市场信用体系尚未建立,低价竞争导致个别企业产品质量堪忧。
从模块房标准和计价依据角度而言,专业性功能房缺乏相应标准,工程实践中多参考其他标准,如模块房中CT类房屋参考医疗固定房屋相关标准,部分专用功能房较难找到相应标准参考。应急模块房多为临时建筑,任务执行完成后可拆除,与所参照标准中的固定建筑要求有较大差别,标准执行度不高。目前集成装配式模块房标准主要包括行业标准、协会标准以及标准图集,如《轻型模块化钢结构组合房屋技术标准》、《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》等。
目前多数厂家技术体系、生产施工工艺有较大差异,个别厂家在部品质量、连接节点安全性及耐久性等方面不执行标准,主要依靠对龙头企业产品的仿制,结构体系未经结构测算和节点受力实验验证,为产品质量埋下隐患。行业技术创新机制不足,成果保护措施亟待加强。另外,集成装配式模块房尚缺乏能统一参照的计价规范,审计阶段涉及造价方面的工作比较繁杂。
从模块房通用尺寸和适用范围而言,模块房单元存在尺寸不统一问题,如部分厂家标准箱长度6055mm,如作为走廊箱使用,会与6000mm模数不匹配。再如箱体高度,目前常见高度2896mm,但个别模块房厂家产品高度低于该尺寸。应急项目工期紧迫,亟需产品具有较高的标准化程度,便于日常储备、随时调集,尺寸亟待统一。模块房本身特点导致建设层数受限,临时装配式模块房通常建到1~2层,永久性装配模块房能建到5~6层,限制了其适用建筑范围。同时,由于多数模块房设计比较倾向于工业化风格,市场接受程度待提高。
从模块房造价角度而言,临时性装配式模块房价格大致在900元/m2~1700元/m2左右,加上基础和水电道路折算500元/m2,大致在1400元/m2~2200元/m2,这与冷弯薄壁轻钢结构2000元/m2~2500元/m2价格大致相当。如考虑应急建设需求,装配式模块房造价还会有所上升。但装配式模块房建设效率要高于冷弯薄壁轻钢结构。同时,其降低成本路径可包括:模块房施工周期较短,可使资金回笼速度较快,能在一定程度上减少企业管理费及资金成本;模块房能够周转复用,据测算,循环周转二次后便低于混凝土建筑单价,但目前市场要求周转使用的客户较少。
4 推进集成装配式模块房高质量发展的建议
集成装配式模块房展现出的集成化、流程化、社会化特点与新型建筑工业化发展路径高度吻合。这种建造方式能够实现更短的施工时间、更好的质量、更少的对分包商依赖,更少基础建材运输,对当地基础设施需求较少,减少过程浪费,减少成本超支,确保工期控制,集成装配式模块房建设将成为细分工程建设领域的发展趋势。
4.1 加强政策引导,通过试点示范引领产业发展
集成装配式模块房建筑兼具绿色建筑与装配式建筑特点,可将其置入两类政策推进范畴,明确发展方向,加大扶持力度,在政府投资的应急保障建设项目中优先选用集成装配式模块房,完善金融、财政、税收优惠和容积率奖励等配套政策措施,形成长效激励机制。在医疗救治、应急救灾场景下的应急性隔离治疗医院、模块化小型医院、乡村诊所,流动医疗点、方舱医院,以及在政府投资的、对环保和工期有迫切需求的学校、宿舍、办公楼等具体工程项目中开展工程试点,有的放矢采用永久性或临时性装配式模块房,探索模块房全过程整体解决方案,突出高效优质和长期成本优势,形成试点示范引领效应,推进产业发展。
4.2 平战结合、军民融合,做好物资储备和需求规划
加强平战结合,将装配式模块房屋产品纳入应急救援产品目录清单,从政府层面引导企业发展此类建筑,藏箱于民。前瞻性研究对集成装配式模块房有重大需求的应急场景,根据不同场景预测建设需求量,制定近远期发展规划,满足平时民用、战时军用需求。加强军民融合,抗疫应急与军队战备的应急场景有众多相似之处,可将民用抗疫集成模块房建设经验和成果向军队应急需求转化,军民融合、保障国防。
4.3 完善标准体系,细化标准种类内容
从国家、行业层面完善集成装配式模块房标准,保证产品质量、工程质量和安全,规范各方行为,保护人民群众利益。应在现有行业标准、团体标准基础上,集各方力量,结合不同应急场景的集成模块房技术体系,提炼创新成果,形成完整的标准构架体系,定型生产、运输、施工、维护等方面标准要求。应依托强制性要求对结构主体、围护与结构体之间连接等技术进一步定型化,逐步解决永久性集成装配式模块房竣工验收问题。
在集成装配式模块房标准中进一步融入地基基础设计、结构荷载、抗震设计、给水排水设计、防火设计等其他标准规范文件中的内容,兼顾考虑医院类建筑设计、医院负压隔离病房环境控制等跨行业规范要求,形成完善的系统集成解决方案。通过设计指南等技术性文件,将抗疫隔离治疗医院的设计原则、要求定型化,为可能出现的应急性公共卫生事件提供设计储备。引导设计单位有所侧重地应用装配式模块化建筑,鼓励科研部门和院校加强对模块化建筑研究。编制单元模块和部品标准等,提高构件标准化、通用性水平,降低产业链成本。
在计价引领方面,针对实际工程中存在的认质认价难等问题,按照永久性、临时性模块房的不同分类,完善计价定额体系,建立价格动态调整机制,确保集成装配式模块房认质认价有据可询,全面提升装配式模块房应用的便利性。
4.4 推进标准化、一体化设计,提升性能和质量
为保证集成装配式模块房的舒适性、稳定性,弱化临时性感受,应结合其特点形成一套通用的设计流程,推进标准化、一体化设计联动模式。推进标准化设计,在模数协调基础上遵循少规格、多组合原则,推进模块基本单元上下重叠组装、模块构件交错叠置、模块构件与板材组装、模块构件与框架结构组装、模块构件与筒体结构组装连接构造的标准化。提高部品部件、设备管线的通用性和互换性,采用标准化接口。
根据建筑类型、使用功能、部品部件装配要求,以及制造、运输、安装难易程度和工程造价高低对比,选择建筑开间、进深、层高、洞口等的优先尺寸。优先尺寸种类适用精简为好。根据生产装配要求、主体结构的层间变形、密封材料变形能力、材料干缩、温差变形、施工误差等,确定部品部件尺寸、安装位置公差协调。
推进一体化设计。依托BIM信息平台,综合考虑模块模数、钢框架柱梁位置、孔洞预留、预埋件设置、管线走向、功能布局、装修配置等因素,开展全专业一体化、装修一体化的联动协同设计。结构设计应传力可靠、构造简单;模块间的角件焊接、垫件连接要保证安装位置对齐且与连接件间紧密接触;围护系统宜采用轻质材料和干式工法;内装系统应采用装配式装修;管线系统应方便检修、维护和更换,通过统筹考虑材料性能、加工工艺、运输限制、吊装能力要求,确保模块房集成度、施工精度和效率的提升。
4.5 研究拆装式技术,拓展应用场景
探索通过拆装复用降低装配式模块房成本的技术路径。集成装配式模块房90%的材料可回收二次复用,将大幅拉低建设成本。目前多家企业产品都能实现循环应用,但对拆装后二次、三次复用后节点安全性、耐久性理论分析和计算,拆装后节点构造措施、部品二次复用比例和经济性分析等,有待深入细化研究。产学研结合深入分析集成装配式模块房拆装式技术体系,形成研究成果,定型化可拆装部品部件、连接节点,形成技术标准、施工指南和专利成果,为合理降低工程造价、推进绿色建造奠定基础。
引导企业完善集成装配化模块房产品系列。在快速建设需求强烈、使用环境恶劣、建设资源和市政功能配套资源匮乏、需要拆移循环周转使用等场景,全面推进集成装配式模块房应用。目前,深圳前海商务中心、北京汇佳中学多功能馆,以及众多维和部队营区建设项目中,均应用了集成装配式模块房。下一步,要细分产品种类,加强对通用、专用单元模块研究,固化材料、单元典型产品,完善通用尺寸结合功能空间的细分规则,优化承插接口,在公寓、酒店、文化旅游景区用房,市政展览及大型商业活动用房等项目中,全面拓展集成装配式模块房应用场景。同时,推进永久性集成装配式模块房应用。永久性集成模块房的模块单元在工厂高度集成预制,集成度高,品质好,可参照现有成熟项目的设计、施工经验,特别是参考其工程建设报建、监督管理模式,在更多居住型建筑中探索应用永久性集成模块房。
5 结 语
本文从集成装配式模块房在抗击新冠肺炎疫情中,又快又好建设应急抗疫隔离治疗房角度出发,从设计生产、建造方式、环节整合、拆装复用和建设管理角度分析其优势,剖析集成装配式模块房在推进过程中存在的不足,并从政策引导、平战结合、军民融合、技术支撑和拓展更广泛应用场景等方面提出建议。相信随着对集成装配式模块房研究进一步深入和工程实践进一步增多,这种建造方式将在更广阔领域得以应用,用更快速度建造更多高质量集成装配式模块房,将为进一步塑造中国建造品牌提供支撑。