應(yīng)急情況下紙與鋼在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李沐宸 王越 陳冉

摘要：本文對(duì)比研究裝配式建筑在中國(guó)兩次災(zāi)情下的材料應(yīng)用，簡(jiǎn)述裝配式建筑特點(diǎn)及其在近代中國(guó)的發(fā)展，立足于不同災(zāi)情介紹兩個(gè)不同類型的案例，分析不同材料的優(yōu)勢(shì)，提出看法與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑;災(zāi)后應(yīng)急;紙;鋼結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）05-0-02

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，裝配式建筑作為一種高效率的建筑形式，與傳統(tǒng)建筑形式相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。分析在不同災(zāi)情下不同形式裝配式建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)用，對(duì)于裝配式建筑的多樣性與發(fā)展具有重要意義。

1 裝配式建筑簡(jiǎn)述

1.1 裝配式建筑的定義

裝配式建筑是指經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化設(shè)計(jì)，在工廠預(yù)制出符合建筑工業(yè)化要求、具有精準(zhǔn)尺寸的建筑構(gòu)件，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝完成的建筑。根據(jù)不同分類方法，裝配式建筑可分為不同類型。一是從使用功能來劃分，可分為預(yù)制裝配式工業(yè)建筑和預(yù)制裝配式民用建筑，其中預(yù)制裝配式民用建筑包括預(yù)制裝配式公共建筑和預(yù)制裝配式住宅建筑;二是從建筑材質(zhì)的角度劃分，可分成預(yù)制件裝配式木結(jié)構(gòu)建筑、預(yù)制件裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑和預(yù)制件裝配式鋼筋混凝土建筑[1]。裝配式建筑的起源可追溯到約五千年前埃及人與美索不達(dá)米亞人將泥巴通過木質(zhì)模具成型后經(jīng)陽光暴曬制成泥磚，以多種組合方式建造出不同的建筑整體。發(fā)展至兩千年前，在蒙古游牧民族使用的帳篷的形態(tài)中，也可以追尋到裝配式建筑的影子。為了游牧遷徙，帳篷部件的重量與尺寸經(jīng)過設(shè)計(jì)制作，具有快速建立或拆除的靈活性，省去了牧民趕草場(chǎng)途中反復(fù)收集與建造的麻煩。這些建筑都具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、預(yù)制生產(chǎn)、便捷運(yùn)輸、快速拼裝等裝配式建筑特點(diǎn)。

1.2 裝配式建筑在近代中國(guó)的發(fā)展

20世紀(jì)50年代，我國(guó)進(jìn)入了工業(yè)化起步階段，全國(guó)建筑行業(yè)推行機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在裝配式建筑的發(fā)展上取得了顯著的成就。1958年，北京建成首批疊合框架住宅，加快了施工速度并節(jié)省了模板，至20世紀(jì)末，我國(guó)疊合式裝配建筑總數(shù)增加到了近30個(gè)。20世紀(jì)60年代，混凝土工藝得到改良，北京采用混凝土壁板技術(shù)建成約30萬平方米的住宅區(qū)，往后10年間，天津、上海、哈爾濱等城市相繼使用混凝土壁板技術(shù)建成了大規(guī)模的小區(qū)。在裝配式建筑的建造過程中體現(xiàn)了工期短、節(jié)能節(jié)材等優(yōu)勢(shì)，裝配式建筑被應(yīng)用于我國(guó)臨時(shí)性災(zāi)后建筑的建造中。2003年流行性傳染病非典暴發(fā)，政府決定建設(shè)非典定點(diǎn)醫(yī)院，集中收治患者，運(yùn)用裝配式建筑技術(shù)，僅用了8天時(shí)間就建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的傳染病防治醫(yī)院。2008年汶川地震發(fā)生后，日本建筑設(shè)計(jì)師坂茂在災(zāi)區(qū)設(shè)計(jì)了紙管框架的裝配式建筑華林小學(xué)與苗苗幼兒園。2020年，為收治新冠肺炎患者，火神山醫(yī)院從方案設(shè)計(jì)到建成僅用了10天，總面積33900㎡，初始編設(shè)床位1000張。

2 裝配式建筑在震后臨時(shí)安置中的運(yùn)用

2.1 震后裝配式臨時(shí)建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在災(zāi)情發(fā)生后及時(shí)建立臨時(shí)安置設(shè)施對(duì)于災(zāi)后救援有重要意義。震后臨時(shí)裝配式安置空間的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有4個(gè)：一是建造臨時(shí)安置建筑要遵循“輕而固”的設(shè)計(jì)理念。在建造過程中，應(yīng)選用較為輕盈的建筑材料與堅(jiān)固而有韌性的支撐結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)建筑整體抗震性。二是應(yīng)適宜當(dāng)?shù)刈匀粭l件，尊重自然環(huán)境，運(yùn)用科學(xué)的裝配式建造技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化施工管理，與自然和諧共處，使用太陽能等清潔能源以減少對(duì)工廠發(fā)電的依賴，依據(jù)當(dāng)?shù)氐乩硖攸c(diǎn)科學(xué)選址，避免洪災(zāi)、泥石流等次生災(zāi)害摧毀臨時(shí)安置場(chǎng)所。三是建造成本應(yīng)低于傳統(tǒng)現(xiàn)澆技術(shù)建造成本。四是重視建筑對(duì)災(zāi)民的安撫作用。五是要考慮臨時(shí)安置建筑的后續(xù)延伸，作為裝配式建筑，可根據(jù)城市重建規(guī)劃將建筑整體拆卸后異地重建，或?qū)⒀b配部件回收加工再利用[2]。

2.2 震后重建的紙管校舍

2008年汶川地震后，坂茂在成都華林縣設(shè)計(jì)建造了實(shí)驗(yàn)性災(zāi)后臨時(shí)安置紙管建筑——華林小學(xué)校舍。作為震后臨時(shí)校舍，華林小學(xué)采用了紙質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，材料環(huán)保，構(gòu)造簡(jiǎn)單，建造方便，非專業(yè)人員也可以參與到建造中來。（如圖1）

紙是天然材料，相比鋼筋、混凝土等一次性建筑材料，將紙管應(yīng)用在裝配式建筑中具有材料優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過加工的紙管廢棄后可自然降解，環(huán)保無污染，工廠生產(chǎn)的硬紙管等建筑部件可以循環(huán)使用，反復(fù)搭建，減少建材的浪費(fèi)。紙質(zhì)材料成本不高，技術(shù)要求低，一般的紙生產(chǎn)廠家即可生產(chǎn)出符合要求的硬紙管，拼裝過程簡(jiǎn)單，非專業(yè)的志愿者也可以參與到建造過程中，節(jié)省施工費(fèi)用，而且紙管形態(tài)靈活、重量輕，運(yùn)輸費(fèi)用比傳統(tǒng)建筑材料低。紙管部件的標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)和非專業(yè)人員的參與，縮短了施工工期，成為紙管構(gòu)架裝配式建筑在以恢復(fù)生活、教育為目標(biāo)的臨時(shí)安置設(shè)計(jì)中不可忽視的優(yōu)勢(shì)[3]。

坂茂在解決災(zāi)后臨時(shí)安置的同時(shí)，也考慮了建筑的形式美。在滿足結(jié)構(gòu)與實(shí)用性的基礎(chǔ)上，屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)滿足了災(zāi)后人們對(duì)于空間的心理需求。為了保證屋頂?shù)臒峁π埽菝娌捎昧四緤A板、泡沫板和半透明波紋板，在木夾板上切割出圓形并掏空處理。屋頂設(shè)計(jì)建立了建筑內(nèi)部空間與外部環(huán)境的聯(lián)系，圓洞在白天將室外光線引入室內(nèi)增加室內(nèi)采光，減少人工光源的使用，在夜晚將室內(nèi)的燈光投映到建筑外部屋面，標(biāo)志性的圓形燈光在夜間方便辨別?？臻g內(nèi)外的光影互動(dòng)與日照隨著時(shí)間偏移在室內(nèi)產(chǎn)生的光影變化，在視覺上為孩子帶來輕松愉快的空間感受，安撫震后焦慮抑郁等消極情緒[4]。（如圖2）

華林小學(xué)紙管校舍對(duì)于可循環(huán)的天然材料的運(yùn)用及其制作工藝，將綠色環(huán)保的理念引入災(zāi)后應(yīng)急建筑的建造，增強(qiáng)了臨時(shí)安置設(shè)計(jì)的靈活性與可循環(huán)性，為我國(guó)裝配式建筑在震后臨時(shí)安置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了重要的參考。

3 裝配式建筑在應(yīng)急醫(yī)療建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 裝配式建筑運(yùn)用于臨時(shí)傳染病醫(yī)院的適用性

在疫情下，應(yīng)急醫(yī)療建筑的建設(shè)不同于常規(guī)醫(yī)療建筑，對(duì)建造過程、施工工期等方面有了新的要求，裝配式建筑為臨時(shí)傳染病醫(yī)院設(shè)計(jì)提供了新思路。

裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比具有施工簡(jiǎn)易、工程進(jìn)度快、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，對(duì)臨時(shí)傳染病醫(yī)院具有很強(qiáng)的適用性。在建造過程中，裝配式建筑以干法施工為主，工廠批量裝配部件后集中運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，由技術(shù)人員拼裝，減少粉塵、建筑垃圾的產(chǎn)生，施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化程度高，不需要人員密集作業(yè)，避免了施工人員感染。在配件生產(chǎn)方面，傳染病醫(yī)院病房標(biāo)準(zhǔn)化程度高，模數(shù)常規(guī)統(tǒng)一，在工廠批量生產(chǎn)病房裝配部件，工人現(xiàn)場(chǎng)操作裝配，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力與管理費(fèi)用，縮短施工周期，與傳統(tǒng)建造模式相比，裝配式建造更快速高效。裝配式建筑的組裝部件具有一定的通用性與靈活性，有利于維護(hù)管理與檢修更換，建筑的可持續(xù)性強(qiáng)，與此同時(shí)，互換性部件與拆卸方便的建筑單元使內(nèi)部空間更靈活，可以根據(jù)需要對(duì)空間進(jìn)行調(diào)整重組。

3.2 火神山醫(yī)院設(shè)計(jì)

武漢火神山醫(yī)院于2020年2月建成，建設(shè)用地約50000㎡，總建筑面積約33900㎡，病床數(shù)量1000張，是專門集中收治新冠肺炎患者的臨時(shí)傳染病醫(yī)院。

火神山醫(yī)院采用預(yù)制件拼裝技術(shù)，充分利用裝配式工業(yè)化構(gòu)件，大幅降低現(xiàn)場(chǎng)施工的作業(yè)量，縮短施工工期;在建筑外部拼接過后進(jìn)行整體裝配，現(xiàn)場(chǎng)施工與整體吊裝穿插進(jìn)行，提高工作效率。在施工過程中，施工方在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)了50000㎡的高性能滲透膜，阻隔污水與污染物下滲;醫(yī)院管網(wǎng)采用全封閉運(yùn)行，處理達(dá)標(biāo)后才可排入當(dāng)?shù)厥姓艿馈Ｃ块g病房安裝了獨(dú)立不循環(huán)的新風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)，保持病房?jī)?nèi)空氣清新。

火神山醫(yī)院采用了鋼結(jié)構(gòu)裝配體系，鋼結(jié)構(gòu)跨度大，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)柱少，適合用于臨時(shí)傳染病醫(yī)院的護(hù)理單元布局設(shè)計(jì)，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸小，提高了空間利用率，緩解了醫(yī)療器械升級(jí)換代給有限的醫(yī)療空間帶來的壓力，滿足了醫(yī)院長(zhǎng)期發(fā)展擴(kuò)建的需要。鋼材本身具有延展性與抗震性，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的支撐結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的安全性能更高。

火神山臨時(shí)傳染病醫(yī)院利用了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)，在緊急疫情下快速響應(yīng)，運(yùn)用獨(dú)特的排污系統(tǒng)與巧妙的平面規(guī)劃，全方位隔絕污染，對(duì)以后的臨時(shí)傳染病院設(shè)計(jì)具有借鑒意義[5]。（如圖3）

4 裝配式建筑中紙管與鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)比

我國(guó)的裝配式建筑發(fā)展至今，紙管裝配技術(shù)發(fā)展處于萌芽階段，并沒有廣泛運(yùn)用于建筑工程中。相比之下，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)五六十年代到現(xiàn)在已有完備的產(chǎn)業(yè)鏈與相對(duì)成熟的生產(chǎn)技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑中的實(shí)踐也比較豐富。本文對(duì)裝配式建筑中紙管與鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用比較分為3個(gè)方面。

4.1 功能實(shí)用性

紙管拼裝與鋼結(jié)構(gòu)拼裝都具有裝配式建筑工期短、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，但針對(duì)不同災(zāi)情下的不同需求，鋼結(jié)構(gòu)與紙管結(jié)構(gòu)差別明顯。紙管結(jié)構(gòu)的建筑材料容易獲取，不會(huì)受到天氣與物價(jià)的影響，材質(zhì)輕盈，形態(tài)靈活，運(yùn)輸成本低，因此將其運(yùn)用在災(zāi)情下的基礎(chǔ)設(shè)施建造中更能發(fā)揮紙管結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在特殊功能的應(yīng)急建造中，以火神山醫(yī)院為例，臨時(shí)傳染病醫(yī)院作為醫(yī)療設(shè)施對(duì)建筑材料的技術(shù)要求較高，紙管作為一種生產(chǎn)簡(jiǎn)易、技術(shù)要求不高的建筑材料很難滿足醫(yī)院的建造要求，而鋼結(jié)構(gòu)裝配部件更適合精確化、高標(biāo)準(zhǔn)的施工，同時(shí)達(dá)到醫(yī)療用房的專業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。在承重方面，鋼結(jié)構(gòu)比紙管結(jié)構(gòu)更好，可以滿足醫(yī)院排管布線、安裝中央空調(diào)等通風(fēng)系統(tǒng)的需求。

4.2 審美性

鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑在外觀設(shè)計(jì)上以白色單元方塊堆疊的形式體現(xiàn)，單體形態(tài)較為單一，可靈活組合出滿足建筑功能需要的布局。在火神山醫(yī)院設(shè)計(jì)中，建筑整體由多個(gè)白色長(zhǎng)方體護(hù)理單元組成的“工”字狀排列，給人一種干凈、規(guī)整的視覺效果。與鋼相比，紙的可塑性更強(qiáng)，造型多變，華林小學(xué)的山形屋頂?shù)膱A洞設(shè)計(jì)展現(xiàn)了紙質(zhì)裝配建筑的更多可能性。紙管以淺棕色為主，顯露與白色墻體間，感官效果清新自然。在材質(zhì)特性上，鋼材肌理光滑反射強(qiáng)，紙材肌理具有一定的質(zhì)感且反射柔和，二者針對(duì)不同的功能需求和設(shè)計(jì)風(fēng)格，有不同的變化。

4.3 可持續(xù)性

裝配式建筑的可持續(xù)性在不同材料上也有不同的體現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的生命周期較長(zhǎng)，可根據(jù)災(zāi)后需要擴(kuò)建，損壞的結(jié)構(gòu)部件可拆卸更換，而紙管結(jié)構(gòu)裝配式建筑可以回收加工制成紙張等進(jìn)行二次使用。

5 結(jié)語

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展與材料技術(shù)的提高，裝配式建筑以環(huán)保、節(jié)地節(jié)材、工程進(jìn)度快等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)后臨時(shí)安置建設(shè)中。設(shè)計(jì)方應(yīng)根據(jù)不同災(zāi)情下的需求與材料的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)不同的裝配式建筑方案。與此同時(shí)，在完善裝配式建筑建造方法的前提下，還應(yīng)考慮災(zāi)后延伸與回收再利用，構(gòu)建裝配部件回收翻新的企業(yè)生產(chǎn)線，完善裝配式建筑可持續(xù)發(fā)展體系，對(duì)我國(guó)裝配式建筑發(fā)展具有積極作用。

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作者簡(jiǎn)介：李沐宸（1996—），女，山東煙臺(tái)人，碩士在讀，研究方向：建筑與環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。

王越（1996—），女，江蘇泰州人，碩士在讀，研究方向：建筑與環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。

陳冉（1996—），女，山東聊城人，碩士在讀，研究方向：建筑與環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。