离散建筑设计模块

工业化是提升民居性能的主要路子。
针对装置式技能在羌族民居运用中的在地转化问题，引入模块集成设计理念，在多学科交叉研究的根本上提出一种基于装置式冷弯薄壁型钢体系的新民居建造模式。
依据设计、制造、建造一体化的建构逻辑，建立预制构件和功能单元样本库，在户型平面组合、一体化墙板拼接节点布局、施工工艺流程、村落寨防灾疏散等多个层面进行优化设计，以实现全生命周期内绿色节能与防灾减灾的目的，为轻钢技能在西南民族村落寨更新中的运用供应参考。

罗思蜀：重庆大学建筑城规学院

离散建筑设计模块建筑法规

刘宜丰、王欢、窦枚：中国建筑西南设计研究院有限公司

1 装置式轻钢构造在西南民居中的运用研究

1.1　研究背景与方向

西南地区（川、黔、滇、渝、藏）分布着近3 000个少数民族村落寨，是全国少数民族人口最为稠密的区域。
繁芜的自然地理条件与民族文化背景差异，造就了各具特色的传统民居。
在相对掉队的技能水平和经济条件制约下，当地传统民居长期处于自发演进和无序发展的状态，形成的建筑空间原始单一，居住舒适度低，构造安全隐患高。
依据“需求层次”理论，新民居建筑的研发策划应该综合不同层级指标进行考虑，在知足基本功能需求的条件下，再进一步追求生态环境效益与传统风貌的延续性等更高层级的哀求。
既有研究显示，对居住者而言最为主要的性能指标分别为构造安全性、功能空间合理性、经济性和易建性。
为实现上述核心指标，亟待对现有的民居建造体系进行改进。

民居建造装置化作为改造村落镇住宅建造办法的主要路子，有利于保障构造安全性，实现防震减灾；有利于提高空间灵巧性和可变性，适应未来屯子家庭经济状况和人口构造的变革；有利于减少废弃垃圾和污染，保护村落庄生态环境。
2021年住建部等多部委联合印发《关于加快农房和村落落培植当代化的辅导见地》文件，鼓励运用装置式轻钢构造等安全可靠的构造形式，提升农房建造水平。
装置式轻钢构造体系包括冷弯薄壁型钢体系、轻钢框架构造体系等类型；个中，装置式冷弯薄壁型钢体系是由镀锌薄壁型钢龙骨和保温隔热覆面板材协同构成的体系，具有生产建造快速高效、抗震性能优秀、构造材料可回收等上风，符合国家政策导向，是当前民居装置式轻钢构造体系研究的主要方向。

1.2　现状问题

目前装置式轻钢构造民居已广泛运用于西南地区城镇化过程中的易地扶贫迁居和救灾防灾移民安置，培植需求丰富多样。
四川省自2016年起在凉山彝族自治州和阿坝藏族羌族自治州等民族地区先后开展了大规模装置式钢构造民居运用试点，个中凉山州的钢构造农房占新建农房项目的一半，显著改进了当地的居住条件。
冷弯薄壁型钢体系作为一种新型建造体系，同样面临着在西南民族地区的适应性问题。
课题组通过剖析设计资料、实地调研建筑利用实态，总结涌现阶段该体系在民居建造实践中暴露的问题。

首先，建筑方案受构造成分制约较大，侧重构件工业化生产技能和快速搭建流程的研究，忽略了平面功能的适用性与灵巧性，导致户型种类单调，多有重复。
部分设计套用标准设计图集，缺少晾晒储藏和从事生产活动的空间，难以适应当地居民的生活办法；此外，平面与山地繁芜地形结合的问题突出，在有限的宅基地内难以实现空间的有效利用。
其次，针对传统民居特色的根本研究事情不敷，导致设计过程中技能策略和建筑样式脱节，缺少对西南地区不同民族文化符号、营建技艺和地域特色的表达。
再者，西南山区交通运输条件不便，而项目大多位置分散且规模小，施工工业化水平低，导致工程质量难以保障。
例如装置式冷弯薄壁型钢体系的墙体防火布局层次多，实际多采取大量不同规格尺寸的散件现场拼装，对技能职员哀求高，施工便利度低。
因此，如何合理拆分预制单元以实现装置模块类型最少化，进而简化现场施工流程，是当前亟需办理的问题。
末了，装置式冷弯薄壁型钢体系的设计是一项系统工程，不仅涉及构造体系，还包括设备管线、室内装修、绿色节能技能等子项的整体优化。
而现有部品缺少集成设计，系统协同性弱，落实到建筑层面只是单项技能的大略叠加，尚未表示新技能的整合效应。

针对以上问题，研究选取四川地区具有代表性的羌族民居为工具，聚焦装置式民居功能支配和建造模式，利用建筑模块化集成设计理论探究地域性的技能运用路线，希望以点带面，为装置式冷弯薄壁型钢体系在民居设计和建造实践中的运用供应借鉴。

2　羌族民居功能空间与建造模式研究

2.1　羌族民居功能空间的传承

如前所述，羌族民居的装置化面临几个关键问题：如何合理进行功能空间配置，适应家庭构成、地形环境的变革；如何提升预制建筑部品标准化程度与集成度，保障建成质量；如何引入高效快速的搭建办法，以适应掉队的交通运输与施工条件。
个中，功能空间配置设计在建造技能体系中居于先导地位，在引入当代功能空间前首先要对传统民居的“空间原型”进行提炼。

羌族传统村落寨紧张分布在四川省阿坝州藏族羌族自治州的高山河谷地带，地处龙门山脉断裂带中心，地震是威胁民居安全的紧张成分。
为适应山区地形，羌族民居平面顺应等高线纵向展开，结合坡地层层退台呈阶梯状，按功能竖向分层以组织不同功能。
范例平面为三层，底层进行生产活动，二层为紧张居住层，支配厨房、主室等，主室作为空间布局的核心，各赞助功能都环绕其展开。
火塘、中柱、神龛并处主室内，表示了神圣空间与世俗空间的共生共存。
顶层设罩楼（靠墙的半开放木棚）进行储藏和晾晒。
其功能布局可抽象为以三开间的单元模块纵向组合的形式，存在利用空间和交通空间相互关扰，房间穿套的征象。
随着当代生活办法的引入，新建民居对平面功能划分更加风雅。
畜养空间从建筑主体中分开，改变了人畜混居的状态。
底层常改作厨房和客厅，就餐空间和厨房分离。
主室功能有所削弱，火塘空间和“角角神”神龛作为传统场所仍被广泛保留。

▲ 羌族紧张聚居地区与历年震害分布关系

▲ 传统羌族民居范例平面

▲左：首层平面

▲中：二层平面

▲右：三层平面

2.2　新技能背景下羌族民居建造体系的演化

传统羌族民居类型包括山区的石砌民居（邛笼）、碉楼和河谷地带的板屋。
石砌民居分布最广泛，采取对称规整的平面和向上收分的厚重体量，石墙承重体系的抗倾覆能力强，并在墙身接合处综合采取“布筋”（拉结筋）、“过江石”（圈梁）、“鱼脊背”（壁柱）等布局方法，以达到防震减灾的目的。
但这种形式也存在墙体自重大、室内空间划分受限等固有局限。
碉楼从构造体系的角度可归为石砌民居。
板屋则由穿斗式木构架承重，上层木板、底层石材作为围护体系。

大量在汶川地震中倒塌的传统羌族民居得到重修。
随着当代材料和工程技能的引入，其建造体系发生了重大改变，并蜕变出不同的方向：稠浊构造体系、常规构造体系和装置式构造体系。
个中，稠浊构造是将石砌民居垮塌的二、三层墙体更换为混凝土框架或砌体构造，底层仍沿用旧屋的石砌构造承重，立面再整体涂刷。
该模式一样平常是村落民在缺少技能辅导情形下自发设计建造的结果，构造安全隐患明显，功能划分受限。
第二类采取砌体构造、砖混构造等常规的构造形式，多为统一方案培植的新民居。
为追求培植效率和空间利用率，这类民居完备抛弃了传统建造办法，仅通过外贴石材和涂抹黏土等办法保持传统风貌。
第三类装置式建造办法多涌如今小规模援建项目中，旨在探索装置式技能的地域化表达办法。
以谢漂亮常民建筑事情室在茂县杨柳村落重修项目为例，设计师将冷弯薄壁型钢构架预埋入一层墙体基座，二层毛石墙体中间灌溉混凝土，屋顶采取彩钢板，并用外挂木制装饰板表达羌族建筑特色。
此种建造办法中的钢架在现场依秩序组装，技能哀求较高，须对参与培植的农人进行专门培训，难以大规模推广。
由于装置式冷弯薄壁型钢构造属墙承重体系，因此以下紧张研究其在石砌民居更新设计中的运用。
相较上述模式，装置式冷弯薄壁型钢体系集成建筑模块化建造办法可有效简化施工流程，减少现场施工组织韶光，呼应羌族石砌民居营建传统的同时也能知足当代民居的基本性能指标。

3　建筑模块化集成设计理念下的羌族民居建造体系

3.1　建筑模块化集成设计观点

集成（integration）的观点源于机器制造业，是指将各种原来相互分离的单元结合起来形成有机折衷、具有功能联系的整体，而不仅仅是物理层面的凑集。
集成建筑强调将过去处于离散状态的设计、构件生产、施工建造合并为完全的流程，可视为装置式建筑的进一步扩展和深化。
本研究基于行业标准《装置式钢构造住宅建筑技能标准　JGJ/T 469》“集成设计”一章提出“建筑模块化集成设计”这一观点，指通过协同设计建筑、构造、设备与管线、内装修系统，全部在工厂组装为具有功能属性的基本模块，并提前支配好构造抗侧力体系，待模块运输至现场直接进行安装的建造方法。
详细策略是在冷弯薄壁型钢龙骨空腔支配保温防水材料和设备管线，外围两侧支配围护面板，通过工厂标准化生产组成墙体、楼地面等模块。
集成墙体模块分为承重模块和非承重模块，非承重模块具有通用性和可改换性。

传统设计逻辑为先确定建筑平面再进行构造及墙体支配，会产生较多的非标准墙体单元。
依据建筑模块化集成设计理念，如果将民居建筑看作一台协同运行的机器，功能空间模块则是相互干联的部件，设计时从数据样板库中挑选并加以拼装，可以降落模块数量和繁芜度，简化布局层次，在取得高标准化率的同时也具有一定的空间支配灵巧性。

3.2　功能空间模块构成

功能空间模块化的基本策略，是在延续地域性空间模式的根本上植入新的空间要素。
功能组织遵照三级分层原则，即部品部件模块—功能空间模块—户型模块，通过模块化的组合，进而形成从局部到整体的设计、建造模式。

模块化建造可分为四种集成度：第一种是仅在工厂预制构造墙体框架，别的布局节点均在现场施工制作；第二种是在工厂预制集成墙板、楼地面板等完全的构件单元，现场组装；第三种与第二种类似，增加了在工厂组装整体卫浴等空间模块的步骤；第四种是整屋组装后吊运的三维箱式体系。
根据山区施工条件，选择在工厂中预先将冷弯薄壁型钢模块化墙体拼装成相对完全的墙体单元，再运输至施工现场进行模块组装的建造办法，在改进集成度的同时保留模块组合灵巧性。

由于常用构造面板板材规格为1 220 mm× 2 440 mm，以板材加工时不裁板、整铺拼接为原则，将A=1 220 mm作为墙体基本模数，以墙体龙骨中央线为轴线，根据预制化板块生产哀求及运输吊装条件确定A/2为构件间距的模数，2A×5/2A作为集成墙板轴向尺寸，nA（n=1, 2, 3…）为扩展模数作为紧张功能模块的轴线尺寸。
在扩展模数的根本上设计餐厨、卫生间、起居等基本房间单元，再组合为功能空间模块，终极实现6种标准化墙板构件，覆盖5种可变户型模块。
模块集成构造、围护、设备、管网系统，可以缩短施工周期，降落造价。

▲ 羌族民居模块化分层级设计原则

3.3　单元模块组合

随着屯子人口变革和生活办法当代化，民居户型趋向小型化。
据统计，近年四川省阿坝州羌族聚居区内新建农房的建筑面积集中在150～250 ㎡区间，紧张对应三种村落庄生活组织模式：家中仅有老年人和留守儿童，专门从事农业生产活动，以及依托旅游家当开办民宿、手事情坊等。
受冷弯薄壁型钢构造跨度条件约束，功能单元模块的开间采取相同模数，便于模块间拼合和借用，提升空间利用效率。
功能单元保留了具有精神性的核心空间——支配“角角神”神龛与火塘的起居敬拜模块与顶层储藏晒台模块。
每个功能空间模块整合构造、利用空间、设备举动步伐等元素构成三维实体系统，实现纵向拼接、高下对位。
基本户型分为150 ㎡、200 ㎡、250 ㎡三个面积区间，在推广中可以针对不同的生活组织模式及宅基地的园地状况等要素，选择得当的功能空间模块构建一系列样本范例，在原型的根本上进行拓展和更替。
立面细节则通过装置式GRC构件表现檐口、木格窗、白石、羌雕“猫耳朵”等具有民族特色的装饰元素，避免生硬移植标准图集，在“标准化”与“多样化”之间取得平衡。

▲ 标准化模块拼接的多样化民居样本

3.4　模块关键布局做法与施工流程

集成模块由内外墙板、楼地面板（模数化楼地面每块兼具承重、吊顶、管线等功能）及屋面系统等子系统组成。
墙体模块以间隔610 mm的冷弯薄壁型钢龙骨为支撑体系，构造布局兼顾围护和承重功能。
模块运输到施工现场后，梁柱及龙骨构件采取自攻螺钉连接固定。
考虑到墙体与根本圈梁之间抗剪、抗拔连接哀求，在首层墙体单元底部留设一定高度的横向通长后装带，待现场抗剪螺栓、抗拔件安装完成后，再局部塞入内填保温材料，并双面附上构造覆面板和装饰面板形成完全的墙体。
一样平常情形下，宽度不超过2 100 mm的门窗洞口包含在2 440 mm×3 050 mm的模块中，洞口两侧墙体各预留100 mm设置边立柱（由两根或以上槽钢拼合而成），通过过梁和底导梁进行拼装。

▲ 一体化集成外墙模块布局

▲ 内外墙体模块单元划分

内装系统装置化和集成化是部品家当化的主要根本。
为了不影响村落寨整体风貌，便于后期掩护，全体建造体系全面采取管线分离的办法，将管线敷设于冷弯薄壁型钢龙骨组合墙的空腔内。
设备与管线系统均在加工期间植入墙体模块中，结合预留的标准化接口实现墙面、楼面与管线的集成。
墙体转角可采取拼合柱模块，实现墙体的L形或T形拼接，现场实现全程干式施工。
墙体也可采取其他的模块连接办法，如螺栓连接等，但须要担保连接的可靠性。

考虑到山区施工条件，装置式冷弯薄壁型钢构造连接以铆接、栓接为主，减少焊接作业。
紧张施工流程见下：①根本及地面施工：铺设预制条形根本，上设防水层、保温隔汽层。
②墙面施工：吊装集成墙板，通过抗拔锚栓将其与下层集成楼面板连接。
个中建筑外轮廓阳角处或其他承重关键部位为L形连接模块或T形连接模块应设置抗拔连接件。
③二、三层施工：在墙体单元上安装集成楼面板，采取桁架体系承重，将带有端部拼合柱布局的转角墙模块等在设计位置安装完成后，再在其上安装二、三层墙板。

▲ 装置式冷弯薄壁型钢构造民居建造步骤

3.5　建筑组连合构

平衡当代方案思想和传统村落寨格局是新屯子住区设计研究的重点。
传统羌寨内常有一条贯穿全村落的街巷式干路，多少房屋紧密相连构成组团，组团间道路呈树枝状自由延伸。
而羌寨培植更新中除了须要知足日照、消防、人均用地等一系列普适性指标外，还要考虑顺应原有村落寨空间构造及地形。
由于冷弯薄壁型钢构造存在耐火性能不敷的问题，总平面方案根据《建筑设计防火规范　GB 50016》中三级耐火等级的哀求，将组团作为村落寨的基本防火单元，以4栋或6栋单体民居组团（约1 200 ㎡）作为一个防火分区，设置组团间距为8 m，形成可持续成长的组合模块。
紧张车行道路环抱村落寨空间，将停车空间外置，村落寨内不同高差通过步辇儿台阶进行联系。

▲ 组团总平面示意

在应急避难场所和防灾空间的布局上，参考传统羌寨以公共空间为节点组织交通的办法，在原有村落寨建筑肌理的根本上营造阶梯式布局空间：依据地形阵势错落布局；利用功能上便捷且符合屯子生活习气；根据地形将台地拆分成多个社区活动园地，结合停车场、小型绿地形成避难场所；同时，利用组团级、入户级等多级道路体系构建防灾应急通道。

▲ 用于防灾和应急避难的公共空间效果

3.6　建筑全生命周期本钱测算

装置集成化产品的经济性、效率与质量是推广装置式技能的出发点。
采取模块化集成建造模式的本钱约为2 550元/ ㎡，造价虽高于传统砖混构造民居（约2 000元/ ㎡），但该体系集构造系统、外围护系统、设备与管线系统和内装系统于一体，在实得面积、人工本钱、施工周期、建筑能耗等多个子项均有显著上风，同时大大减少了后期运营掩护和拆除回收的用度。
以建筑外轮廓面积150 ㎡的户型为例，通过全生命周期综合本钱评估模型测算可知，相较于新建砖混构造住宅，模块化集成建造体系在政府投资主导的规模化住房更新中霸占长期效益的上风。

▲ 综合本钱节省用度剖析（以建筑外轮廓面积150 ㎡户型为例）

4　结语

装置式冷弯薄壁型钢体系具有自重轻、装置化程度高、运输便利、建造快速、抗震性能好、拆除回收率高、全寿命周期本钱低等上风，与新民居培植目标高度契合。
新技能条件下民居地域性的表达并非刻意地利用本土材料或建造手段，而是选择适宜策略办理实际问题。
目前运用轻钢技能的羌族新民居缺少成熟的、操作便利的配套设计及建造指南。
以上通过对标准化模块化部品部件的利用，在总结羌族民居民族文化空间要素的根本上研发出的基于标准化模块的装置式冷弯薄壁型钢集成建造体系，能够有效提升民居的居住品质，增强民居的抗震性能，简化建造流程，可快速进行传统民居的规模化更新，实现冷弯薄壁装置式轻钢技能的在地运用转化。

在住宅家当化和村落庄振兴的总体政策背景下，全国正大规模开展村落庄民居更新工程。
西南地区作为经济欠发达地区，绝大部分地区城镇化率均低于全国均匀水平。
除羌族民居外，彝族、壮族、布依族等传统民居也同样存在宜居性能改进和抗震性能提升的需求。
未来，可参照羌族民居集成建筑模块化的实现路径，以一系列示范工程为先导，以绿色节能和集约高效为目标，结合轻钢构造关键技能研发，逐步完成西南地区地域性民居装置式建造体系构建，并终极实现传统村落寨人居环境的渐进更新。
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原文请查阅《新建筑》2022年第4期（总第203期）。
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引用本文｜罗思蜀，刘宜丰，王欢，等. 羌族轻钢民居建筑模块化集成建造体系研究[J]. 新建筑，2022（4）：48-53.

｜本期专栏文章索引｜

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