集成裝配建筑技術(shù)發(fā)展與范式研究

  引言

  后工業(yè)時(shí)代時(shí)期末，數(shù)字信息時(shí)代發(fā)展的當(dāng)下，新的社會生活模式使人們對建筑的各種需求不斷提高。人類在不同時(shí)期不同的技術(shù)手段進(jìn)行建造與建筑設(shè)計(jì)，近代工業(yè)革命對社會生產(chǎn)力的大力推動衍生現(xiàn)代主義建筑。如今信息技術(shù)普及，資源與環(huán)境問題突出，對集成裝配式建造技術(shù)發(fā)展的探索，將促進(jìn)建筑的多樣化發(fā)展，提高生產(chǎn)質(zhì)量和速度，減少浪費(fèi)，滿足新型社會的需要。

  1.現(xiàn)代工業(yè)化背景下裝配式建筑發(fā)展起源

  1.1工業(yè)化背景下預(yù)制裝配建筑發(fā)展溯源

  西方建筑預(yù)制裝配的第一個(gè)高峰出現(xiàn)在19世紀(jì)后半葉，多在展覽館、火車站等大廳型建筑與多層廠房中應(yīng)用，之后又在倉庫、商店、辦公樓等建筑中應(yīng)用。其中最具標(biāo)志性的例子是帕克斯頓（Joseph Paxton）1851建造于倫敦國際博覽會上的水晶宮。整個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)完全是由重量小于一噸的簡單構(gòu)件裝配而成，驚人的建造速度（預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和裝配）、簡易的建造裝配和輕巧透明的建筑形象，無論從設(shè)計(jì)手法、建造手段、制造工藝等層面都發(fā)生了重大變革。水晶宮預(yù)示了一個(gè)革命的開端，成為了集成裝配建筑體系研究的先驅(qū)作品與里程碑。

  集成裝配式建造的第二個(gè)高峰在20世紀(jì)初，主要為混凝土預(yù)制范式的建筑。戰(zhàn)爭造成了城市住房矛盾日益尖銳，迫切的住宅需求使工集成裝配建筑得到了重視?，F(xiàn)澆混凝土?xí)芗竟?jié)影響，而預(yù)制混凝土則沒有此缺點(diǎn)，且批量生產(chǎn)模式特別適合當(dāng)時(shí)需求大量重復(fù)建造的住宅類型。

  裝配式建造技術(shù)大規(guī)模的涌現(xiàn)是在二戰(zhàn)后，以集成裝配為技術(shù)基礎(chǔ)的工業(yè)化建造體系真正的建立起來，對應(yīng)此時(shí)建筑學(xué)已步入現(xiàn)代建筑的時(shí)代。40年代末到50年代初，對高層建筑的需要與塔式起重機(jī)的出現(xiàn)，為了減輕維護(hù)墻體重量，開始使用標(biāo)準(zhǔn)化與模數(shù)化的集成預(yù)制建筑材料――幕墻。大面積玻璃幕墻代表作是1952年SOM事務(wù)所設(shè)計(jì)建造的利華大廈（Lever House）。幕墻采用不銹鋼框架，色彩雅致，尺度適宜，成為了當(dāng)時(shí)宣傳集中裝配建筑的絕佳實(shí)例。60年代中期，預(yù)制混凝土外墻板開始廣泛的采用。其中幾乎全部用預(yù)制混凝土外墻板覆面的大型建筑是勒?；柯布西耶設(shè)計(jì)的馬賽公寓。馬賽公寓采用了兩種集成混凝土外墻板構(gòu)件：①構(gòu)成公寓單元正立面陽臺的格子板；②安裝在框架外的所有實(shí)體墻的覆面板。柯布西耶曾在《走向新建筑》中說到：“為了完善，必須建立標(biāo)準(zhǔn)”。標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件成為了大規(guī)模生產(chǎn)建筑構(gòu)件的主要特征，后逐漸推廣到各種大型與公共建筑中使用。

  工業(yè)與科技的發(fā)展伴隨著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，使集成裝配建造技術(shù)體系逐漸發(fā)展成形。在工業(yè)化裝配建造技術(shù)中，把過去相互分離割裂的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造程序統(tǒng)一整體，直接把房屋看成工業(yè)產(chǎn)品，對房屋的設(shè)計(jì)（包括建筑空間、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等設(shè)計(jì)），構(gòu)配件的生產(chǎn)和運(yùn)輸，現(xiàn)場施工組織和裝配，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，市場需求與銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)都需進(jìn)行綜合研究，從而建立完整體系。60年代歐洲開展了不少各具特色的集成裝配鋼筋混凝土大板建造活動，其中法國先行，北歐質(zhì)量較高，而數(shù)量最大則是前蘇聯(lián)與東歐國家。英國的輕鋼構(gòu)架CLASP學(xué)校建造體系則是世界范圍內(nèi)第一個(gè)成功的裝配建造體系。而最著名的建造體系是美國的SCSD學(xué)校建造體系，這是在英國CLASP體系上進(jìn)行的延續(xù)和發(fā)展。

  70年代后，國際集成裝配建筑進(jìn)入一個(gè)新階段，其特點(diǎn)就是現(xiàn)澆集成體系和全裝配體系，從專項(xiàng)體系向通用體系過渡。輕質(zhì)高強(qiáng)度的建筑材料如鋼、鋁、石棉板、石膏、聲熱絕緣材料、木材料、結(jié)構(gòu)塑料等構(gòu)成的輕型體系，是當(dāng)時(shí)集成裝配體系的先進(jìn)形式。由于新的結(jié)構(gòu)體系比混凝土結(jié)構(gòu)更加易于生產(chǎn)、節(jié)點(diǎn)制作更多樣化、精度更高，從而發(fā)展拓寬了通用集成建造體系的適用范圍。

  信息時(shí)代到來后，數(shù)字化語境下的集成建筑發(fā)展?jié)B透到建造技術(shù)的各個(gè)層面，諸如“數(shù)字化建構(gòu)”、“虛擬現(xiàn)實(shí)”、“功能仿真”等概念術(shù)語在學(xué)術(shù)界風(fēng)起云涌。人類使用電腦輔助設(shè)計(jì)建筑，用數(shù)控機(jī)械建造建筑，借用數(shù)字信息定位進(jìn)行機(jī)械化安裝建筑。彼特?；艾森曼作為這個(gè)改革的主導(dǎo)者之一，深刻強(qiáng)調(diào)：“從第二次世界大戰(zhàn)后的50年，產(chǎn)生了一種對建筑學(xué)體系機(jī)構(gòu)影響的新范式轉(zhuǎn)型，從機(jī)械范式轉(zhuǎn)向電子范式。”集成裝配式建造技術(shù)也將迎來了信息化進(jìn)程下信息范式的轉(zhuǎn)變。

  1.2集成裝配式建造技術(shù)的可持續(xù)性

  盡管在建造過程中，使用集成構(gòu)建早已經(jīng)被提上了設(shè)計(jì)師和技術(shù)專家的議程，但是裝配式建造理論體系中并沒有和環(huán)境保護(hù)理論體系發(fā)生交叉。如今，人們已意識到建筑垃圾造成的嚴(yán)重環(huán)境破壞。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，建造過程中產(chǎn)生的垃圾占整個(gè)城市垃圾重量的18%。在垃圾中大量的比例是包裝材料，在諸如木材加工、砌磚、粉刷和裝飾的過程中的切割和原料混合工序中由于沒有集成裝配的過程，也會產(chǎn)生多余而浪費(fèi)，這種在建造過程中產(chǎn)生的浪費(fèi)份額巨大。

  采用像制造業(yè)般的裝配式建筑構(gòu)件的建造過程將更快更高效，這不僅是大部分的建筑構(gòu)件將在工廠完成，還意味著傳統(tǒng)的建筑運(yùn)作方式的終結(jié)。開發(fā)商、生產(chǎn)商和供應(yīng)商基于“合作關(guān)系”的協(xié)議被認(rèn)為是追求更高的品質(zhì)、可靠性和減少延誤的有效方法。集成裝配式建造的支持者認(rèn)為將建筑的主要構(gòu)件放進(jìn)工廠中生產(chǎn)具有巨大優(yōu)勢，這將保證構(gòu)件的精度，并且可在無污染的環(huán)境下由工人進(jìn)行組裝，損耗和失誤都將減少，成品精度也隨之升高。這樣能大幅度的降低建筑造價(jià)，提高場地開發(fā)和建筑建設(shè)的速度，縮短施工周期，進(jìn)而減少了資金和管理的相關(guān)支出。

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  2.集成裝配式建造技術(shù)結(jié)構(gòu)范式

  20世紀(jì)30年代眾多實(shí)驗(yàn)性預(yù)制構(gòu)件得到實(shí)踐，工業(yè)化是現(xiàn)代建筑興盛的基礎(chǔ)。集成裝配建筑一直追求高精度與標(biāo)準(zhǔn)化，希望在工廠里生產(chǎn)更多材料或建筑構(gòu)件，切合了工業(yè)化生產(chǎn)過程。二戰(zhàn)后，各國建筑百廢待興，社會需要大量建筑，運(yùn)用預(yù)制構(gòu)件建造的住宅廣泛普及。其中大量使用所謂“大板”的系統(tǒng)進(jìn)行建造，這一系統(tǒng)就使用預(yù)制混凝土板，板在邊緣與墻體相交，形成剛性的方盒子，可以省去獨(dú)立結(jié)構(gòu)框架。

  集成裝配建造系統(tǒng)不斷與時(shí)代科技相融合，今天的裝配式建造技術(shù)與數(shù)字信息技術(shù)擦出了新的光輝。人們對焦在建筑的“輕質(zhì)”體系，并展開各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方案，我問主要展開木構(gòu)范式、鋼構(gòu)范式、與模數(shù)集成三種類型的研究。

  2.1 木構(gòu)范式

  木材與混凝土比較，主要優(yōu)點(diǎn)在于可再生和低能耗。技術(shù)的革命與更有效的建造方法將使木構(gòu)架在現(xiàn)代裝配式建筑中有著更廣泛的應(yīng)用，本文對中西方現(xiàn)代建筑的視角展開木構(gòu)范式的研究。19世紀(jì)30年代的芝加哥，出現(xiàn)了集成裝配背景下Balloon預(yù)制木構(gòu)架。Balloon木構(gòu)架沒有古老而復(fù)雜的工藝要求去加工榫卯節(jié)點(diǎn)；只需用普通工具便可把這些密集而薄的部件裝配成型。此類型曾大量的被采用，占當(dāng)時(shí)美國住宅總量的60%到80%。有人認(rèn)為沒有Balloon木構(gòu)架，芝加哥和舊金山就難以發(fā)展為今天的大都市。由于適應(yīng)了當(dāng)時(shí)社會需要條件，Balloon木構(gòu)裝配式建造技術(shù)形成了成熟的體系。

  近代實(shí)驗(yàn)性的現(xiàn)代木構(gòu)裝配建筑先驅(qū)是20世紀(jì)80年英國代發(fā)展起來的Segal系統(tǒng)。事實(shí)上這已經(jīng)不是真的使用集成裝配，但確實(shí)突出了標(biāo)準(zhǔn)化與簡單操作的建造技術(shù)體系，該方法已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于英國普通住戶為自己建造的住宅中。國際木材研究發(fā)展協(xié)會（TRADA）也研發(fā)了一套木構(gòu)裝配建筑體系，并將其運(yùn)用到Integer住宅的原型中。瑞典的Huf’n’Puf系統(tǒng)已經(jīng)被利用到Dulwich的開發(fā)區(qū)中，這個(gè)項(xiàng)目中將柱和梁系統(tǒng)建造在一個(gè)預(yù)制混凝土板造的地下室上，木結(jié)構(gòu)能夠和很多的立面材料進(jìn)行結(jié)合，以滿足遮風(fēng)避雨以及防火需求。

  2.2 鋼構(gòu)范式

  鋼是工業(yè)生產(chǎn)中的常見材料，具有輕質(zhì)和可延伸的特點(diǎn)，在交通工具工業(yè)生產(chǎn)中常被制造成各種形狀。對于裝配建筑體系中的主要問題為壓型鋼板的尺寸受到剛度要求的限制，較大的鋼板需要通過進(jìn)行壓型來保證其強(qiáng)度。鋼構(gòu)集成裝配系統(tǒng)在一些實(shí)驗(yàn)性的住宅例子中已得到突破，英國蒂賽德就建成了一個(gè)名為“扁平殼”的住宅原型。該住宅是由單面鋼板建造，鋼板上做了防水保溫涂層。這些鋼板固定在輕質(zhì)承重鋼立柱框架上，內(nèi)部由石膏板襯里，空的部分填充礦棉作為保溫層。這種壓型鋼材可以直接在大型建筑基地旁邊專門建造工廠生產(chǎn)需要使用的壓型鋼板材料，這種技術(shù)在某些材料制造商中已經(jīng)形成獨(dú)有的集成體系，對于集成裝配式建造發(fā)展起到推動作用。

  2.3 模數(shù)集成裝配范式

  模數(shù)制建造是指集成裝配整個(gè)建筑或者建筑群，在基地現(xiàn)場進(jìn)行組裝，它們所特有的系統(tǒng)賜予其足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在建造過程中，集成材料被直接運(yùn)送到場地、組裝到位、接上水電管網(wǎng)系統(tǒng)，相互搭接后加以密封，將現(xiàn)場的步驟簡單化。這意味著盡可能使用集成裝配式模式高精度的建筑材料和配件，最大程度的保證質(zhì)量和精度。由皮博迪信托公司（Peabody Trust）在2000年完成的默里的格羅夫（Murray Grove）項(xiàng)目非常具有代表性，此項(xiàng)目包含一棟五層樓，共30套公寓。每一間公寓都是由兩個(gè)預(yù)制盒子組成，其尺寸都是按照卡車車廂的最大尺寸設(shè)計(jì)，整個(gè)房間由鋼結(jié)構(gòu)制成，均已配置了門、窗、連接件和飾面材料，整個(gè)建筑的精度猶如汽車制造一般嚴(yán)謹(jǐn)，對應(yīng)了柯布西耶曾經(jīng)說過的一句話“建筑是居住的機(jī)器”

  隨著低能耗試驗(yàn)建筑的不斷呈現(xiàn)，許多裝配式建造的革新方法都集中運(yùn)用在低密度私人住宅中。適合城市建筑的系統(tǒng)必須要著眼與解決高密度的問題。對于更高的多層建筑尤其是住宅來說，可以通過模數(shù)單元的堆砌實(shí)現(xiàn)更高的密度。在平面上，公寓單元通常是重復(fù)的，這使他們非常適合于流水線的生產(chǎn)模式。此外，模數(shù)制還加快了建造的速度，更加適應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展對建筑的功能需求。

  3.集成裝配式建筑技術(shù)發(fā)展局限

  工業(yè)化早起階段，城市住宅短缺問題已經(jīng)形成了國際性的趨勢，建筑的快速建造成為解決問題的關(guān)鍵。大量的集成裝配技術(shù)研究者在此時(shí)展開了研究，并對外公布這樣能夠降低造價(jià)并提高生產(chǎn)率，政府便在研究和開發(fā)上加大了投資力度，進(jìn)行各種方法進(jìn)行試驗(yàn)。最終，預(yù)制混凝土構(gòu)件被各國所接受。由于生產(chǎn)制作工藝簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，廣泛被發(fā)展中國家所應(yīng)用。作為工業(yè)化初期產(chǎn)物，大部分的預(yù)制板類型建筑被建造成簡單的多層住宅。