浅谈装配式钢结构技术在临时建筑中的运用_戚发诚.pdf

137浅谈装配式钢结构技术在临时建筑中的运用戚发诚广州图岸建筑设计有限公司 广东 广州 510000摘 要：跟随时代的发展，建筑工业化的浪潮已经不可阻挡，装配式钢结构技术作为建筑工业化的重要类型在我们身边得到了越来越广泛的应用，本文通过结合实际工程，对装配式钢结构在临时建筑，这一独特建筑类型中的运用进行简要介绍，讲述我们在理性的标准化与艺术、人文、多样性表达之间寻求平衡的思路。关键词：建筑工业化；装配式建筑；临时建筑；杆系结构；模块化箱体结构DOI:10.19569/119313/tu.2023130461 装配式钢结构与建筑工业化建筑业无疑是一个十分古老的行业。古代东西方建筑都带有很明显的手工生产的痕迹，但随着工业革命的到来，建筑业逐步从以手工操作为主的小生产方式转向了社会化大生产方式，原有的分散的，低效的手工业生产模式被高度集中的，标准化的，自动化的，高效的社会化大生产所替代。这种替代的范围十分广泛，涉及了整条建筑产业链，是人类文明发展的必然。这就是建筑的工业化。初级的工业化以现场施工为主，由于现场施工不可控因素较多，易对施工质量造成影响，也容易造成资源的浪费与环境的污染。目前我国建筑业占据了大约60%的城市碳排放量，因此进行集约化设计与建造，走向建筑工业化的高级阶段对整个社会而言意义巨大。而“装配式生产”无疑是一种更加高级的阶段。所谓“装配式”就是指在工厂进行大批量建筑构件的加工和生产，然后在现场进行组装的建造方式。这种建造方式的施工速度快，同时由于是工厂生产所以产品的标准化程度高、质量好，减少了资源浪费及现场施工的诸多不确定性。从这种工厂加工现场组装的生产方式来看，钢结构技术其先天就具有装配化的特征。装配式建筑主要分为混凝土装配式和钢结构装配式两种，混凝土装配式由于其竖向承重构件现场连接的施工工艺尚存在一定的问题，所以其装配式技术的运用主要还是集中在非承重墙体、机电设备等非结构构件上。钢结构装配式在结构重量、力学性能、抗震能力上较混凝土装配式更为优异，之前相对高昂的造价限制了装配式钢结构的应用，但随着国力的增强，很多情况下造价已经不是要首先考虑的因素，尤其是对于很多在特殊环境下使用的临时建筑而言。其实我国在20世纪70年代之前曾经师从苏联进行过预制装配式建筑的推广，其中具有代表性的就是预制式空心混凝土楼板的使用，但由于构造设计不完善，在唐山大地震中产生了严重的问题，遂又回到了全现浇的钢筋混凝土结构体系。2 临时建筑传统意义上的临时性建筑是指设计使用年限不超过五年的民用建筑。其在耐久性、热工性能、安全性上的标准均较低，大多给人以廉价的，低品质的印象。但随着时代的发展，近些年出现了很多特殊的临时建筑，其临时性并不体现在其使用年限上。比如近几年轰动全国的深圳腾挪学校，众多在历史遗址或者自然保护区中的建筑。他们的设计标准都远高于传统的临时建筑，有些甚至高于多数永久性民用建筑，其“临时”的特征主要体现在其要求可拆卸反复使用或者对环境轻扰动的特征上。这些特殊要求都与装配式钢结构的特征不谋而合。对于装配式钢结构而言，无论是重型钢结构还是轻型钢结构，目前主要有两种主流的技术体系：杆系结构、模块化箱体结构。3 杆系结构杆系结构可以简单理解为建筑的梁、柱等构件在工厂进行加工生产，然后运输至施工现场，通过螺栓或者焊接的方式进行连接，形成结构框架，之后在其上安装维护结构的结构体系。这种体系的好处是建筑构件都是以杆件的形式进行运输的，对运力及道路条件的要求不高。在很多道路条件不好的地区，甚至可以通过对杆件尺寸的优化采用骡马甚至人力的方式进行运输。如果采用小尺寸杆件进行现场装配，极限条件下可以只采用人力而不用使用大型工程机械。但缺点是现场装配的工作量稍大，同时对构件加工的精度有比较高的要求，否则会存在误差累积过大的问题。在位于洛阳的东方博物馆之都研学营地的项目中我们即采用了这种技术体系。该项目位于洛阳隋唐洛阳城国家遗址保护区的范围内。是以隋唐文化为载体服务于国内青少年的研学设施。整个遗址保护区是国内唯一一个位于城市中心区的大规模历史遗址保护区，目前以类似纽约中央公园的城市中心公园的形式被保护。其范围内禁止新建永久建筑。遗址最浅埋深仅0.6m左右。根据国家文物局颁发的大遗址利用导则（试行）为依据，以相容性利用为原则，整个研学营地采用临建模式进行建设。研学营地占地63亩，总建筑面积约7800m2，由客房、教室、餐厅等功能组成，建筑层数一层。为了预埋室外管线，场地整体垫高1.2m，建筑主体采用装配式钢结构杆系结构体系，基础采用埋深不超过0.6m的独立浅基础，经过结构优化，结构自重得以控制，竖向承重构件尺寸不超过200*200mm，横向承重构件尺寸不超过150*200mm，有效减少对地下遗址的长期荷载，所有结构构件工厂加工，现场进行组装，构件连接节建筑结构138点均为螺栓连接，可以随时拆卸移走。除了结构体系外，建筑的维护体系及内部装修也全部采用铝合金屋面板、水泥纤维板、系统门窗等工业制成品，没有现场湿作业1。图1 研学营地鸟瞰效果图图2 研学营地教室结构示意图图3 研学营地教室实景考虑到营地特殊的周边环境，建筑结构体系的选择不单单是结构问题，也是一个建筑美学问题。为了能用现代建筑语言诠释中国传统建筑的精神内核，我们采用了坡屋顶形式，并刻意加大了屋顶在建筑体量中的比例，同时建筑取对称形式，建筑周边被一圈外廊环绕，这些都是对中国传统大木作建筑形式的回应。不过，我们在设计中保留了钢结构材料的痕迹，没有刻意追求普罗大众脑中的精致与完美，同时为了避免廉价感，对于构件的连接节点进行“适度”设计，在过度精致与自暴自弃之间寻找平衡。通常我们对唐代大木作建筑的描述为，丹柱素壁，出挑深远，斗拱硕大。这种清晰的表达结构体系的真实性与研学营地的建构策略不谋而合。装配式建筑所处的工业化大生产时代追求的是标准化，如何在标准化与多样性之间寻求平衡，不仅仅是对建筑师的挑战，也是整个社会生产部门所共同面对的难题。4 模块化箱体结构模块化箱体结构顾名思义就是以模块化的钢结构箱体为主要结构单元在工厂进行加工预制，预制过程中可以部分甚至全部完成水电设备的安装以及内部空间的装修。完成后将模块运输至现场组装成为完整的建筑。模块化箱体结构体系具有很高的预制化程度，其预制化率可达85%以上，现场安装的工作量较少，较高的预制化程度意味着更高的工厂生产效率及更少的资源浪费，同时以钢结构箱体为主要的结构单元其结构整体性更好抗震能力更强。但其也有一些局限性。模块化箱体结构基本属于重型钢结构体系，意味着其建造成本较高，同时对于加工工厂的技术水平有一定的要求。模块化箱体的尺寸基本是标准化的，其尺寸受到道路运输条件的限制，会对室内空间的尺寸造成影响，因此比较适用于空间重复性比较高的建筑，比如学校、公寓。最后因为模块化箱体的尺寸与重量均较大，因此现场需要大型工程机械进行吊装，对现场施工的场地条件及组装工人的素质有比较高的要求，特别是箱体与箱体之间的连接2。得益于珠三角地区良好的道路运输条件、完备的工厂加工能力以及较为充裕的预算，近几年深圳的腾挪学校建设中大量采用了这种结构体系。腾挪学校的建设最早开始于2018年，当时深圳对教育资源的需求激增，众多学校亟需进行改造扩建。为了在改造过程中不对教学工作造成影响，保证师生健康与安全，深圳市规划和自然资源局与福田区政府联合发起了“诺亚方舟”计划，意在利用学校周边的城市闲置土地为改造过程中的学校提供临时教学空间。整个计划的施工周期极短，但对建筑品质的要求很高，同时要求能够进行反复拆装，多次使用。经过大约一年的时间，该计划取得巨大成功，为城市校园更新提供了崭新的样板。之后深圳多区在校园更新过程中采用了这种做法。深圳的腾挪学校均为装配式钢结构体系，模块化箱体结构是其选用的一种。2021年我们得到深圳市罗湖区委托，为罗湖外语初中学校设计临时性校舍。项目用地是一个梯形，原为出租汽车充电站，紧邻罗沙公路及罗湖区公安分局。总建筑面积6700m2，3层，共24个班。前面所述模块化箱体结构的设计核心是要将整个建筑分解为若干种标准模块进行建造。建筑师通常喜欢较为自由的形体，但标准模块的种类不能无限增加，需要在设计灵活性和制造的标准化之间取得平衡。通常情况下道路运输的货物尺寸会控制在14m（L）*3m（W）*3m（H）的范围内，但此范围内的箱体模块无法满足学校的功能要求，经过反复权衡我们最终选定两种尺寸的模块，11.6m（L）*4.5m（W）*3.6m（H）和8.1m（L）*4.5m（W）*3.6m（H），搭建出建建筑结构139筑主体。建筑基础采用筏板基础，整体性强，施工快，能够抵御不均匀沉降。由于箱体模块尺寸超限，道路运输需要采用申请超限运输的方式加以解决，并在路线规划上避免通过限高的桥梁、隧道。经过2个月的紧张施工，项目如期完成，共使用11.6m（L）*4.5m（W）*3.6m（H）的箱体模块82个，8.1m（L）*4.5m（W）*3.6m（H）的箱体模块45个。图4 现场施工实景图5 建成实景就如同我们在东方博物馆之都研学营地设计中遇到的问题一样，技术与艺术是建筑的一体两面，高度预制化的建造方式体现了技术的进步，但绝不意味着忽略使用者。在高度理性驱使下的标准化中必须找到多样性与人文关怀的表达。这种表达我们总结为空间形式与立面形式两大方面。空间方面，在建筑的平面布局上我们使用了一种学校建筑不常使用的大合院的方式，一方面是因为用地紧张，另一方面这样能形成强烈的向心和集中的场所感，其带来的公共性与共享理念是公共建筑的应有之义。同时我们特意加宽了学校的外走廊，其宽度接近4m，为学生提供了十分宽敞的课余活动空间，这里一定会有很多故事发生。架空层是一种在岭南地区非常实用的空间形式，虽然用地紧张，我们还是在首层设置了架空空间，一方面充当下雨时师生的活动空间另一方面也作为家长等候区，为接送学生的家长提供遮阳避雨的场所。立面形式上，深圳地处亚热带，多雨炎热，同时学校紧邻城市主干道，隔绝噪音也是一个重要问题，为此我们提出了一套完整的双层立面的解决方式，在面向罗沙公路的一侧采用双层幕墙隔音，在其他方向上结合结构逻辑，运用多种形式的遮阳构件进行遮雨、遮阳同时适度使用色彩，满足基本使用需求的同时赋予了建筑以个性3。图6 学校内院实景图7 学校隔音幕墙实景5 结语我们的时代在急速变化，“临时性”建筑是我们应对这种变化的一种有效策略，我们的实践已经表明技术的进步已经可以使临时建筑摆脱廉价与粗制滥造的标签，注重标准化的同时也可以兼具艺术性与人文关怀。参考文献：1 李垚.钢结构模块建筑建造技术和空间设计研究D.重庆大学,2017.2 周红玫.校舍腾挪:深圳福田新校园建设中的机制创新J.建筑学报,2019,5:10-15.3 刘卫东.装配式建筑系统集成与设计建造方法M.北京：中国建筑工业出版社,2020.作者简介：戚发诚，硕士，广州图岸建筑设计有限公司，设计师，中级工程师，研究方向：公共建筑。建筑结构