住宅工业化模数协调与组合设计研究

1、住宅工业化的发展
住宅工业化，是指采用现代工业化的生产手段，以集约化、工厂化的生产方式代替分散的、手工为主的生产方式建造的住宅[1]。早1875年，首项装配式住宅专利在英国提出。1903年，有名的“富兰克林大街的公寓”在巴黎建成。学界普遍认为，格罗皮乌斯是PC工业化住宅技术的奠基人。1910年，格罗皮乌斯写了一份关于建筑工业化生产的备忘录并于被发表在1936年的5先锋6杂志中，被视为是工业化住宅理论的开端。19世纪20年代，美国确立了 “阿利制法”的建筑表现。1931年6月，格罗皮乌斯在仔细研究了模型与材料之后，与Hirsch展开合作，解决各种技术问题。他设计了不同的房间单元和房型，研究构件的连接方案。这被视为住宅工业模数化的开始[2]。

二战以后，各国为了缓解住宅的不足而进行大量的公共性质的住宅建设。期间，RC( 预应力混凝土Reinforced Concrete)和 PC的大板工法（Mass Housing）得到了广泛应用。各国政府通过制定标准模数、提供优惠政策、进行技术认定等方式推广工业化构法，工业化住宅的模数协调技术得到了快速发展。如丹麦在 1960 年制定了工业化的统一标准“丹麦开放系统办法”(Danish Open System Approach)，芬兰在 1960 年代中叶由政府和民间企业共同开发了工业化部品的通用系统[3]。法国1947 年成立了建设科学技术中心 (CSTB)，负责工业化技术的研发和评定。

上世纪80年代以后，随着住宅工业化在全球的不断深入推广以及工业技术的发展，特别是数字化、智能化技术的快速发展及其深入使用，住宅工业化向精细化、多元化的方向发展，使得建筑的标准化和艺术性得到了兼顾，各国在住宅工业化推进的过程中融入了地域的文化艺术和技术标准特色。

2、模数协调体系
按照新修编的《建筑模数协调标准》的定义，模数协调是指应用模数及模数数列，达到生产活动各环节之间的尺寸协调。狭义讲“协调”是一个动作过程，但是实际意义上的模数协调还要有一个建设、管理、设计、施工等各方都能够通俗易懂的尺寸定位表达结果[4]。模数是住宅工业化的基础，模数协调的进步推动住宅工业化的发展，住宅工业化的每一次创新、每一次前进、每一个新类型的出现，都离不开模数协调体系的支撑。住宅工业化发展的过程中主要有以下几种主要的模数协调技术。

（1）单线网格体系的板柱构造系统。1935年，美国建筑大师R.M.辛德勒在处理墙体中心定位后如何保证空间净空尺寸符合模数的问题上，曾尝试创建建立在单线网格体系上的板柱构造系统（Panel Post Construction），采用交叉节点另立框架柱的办法，以保证空间净空尺寸符合模数和墙体构造板材符合模数。赖特和勒·柯布西耶等建筑大师都曾以单线模数空间网格为基础进行了若干设计实践。

（2）SAR体系的双轴线模数。1960年代荷兰建筑师提出了SAR体系的住宅工业化设计理论，该理论中采用了双轴线模数网格和界面定位法：在垂直方向，采用20厘米扩大模数；在水平方向，采用国际通用的30厘米扩大模数；分别由1M+2M构成，可以协调10cm、20cm相间的网格，并规定所有的隔墙连接处必须在10cm的窄条里以减少规格。为此SAR研究制订了一整套模数制度，规定了各节点和构建的位置和尺寸。

（3）积木式体系的单网格模数。1977年，法国构件建筑协会(ACC)制订出尺寸协调规则，并于1978年推广“构造体系”(Systeme Constructif)。该构造体系列出了一系列构件目录，构件间能互相装配成定型构件。建筑师可采用其中构件，像搭积木一样组成多样化的建筑， 被称为积木式体系（Meccano）。它同样采用的是单线模数网格，但是，但允许在同一平面内出现不同网格，且允许相互间错位排布，解决了单一单线网格在采用墙体构配件中心定位后，剩余净空无法与模数网格很好契合的问题。

（4）SI体系的模数协调。SI体系住宅指的是建筑支撑体 ( Support or Skeleton)建筑填充体(和 Infill) 共同组成。SI 体系的工业化住宅通过模数化和标准化手段来协调支撑体和填充体，以获得建筑主体结构的长久性和建筑装饰、装修的可再生性。支撑体模数空间网格是三维的，每个网格面所采用的模数参数可以不同。通过支撑体部件的模数化，实现支撑体部件中心线定位和界面定位叠加。填充体内外空间的装修面依附于支撑体部件存在。支撑体部件以大标准化为主，而填充体部件则属于小标准化的范畴。在模数选择上，填充体部件适宜选择扩大模数 3M、基本模数 1M、分模数1/2M为主，其他分模数为辅的模数体系[5]。

3、工业化住宅组合设计
工业化住宅设计是在构件标准化的基础上，利用模数协调技术，对住宅进行有效的设计，以提高其实用性，增强其艺术性。住宅的造型要求不仅着眼于立面形式的变化，单体本身构件的组合，还要注意单元整体的组合规律。在设计的过程中如果标准化太多则失去了建筑的艺术性，如艺术性太多则标准化无法实施；组合设计选择具有灵活性的组合单位、采用灵活多样的单位组合方法、利用模数协调技术兼顾建筑的标准化和艺术性。而其关键则是对建筑支撑体系的设计，其设计包括支撑体系的平面组合设计和立体组合设计。

（1）工业化住宅平面组合设计
目前，采用较多的平面组合形式有：单位定型组合方式、以户为单位的空间划分组合方式、面积模数组合方式、扩大平面模数网的组合方式。

单元定型的组合方式是采用优选平面参数而确定这几种参数可能组成的“基本间”，再组织若干“组合单位”用以组合不同的组合体。这种组合方式有利于简化构件规格，但适应多样化的能力较差，一般适用于建筑体系的初级阶段。

以户为单位的空间划分组合方式采用以户为单位、结构单元相一致的组合。这类住宅设计的共同手法是采用划一的结构单元，楼板大都采用横向大开间条板；卫生间、烟道位置固定不变，隔墙的划分落在扩大模数网上。这种组合方式的局限性是户型面积变化的灵活性较小，一般往往局限于利用楼梯间布置，形成的特殊开间变化户型面积。

面积模数组合方法是通过功能、结构、工艺的综合分析确定结构单元。建筑组合是结构单元的重复组合，但功能单元的划分可以做出不同的组合，这就提供了多样化的可能性，在解决标准化与多样化的矛盾方面要比单元组合方法更得当，在住宅平面设计中使标准化与多样化得到了一定的统一，在住宅整体造型上可以达到以户为单位的组合方法的效果。

扩大平面模数网组合方法突破了结构网格对于横纵两个方向的限制，是一个“开放体系”的概念。可使预制构件生产条件的稳定性与适应要求的多变性矛盾得到合理解决。构件轮廓、构造成型、构件组合节点接缝、水暖电设备等能够较好的结合。在对标准化影响较大的模数系统中，模数网的模数越小，组合灵活性越大，构件规格越多，反之亦然。目前各国都在研究这种“开放体系”，尚未大规模运用到实践中[6]。

（2）工业化住宅支撑体系立体组合设计
工业化住宅的骨架支撑体的组合式是由若干的单位支撑体拼联而成，形成许多不同的平面，以适应不同的地形、朝向及面积的要求。拼联方式则分为直接拼联、利用交通空间拼联和利用插入连接体拼联三类。

直接拼联是以户或单元为定型单位，以共用横墙的方式进行连接。是集合住宅中最基本的组合方式，也是其它组合方式的基础。经过变换还可变换成其他的组合单元，此类拼联的组合效果灵活多样，但是对土地资源的利用不够节约，不适用于在土地比较紧张的地区；利用交通空间拼联组合指以户或多户为单位，利用交通空间即楼电梯间和走廊拼联进行体型变化组合。这种组合形式突出特点是公共交通空间形式较多。插入式连接体用于住宅转折区或者相邻近住宅的处理，丰富了住宅组合形式。包括居住区内的公共空间或专属于某一户的居住空间可充分利用。

4、结语
住宅工业化所包含的构件标准化、模数协调和组合设计是一个有机的整体，它们的共同推动住宅工业化的发展。随着现代工业技术，特别是数字技术和智能技术的发展，住宅工业化将会跨入一个崭新的时期，住宅的设计将会更加灵活多样，住宅工业化的标准化生产与住宅的多样化体现将会得到更高程度的统一。

参考文献：
[1] 叶明.工业化住宅技术体系研究[J].住宅产业,2009(10):15-18.
[2] 王春雨,宋昆.格罗皮乌斯与工业化住宅[J]. 河北建筑科技学院学报,2005(6)：20-23
[3]Olavi Tupamaki. Towards Components System Building[J]. Betonwerk and Fertigteil-Technik (Wiesbaden). 1993,59(1):86-92.
[4] 周晓红.模数协调与工业化住宅的整体化设计[J].住宅产业,2011(6):51-53
[5] 刘长春,张宏,淳庆.基于 SI 体系的工业化住宅模数协调应用研究[J]. 建筑科学,2011(7):59-61.
[6]李佳莹, 中国工业化住宅设计手法研究[D].辽宁.大连理工大学.2010.