集成装配建筑技术发展与范式研究

  引言

  后工业时代时期末，数字信息时代发展的当下，新的社会生活模式使人们对建筑的各种需求不断提高。人类在不同时期不同的技术手段进行建造与建筑设计，近代工业革命对社会生产力的大力推动衍生现代主义建筑。如今信息技术普及，资源与环境问题突出，对集成装配式建造技术发展的探索，将促进建筑的多样化发展，提高生产质量和速度，减少浪费，满足新型社会的需要。

  1.现代工业化背景下装配式建筑发展起源

  1.1工业化背景下预制装配建筑发展溯源

  西方建筑预制装配的第一个高峰出现在19世纪后半叶，多在展览馆、火车站等大厅型建筑与多层厂房中应用，之后又在仓库、商店、办公楼等建筑中应用。其中最具标志性的例子是帕克斯顿（Joseph Paxton）1851建造于伦敦国际博览会上的水晶宫。整个庞大的结构完全是由重量小于一吨的简单构件装配而成，惊人的建造速度（预制构件的生产和装配）、简易的建造装配和轻巧透明的建筑形象，无论从设计手法、建造手段、制造工艺等层面都发生了重大变革。水晶宫预示了一个革命的开端，成为了集成装配建筑体系研究的先驱作品与里程碑。

  集成装配式建造的第二个高峰在20世纪初，主要为混凝土预制范式的建筑。战争造成了城市住房矛盾日益尖锐，迫切的住宅需求使工集成装配建筑得到了重视。现浇混凝土会受季节影响，而预制混凝土则没有此缺点，且批量生产模式特别适合当时需求大量重复建造的住宅类型。

  装配式建造技术大规模的涌现是在二战后，以集成装配为技术基础的工业化建造体系真正的建立起来，对应此时建筑学已步入现代建筑的时代。40年代末到50年代初，对高层建筑的需要与塔式起重机的出现，为了减轻维护墙体重量，开始使用标准化与模数化的集成预制建筑材料――幕墙。大面积玻璃幕墙代表作是1952年SOM事务所设计建造的利华大厦（Lever House）。幕墙采用不锈钢框架，色彩雅致，尺度适宜，成为了当时宣传集中装配建筑的绝佳实例。60年代中期，预制混凝土外墙板开始广泛的采用。其中几乎全部用预制混凝土外墙板覆面的大型建筑是勒?；柯布西耶设计的马赛公寓。马赛公寓采用了两种集成混凝土外墙板构件：①构成公寓单元正立面阳台的格子板；②安装在框架外的所有实体墙的覆面板。柯布西耶曾在《走向新建筑》中说到：“为了完善，必须建立标准”。标准化构件成为了大规模生产建筑构件的主要特征，后逐渐推广到各种大型与公共建筑中使用。

  工业与科技的发展伴随着经济的复苏，使集成装配建造技术体系逐渐发展成形。在工业化装配建造技术中，把过去相互分离割裂的设计、生产、建造程序统一整体，直接把房屋看成工业产品，对房屋的设计（包括建筑空间、结构、设备等设计），构配件的生产和运输，现场施工组织和装配，技术经济分析，市场需求与销售等各个环节都需进行综合研究，从而建立完整体系。60年代欧洲开展了不少各具特色的集成装配钢筋混凝土大板建造活动，其中法国先行，北欧质量较高，而数量最大则是前苏联与东欧国家。英国的轻钢构架CLASP学校建造体系则是世界范围内第一个成功的装配建造体系。而最著名的建造体系是美国的SCSD学校建造体系，这是在英国CLASP体系上进行的延续和发展。

  70年代后，国际集成装配建筑进入一个新阶段，其特点就是现浇集成体系和全装配体系，从专项体系向通用体系过渡。轻质高强度的建筑材料如钢、铝、石棉板、石膏、声热绝缘材料、木材料、结构塑料等构成的轻型体系，是当时集成装配体系的先进形式。由于新的结构体系比混凝土结构更加易于生产、节点制作更多样化、精度更高，从而发展拓宽了通用集成建造体系的适用范围。

  信息时代到来后，数字化语境下的集成建筑发展渗透到建造技术的各个层面，诸如“数字化建构”、“虚拟现实”、“功能仿真”等概念术语在学术界风起云涌。人类使用电脑辅助设计建筑，用数控机械建造建筑，借用数字信息定位进行机械化安装建筑。彼特?；艾森曼作为这个改革的主导者之一，深刻强调：“从第二次世界大战后的50年，产生了一种对建筑学体系机构影响的新范式转型，从机械范式转向电子范式。”集成装配式建造技术也将迎来了信息化进程下信息范式的转变。

  1.2集成装配式建造技术的可持续性

  尽管在建造过程中，使用集成构建早已经被提上了设计师和技术专家的议程，但是装配式建造理论体系中并没有和环境保护理论体系发生交叉。如今，人们已意识到建筑垃圾造成的严重环境破坏。根据统计，建造过程中产生的垃圾占整个城市垃圾重量的18%。在垃圾中大量的比例是包装材料，在诸如木材加工、砌砖、粉刷和装饰的过程中的切割和原料混合工序中由于没有集成装配的过程，也会产生多余而浪费，这种在建造过程中产生的浪费份额巨大。

  采用像制造业般的装配式建筑构件的建造过程将更快更高效，这不仅是大部分的建筑构件将在工厂完成，还意味着传统的建筑运作方式的终结。开发商、生产商和供应商基于“合作关系”的协议被认为是追求更高的品质、可靠性和减少延误的有效方法。集成装配式建造的支持者认为将建筑的主要构件放进工厂中生产具有巨大优势，这将保证构件的精度，并且可在无污染的环境下由工人进行组装，损耗和失误都将减少，成品精度也随之升高。这样能大幅度的降低建筑造价，提高场地开发和建筑建设的速度，缩短施工周期，进而减少了资金和管理的相关支出。

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  2.集成装配式建造技术结构范式

  20世纪30年代众多实验性预制构件得到实践，工业化是现代建筑兴盛的基础。集成装配建筑一直追求高精度与标准化，希望在工厂里生产更多材料或建筑构件，切合了工业化生产过程。二战后，各国建筑百废待兴，社会需要大量建筑，运用预制构件建造的住宅广泛普及。其中大量使用所谓“大板”的系统进行建造，这一系统就使用预制混凝土板，板在边缘与墙体相交，形成刚性的方盒子，可以省去独立结构框架。

  集成装配建造系统不断与时代科技相融合，今天的装配式建造技术与数字信息技术擦出了新的光辉。人们对焦在建筑的“轻质”体系，并展开各项实验性的设计方案，我问主要展开木构范式、钢构范式、与模数集成三种类型的研究。

  2.1 木构范式

  木材与混凝土比较，主要优点在于可再生和低能耗。技术的革命与更有效的建造方法将使木构架在现代装配式建筑中有着更广泛的应用，本文对中西方现代建筑的视角展开木构范式的研究。19世纪30年代的芝加哥，出现了集成装配背景下Balloon预制木构架。Balloon木构架没有古老而复杂的工艺要求去加工榫卯节点；只需用普通工具便可把这些密集而薄的部件装配成型。此类型曾大量的被采用，占当时美国住宅总量的60%到80%。有人认为没有Balloon木构架，芝加哥和旧金山就难以发展为今天的大都市。由于适应了当时社会需要条件，Balloon木构装配式建造技术形成了成熟的体系。

  近代实验性的现代木构装配建筑先驱是20世纪80年英国代发展起来的Segal系统。事实上这已经不是真的使用集成装配，但确实突出了标准化与简单操作的建造技术体系，该方法已经广泛的运用于英国普通住户为自己建造的住宅中。国际木材研究发展协会（TRADA）也研发了一套木构装配建筑体系，并将其运用到Integer住宅的原型中。瑞典的Huf’n’Puf系统已经被利用到Dulwich的开发区中，这个项目中将柱和梁系统建造在一个预制混凝土板造的地下室上，木结构能够和很多的立面材料进行结合，以满足遮风避雨以及防火需求。

  2.2 钢构范式

  钢是工业生产中的常见材料，具有轻质和可延伸的特点，在交通工具工业生产中常被制造成各种形状。对于装配建筑体系中的主要问题为压型钢板的尺寸受到刚度要求的限制，较大的钢板需要通过进行压型来保证其强度。钢构集成装配系统在一些实验性的住宅例子中已得到突破，英国蒂赛德就建成了一个名为“扁平壳”的住宅原型。该住宅是由单面钢板建造，钢板上做了防水保温涂层。这些钢板固定在轻质承重钢立柱框架上，内部由石膏板衬里，空的部分填充矿棉作为保温层。这种压型钢材可以直接在大型建筑基地旁边专门建造工厂生产需要使用的压型钢板材料，这种技术在某些材料制造商中已经形成独有的集成体系，对于集成装配式建造发展起到推动作用。

  2.3 模数集成装配范式

  模数制建造是指集成装配整个建筑或者建筑群，在基地现场进行组装，它们所特有的系统赐予其足够的结构强度。在建造过程中，集成材料被直接运送到场地、组装到位、接上水电管网系统，相互搭接后加以密封，将现场的步骤简单化。这意味着尽可能使用集成装配式模式高精度的建筑材料和配件，最大程度的保证质量和精度。由皮博迪信托公司（Peabody Trust）在2000年完成的默里的格罗夫（Murray Grove）项目非常具有代表性，此项目包含一栋五层楼，共30套公寓。每一间公寓都是由两个预制盒子组成，其尺寸都是按照卡车车厢的最大尺寸设计，整个房间由钢结构制成，均已配置了门、窗、连接件和饰面材料，整个建筑的精度犹如汽车制造一般严谨，对应了柯布西耶曾经说过的一句话“建筑是居住的机器”

  随着低能耗试验建筑的不断呈现，许多装配式建造的革新方法都集中运用在低密度私人住宅中。适合城市建筑的系统必须要着眼与解决高密度的问题。对于更高的多层建筑尤其是住宅来说，可以通过模数单元的堆砌实现更高的密度。在平面上，公寓单元通常是重复的，这使他们非常适合于流水线的生产模式。此外，模数制还加快了建造的速度，更加适应现代社会的发展对建筑的功能需求。

  3.集成装配式建筑技术发展局限

  工业化早起阶段，城市住宅短缺问题已经形成了国际性的趋势，建筑的快速建造成为解决问题的关键。大量的集成装配技术研究者在此时展开了研究，并对外公布这样能够降低造价并提高生产率，政府便在研究和开发上加大了投资力度，进行各种方法进行试验。最终，预制混凝土构件被各国所接受。由于生产制作工艺简单，经济实用，广泛被发展中国家所应用。作为工业化初期产物，大部分的预制板类型建筑被建造成简单的多层住宅。