英国模块化建筑中的工艺分析

■ 忻剑春 Xin Jianchun 刘群星 Liu Qunxing纪振鹏 Ji Zhenpeng

0 引言

在英国，模块化建筑是住宅产业化的主要模式，模块化建造的建筑在住宅楼宇、卫生和教育用建筑中已经占有了相当大的市场份额，例如：酒店、学生宿舍、军事住宿和社会住房。模块化结构，是以房间大小为单位的预制建筑体，在建筑现场通常用“搭积木”的方式完整地拼装、组合起来。模块化施工速度快，环境污染小，工艺优秀，成本易控制，在国家的可持续发展中占有重要地位[1]。

模块化建筑的通用结构形式包括：承重墙式模块和角支撑式模块。它们有着完全不同的建造技术和应用领域。模块化结构在高层建筑中的应用有很大的限制，普通模块结构只能建造最高8层的建筑，但是随着技术的发展，模块化结构已经可以应用在15层或者更高的建筑中。本文根据最新的住宅项目进行案例研究，包括25层高学生宿舍。调查数据包括，安装速度，减少建设中断期，提高生产率，更少的交通运输环节，更可靠的散热性能，减少浪费和更多的可回收材料等。

1 简介

模块化结构，是以房间大小为单位的预制建筑体，在建筑现场通常用“搭积木”的方式完整地拼装、组合起来。其主要经济优势包括：规模生产的经济效益、现场安装的速度和提高产品质量和制造精度。

模块化的建筑在潜在意义上也可以被拆除和再利用，从而有效地维护它们的资产价值。模块化结构建筑由于对于模块尺寸的生产、安装、运输的特殊要求，目前主要的应用范围是在蜂窝式建筑物群中，例如：酒店、学生宿舍、军事住宿和社会住房。

1.1 通用模块化结构形式

通用的模块化结构形式分为两类，有着完全不同的应用范围：①承重墙式模块，其荷载是通过侧墙转移的模块(图1)；②角支撑式模块，其荷载是通过角柱边梁转移的模块(图2)[3]。

当使用承重墙式模块时，墙壁的抗压性是至关重要的。当前这种类型的模块化建筑高度一般仅限于4～8层。当使用角支撑式模块时，角柱的抗压性是主要控制因素，基于这个原因，方形空心型材（SHS）由于其高屈曲阻力被广泛使用。这种类型的模块化建筑高度的限制只和SHS的尺寸有关，通常150 ×150 ×12.5使用SHS模块结构的极限最大尺寸。

1.2 模块化结构在高层建筑中应用

高层建筑是模块化结构的特殊应用领域之一，其建造高度受到很大限制。在模块化结构建筑中，通常墙是承重和抵御风剪切力的主体，这种技术传统只用于最高8层高度的建筑中。不过，随着技术的发展，通过使用额外的混凝土芯或结构框架来提供稳定性和鲁莽性，模块化结构可以应用在15层或者更高的建筑中。近3年里10～25层的高层模块化建筑已经建造完成并投入使用。

有一种高层模块化建造技术体系，是围绕一个核心再集群化设置模块来建造高层建筑，在这种技术体系中，没有任何一个分散的模块在单独地受力，提供以核心为基础的整体稳定性。这种技术理念已经在伦敦西部的一个主要建筑项目Paragon上得到了使用(图3)。该种模块由承重角柱建造。整个建筑形体可能会被拉长，对于这种情况，通过在走廊使用平行桁架、结构加固件和其他核心加固件，将横向风载荷转移至核心，保证整体建筑结构的稳定性[4]。

在Bristol市Bond街有一个12层楼高的建筑群，用于学生宿舍与商业建筑，其中第8～10层由2层的钢框架模块结构建造(图4)。400个卧室模块宽2.7m，但是有大概100间高档工作室由2间卧室组成。厨房模块宽3.6m。整体稳定性由四个钢核心支撑提供(图5)。这种模块化结构提供了开放的空间，适用于零售、商业或地面停车场。

不可忽视的是，网格员招聘人员也存在许多弊端。 例如： 招聘的工作人员流动性大、三班倒的工作时制如何有效保障网格员的安全、家庭住址远近等问题。

2 高层建筑使用模块化技术的案例研究

2.1 项目介绍

在Wolverhampton的模块化建设项目中有3栋建筑，8～25层，总共由824模块组成。最高的建筑是A座(图6)。承建商为Fleming Developments，委托方为Victoria Hall Ltd，建筑单位是O’Connell East Architects。模块化制造商为Vision。该项目开始于2008年7月，于2009年8月（共59周）被移交给委托方。该项目位于Wolverhampton市中心的主要铁路线以北。更重要的是，使用预制技术意味着建筑现场的活动和材料存储远小于传统建造方式，这是该项目规划至关重要的意义。

这3个建筑物的总楼面面积2 073m2。总楼面模块的面积是16 340m2。平均模块大小为21m2，最大尺寸为37m2。Vision体系使用了SHS和与PFC型钢来构建模块。在最高的A栋建筑中，Vision使用了多种悬臂式模块结构。同时整个建筑还使用了轻量化渡覆技术确保模块间的防水和绝缘性能。

2.2 生产和运输

生产和内部管理工作据估计为每平方米模块楼面面积的生产率相当于7.5个工时（模块楼面面积设为21m2）。考虑到建筑师和外部顾问的设计，这项数据可能会增加20%左右。每2个模块的平均运输距离为300km，运输时间估计为每个模块20个工时，相当于13%的制造用工时。这表明在英国的模块化项目中运输距离相当于生产所用工时的6%～8%。

模块重量根据它们的大小重约10～25t。模块自重约5.7 kN/m2。较高楼层模块的重量约由14%钢构件和56%的混凝土楼板组成。而较低楼层的模块，钢材重量在模块的重量中的比重增加至19%。

2.3 施工数据

全部824模块的安装时间为32周，8支安装队伍，2个项目经理。平均安装速度为每天7个模块，最快达到了每天15个模块。建筑其他非模块化部分的建造动用了约110人以及4名项目经理。现场工作总工时估计为17万（或约每平方米楼面面积为8.2个工时）。

完成整个项目建造所占工时比重约为：生产36%，运输和安装9%，建筑其余部分施工55%。在整个项目中的生产和施工环节中，每完成一平方米楼面需要约16个工时，比传统现场施工提高了80%的效率。

3 影响模块化建造经济效益的因素

模块化施工技术的特点是，采取尽可能远离施工现场的生产手段，将缓慢的现场施工更有效地取代为更快的装配式施工。模块化建造的经济效益必须考虑以下几个因素：

(1)生产设施的投资成本。

(2)材料使用方面的生产增益。

(3)现场施工占整体建造成本的比例。

(4)运输和安装成本。

(5)快速安装的效益。

(6)施工场地基础设施和管理费用。

4 英国关于建筑可持续发展的法规条例

在英国，与模块化建筑、绿色建筑的法规条例发展成熟，使用领域广泛，包括了施工、环境、社会和经济发展。在众多规范中，绿色标准BREEAM 被广泛使用于办公室，同时英国政府的住宅可持续发展守则（CfSH）已成为在住宅部门使用的环境标准。CfSH评估程序是一个公认的环境标准，由各项分数以及加权比重组成(表 1)。

5 关于模块化建筑可持续发展性的分析

模块化结构建筑是节能的。能源在建筑中的主要作用之一是供热（在某些情况下供冷），模块化建筑结构设计要求高绝缘性，泄漏率小于2m3/m2/hr。同时模块化结构是轻量化的。对比一个传统混凝土框架结构住宅，模块化结构建筑的重量不到其30%。

根据建筑科学研究院报告，英国建造材料行业平均水平在现场的各项浪费占13%。相比之下，模块化建筑能够大大减少现场浪费，并且将生产运输中产生的所有边角料充分回收利用。在全国范围内，98%的钢材在使用后被回收，而目前在欧洲的钢铁制造50%来自废钢。

模块化建筑同时极大地改善了施工现场环境。模块结构通过合理安排只在合理的时间点上被运至现场，施工的现场存储被降至最低，噪声和其他干扰来源也最小。相对于传统的施工建造方法，模块化建筑在现场的施工活动能够减少70%。

表1 CfSH环境标准的各项分数和比重

6 结语

模块化建筑是英国住宅产业化的主要模式，模块化建筑目前主要应用在蜂窝式建筑物群中，如酒店、学生宿舍、军事住宿和社会住房。模块化结构主要经济优势包括：规模生产的经济效益、现场安装的速度和提高产品质量和制造精度。

承重墙式模块和角支撑式模块是模块化建筑的通用结构形式。模块化结构在高层建筑中的应用有很大的限制，普通模块结构只能建造最高8层的建筑，但是随着技术的发展，模块化结构已经可以应用在15层或者更高的建筑中。围绕一个核心再集群化设置模块来建造高层建筑是一种成熟可靠的高层模块化建造技术体系，在这个技术体系中，没有任何一个分散的模块在单独地受力，提供以核心为基础的整体稳定性。

根据最新的住宅项目分析，施工平均安装速度为每天7个模块，完成整个项目建造各项所占工时比重约为：生产36%，运输和安装9%，建筑其余部分施工55%。在整个项目中的生产和施工环节中，每完成一平方米楼面需要约16个工时，比传统现场施工提高了80%的效率，有更可靠的绝缘、防水、散热性能。

模块化建筑在国家可持续发展中占有重要地位。模块化结构有着节能和轻量化的设计，同时大大减少现场浪费，并且将生产运输中产生的所有边角料充分回收利用。模块化建筑同时极大地改善了施工现场环境，相对于传统的施工建造方法，模块化建筑在现场的施工活动能够减少70%。

[1]Lawson R.M. Building Design using Modules , The Steel Construction Institute P367, 2007.Lawson R.M., Ogden R.G., Pedreschi R,Popo-Ola S and Grubb J Developments in Pre- abricated Systems in Light Steel and Modular Construction The Structural Engineer. Vol 83 No 6, 15 March 2005 p 28-35.

[2]Building Regulations, England and Wales Approved Document A, 200C6a.rtz J.P. and Crosby M Building High-rise Modular Homes The Structural Engineer Vol 85 no l 9 January 2007.

[3]National Audit Office, UK Using Modern Methods of Construction to Build Homes More Quickly, 2004.

[4]Department for Committees and Local Government (UK)Code for Sustainable Homes - Technical Guide, May 2009.