3D模塊化建築設計、製造與裝配(一)

2021-01-19 丁成章住宅產業化

一、住宅產業化


(一)百年住宅產業化之路


1、 住宅產業化起源


1910年3月,沃爾特•格羅皮厄斯向德國通用電氣公司 AEG 的艾米爾•拉特諾提交了一份合理化生產住宅建築的備忘錄,那一年沃爾特•格羅皮厄斯26歲,雖然已經過去105年,但他仍然是對標準化住宅單元的設計、製造與裝配的最為透徹的闡述。1923年出版的《包浩斯書集》中收錄有格羅皮厄斯撰寫的《住宅產業化》論文。       


1928年第一屆《國際現代建築會議》 CIAM 通過的拉薩拉茲宣言不但強調了建築產業化的必要性,還認為「建築質量的高低並不取決於工匠們的手藝,而在於要普遍地採用合理化的生產方法」。指出「建築產業化首先應該是尺寸規格化,並採用有效的生產方法」。     


1933年包浩斯關閉後,沃爾特·格羅皮厄斯去了美國,繼續致力與住宅產業化研究和推廣。



從德國移居美國之後不久,沃爾特·格羅皮厄斯為家人建造的住宅就戲劇性的影響到美國建築。


2、汽車產業化


1907年,福特發明了生產流水線,實現了生產的標準化、大批量製造——即大規模複製。       


流水線大規模複製這種生產方式在全世界風行了一個世紀之久,並為工業化社會立下了汗馬功勞。但是隨著經濟的發展和社會的進步,它自身的局限性日益成為它繼續前進的障礙,並日漸明顯地走向衰落。       


大規模複製生產方式,在某些領域,現在乃至將來還會有它發揮作用的空間,但是作為一種主流的生產方式,它的歷史使命已經完結,在許多領域裡已經衰退。一種新的更能適應當今市場形勢的生產方式——大規模定製,已經應運而生。       


工程師是工匠們的天敵,工程師的職責就是砸掉工匠們賴以生存的手藝,工程師的工作就是把手藝轉化成工藝,把工藝品變成產品。     


傳統製造業(汽車、家電、IT、製衣、製鞋等行業)早就完成了從手藝到工藝的轉換。所以價格才會這麼便宜,質量才如此之高。


住宅製造業才剛剛起步,與傳統製造業差距巨大。所以房價才這麼貴,質量這麼差。



T型車發明之前的汽車製造方式——單件小批量定製


在T形車發明之前,汽車也是需要定製的——就像找裁縫量體裁衣一樣,專門針對一個客戶去設計每個汽車零部件和整車,這樣一來,這輛汽車就是天價了。



T型車發明之後的汽車製造方式——批量複製


汽車產業化的成功經驗大大刺激了建築行業。


 一百多年來,無數痴迷於「住宅產業化」的人士前僕後繼的為之奮鬥,但總的來說,成效不大。


主要原因就是住宅的個性化需求太過於強烈了。在工業1.0~3.0時代根本無法實現住宅的「批量定製」 。



一百多年來,無數痴迷於「住宅產業化」的人士前僕後繼的為之奮鬥,但總的來說,成效不大。



一百多年來,汽車產業化取得了突飛猛進的進步,但是,住宅產業化卻基本停滯不前。 


(二)美國的住宅產業化


1998年,時任美國總統柯林頓指示發起住宅先進技術合股企業(PATH),目的是改善「美國的住宅質量、提高成本效率、耐久性、安全性和抵抗天災的能力。」可以說住宅產業化是繼IT產業,基因科學之後在美國所推行的又一個重大國家產業政策。        


2001年,美國建築師學會資深會員(FAIA)學會給美國羅馬學院成員史蒂芬.基蘭和詹姆斯.廷伯克萊團隊研究獎金。研究課題有工廠預製、創新牆體,以及採用新的裝配工藝和材料的室內組件等,根據研究成果,他們撰寫了《再造建築》一書。      


這本書的基本思想就是用製造業的成功經驗來再造建築業。他們在世界各地授課、講授住宅製造的流程和方法,這些技術是從其他行業(例如船舶、飛機、汽車等行業)轉移過來的,現在已經應用到了建築上,構成了一種新的建築學。


(三)日本的住宅產業化


日本的住宅產業化始於20世紀60年代初期。20世紀70年代是日本住宅產業化的成熟期。到20世紀90年代,採用產業化方式製造的住宅佔竣工住宅總數的25~28%。日本是世界上率先在工廠裡製造住宅的國家之一。       


日本從1985年開始陸續進行了針對21世紀型住宅的模式的研究開發,先後進行了多層住宅用新材料、設備系統開發項目(1984~1990年),新工業化住宅產業技術——系統開發項目(1989~1995年),創造生活價值住宅開發項目(1994~2000年)和資源循環型住宅技術開發項目(2000~2004年),這些項目的研究開發對於構築可持續性社會、降低建築的資源和能源消耗、保護環境等都具有非常重要的意義。      


創造生活價值住宅開發項目(1994~2000年)技術研究課題組6名顧問團成員的松村秀一先生(東京大學大學院工學系研究科建築學專業副教授)、田邊新一先生(早稻田大學理工學部建築學科教授)共同編著了《21世紀型住宅模式》一書。該書不只是技術和問題的解答,而是在描述21世紀日本住宅的模式基礎上的技術標準。       


日本幾個最大的專門從事住宅建造的製造商是:豐田、積水、久保田、三澤、三菱、大和。日本的住宅產業化戰略是邊建築過程為製造過程。       


日本處於建築技術和開發的最前沿,尤其是機器人技術和計算機控制系統。它們早就開發出樓面自動打磨機、加固製作機器、上油漆機器人、自動焊接機器人、雷射測量裝置、無人駕駛鏟車、巨大的塔吊等機器人技術,以應對熟練工人短缺的問題。


(四)住宅產業與製造業的差距


儘管住宅產業化思想已經提出了100多年,但是由於住宅產品的特殊性,住宅產業與製造業的技術差距卻是越來越大。不但中國是這樣,全世界也是一樣。       


製造業(汽車、家電、IT)正逐漸從批量複製向批量定製發展。流水線布局、物料供給系統、智慧機器人、智能控制、無人化工廠、無倉庫工廠(JIT)、製造與裝配設計(DFMA)、企業資源規劃(ERP)、遠程控制設計與製造樣板製作和分析工具等新技術措施層出不窮。


關起門來孤芳自賞,討論一下「住宅產業化」這個話題,沒有太大的問題。但千萬要注意,不要和製造業同行聊什麼「住宅產業化」,在全球範圍內,住宅製造業與製造業(汽車、家電、IT)存在巨大差距。


現在衣服、鞋子、家用電器、汽車等工業產業之所以便宜,是因為它們都實現了產業化製造。


現在房價很貴,其中最重要的原因就是住宅沒有實現產業化製造!


中國住宅製造業還沒有起步,不但存在著許多技術障礙,而且還有很多法律、法規方面的缺失。


住宅產業化雖然面臨著巨大的困難,但是也說明,住宅產業化有著巨大的發展空間。


(五)住宅產業化與集成建築的關係


 住宅產業化是手段,即通過產業化手段來製造(或建造)集成建築。


集成建築的內涵包括,但不局限於:


■預製建築(鋼結構、木結構、混凝土結構);

■模塊化建築(鋼結構、木結構、混凝土結構);

■智能建築(智能家居、智能家具等);

■可持續建築(綠色建築、零能耗建築、零能源建築、零加熱建築、自給自足建築、被動式建築等)。


二、集成建築三個層次


(一)集成建築的三個層次


1、初級層次


集成建築(或住宅產業化)的初級層次又稱之為現場「綁棍建築」,即在房屋製造工廠製造「一根根」建築構件,運到施工現場,然後把「一根根」建築構件「釘到一起」,再固定上建築圍護體系,就構成完整的建築物。有所區別的是,當今中國是「一塊塊」的砌磚、抹灰、刷塗料來蓋房子。


2、第二層次


集成建築(或住宅產業化)的第二層次又稱之為2D模塊化建築,即在房屋製造工廠把「一根根」建築構件「釘到一起」, 再固定上建築圍護體系,構成「一面面」的牆面、樓面和屋面等二維(2D)建築系統。然後把這些二維(2D)的牆面、樓面和屋面系統運送到施工現場,再吊裝組成完整的建築物。但是砌磚、抹灰、刷塗料是無法實現2D模塊化建築的。


3、最高層次


集成建築(或住宅產業化)的最高層次又稱之為3D模塊化建築,即在房屋製造工廠把「一面面」的牆面、樓面和屋面等二維(2D)建築系統固定到一起, 形成三維(3D)建築系統。然後把這些三維(3D)建築系統運送到施工現場,再吊裝組成完整的建築物。但是砌磚、抹灰、刷塗料是無法實現2D模塊化建築的。


目前模塊化建築主要採用的是2D模塊化建築和3D模塊化建築技術,很少採用「綁棍建築」技術了。


三、3D模塊化建築設計

 
                                            3D模塊化建築


最近幾年,「像造汽車一樣造房子」成了一句非常引人注目的「口號」。


但是,如果不能「像設計汽車一樣設計房子」,那麼「像造汽車一樣造房子」就只能是一句空話!        


現在設計一款汽車,需要動員成百上千的研發人員,花費數億資金,幹上好幾年,才能完成設計任務。但它是值得的,因為這款汽車可能要銷售幾十年、製造數千萬輛,把研發成本分攤到每輛汽車上,幾乎可以忽略不計。       


但是現在很少有房地產商會為設計一款住宅戶型花費如此大的力量(人、財、物、時間)。       


為了確保「像製造汽車一樣製造住宅」,就必須採取「像設計汽車一樣設計住宅」的技術和管理手段。       


3D模塊化住宅是通過先進的模塊化設計方法,把一棟住宅分解成若干個模塊,然後在全國各地的住宅工廠裡分模塊製造。        


運送到工地的3D模塊化住宅既完成了室內外裝修,也包括內部的給排水設施、廚房衛生潔具、家用電器、家具、地毯等更多的生活起居設施。




現在即使是再偏遠的山區,也沒有人會去納鞋底,做鞋子了。因為與在商場買鞋子相比,自己做鞋子的成本太過於昂貴。自己納鞋底手工做的布鞋已經不是現代意義上的「產品」,而是「工藝品」,價格是一般消費者無法接受的。


隨著勞動力成本的上升,環境治理力度的加大,人們很快就不能忍受在工地「綁鋼筋,澆混凝土」這種原始的建造方法了。


工廠化製造住宅很快就會流行起來。住宅的價格也會隨之降下來。發達國家早就開始在工廠生產線上製造住宅了,美國的房價比中國便宜,原因之一就是實現了住宅產業化。


 四、3D模塊化建築設計


(一)模塊化設計

1、3D模塊

3D模塊化住宅是由若干個如下圖所示的3D模塊組成。



2、3D模塊鋼結構框架

3D模塊的鋼結構框架如下圖所示。



模塊化住宅的裝修工作是在工廠流水線上完成的。


 

 




3D模塊外牆構造如圖9所示。3D模塊化住宅主要依託水泥基板材來建造3D模塊化住宅的維護結構。


構造板在3D模塊化住宅中起到了建築蒙皮(結構承載)和建築防火雙重功能,水泥基構造板是A1級的耐火材料。

外飾板展現了3D模塊化住宅(室外側)的建築美學功能。

內飾板展現了3D模塊化住宅(室內側)的建築美學功能。



1、3D模塊的定位

3D模塊化住宅採用了專門的定位裝置,可以把3D模塊準確的定位和組裝到一起,3D模塊的水平位置偏差可以控制在±1mm之內,確保外立面整齊劃一,不需要再施工現場做二次整形裝修。




把標準的3D模塊進行不同的組合,就可以獲得不同的建築造型。





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