分享 | 快速建造体系下的建筑设计

西安建筑科技大学.建筑学院
建筑学专业 STUDIO. 5 课程设计

基于2018 SD.CHINA
太阳能建筑设计与建造实践

快速建造体系下的建筑设计

SD

太阳能十项全能竞赛(以下简称“SD大赛”)是全球大学生的实验创作项目,被誉为太阳能行业的“奥运会”。它是由美国能源部2002年发起并主办的世界大学生最高水平的能源建筑科技竞赛。SD大赛自2002年在美国华盛顿首次举办后,迄今已成功举办了十二届。2011年中国学生团体首次参与到竞赛当中,第一届中国国际太阳能十项全能竞赛与2013年在山西大同成功举办,来自13个国家,21支赛队参加了比赛。第二届2018 SD.CHINA计划于2018年夏天在山东德州举行,届时将有来自11个国家43所高校的22支联合赛队参赛。透过SD竞赛平台,极大地激发了设计团队将太阳能、节能与建筑设计一体化技术的研发与设计创意。促进了太阳能产业、建筑工业化、建筑绿色技术与建筑设计在产、学、研三方面的融合与交流。

STUDIO

西安建筑科技大学团队连续两届参加了SD.CHINA的基础上,针对建筑学专业四年级学生开设了专题的课程设计——快速建造体系下的建筑设计。该课程是我校建筑学专业实践与拓展教育阶段的专业深化系列课程之一。课程设置以2018SD.CHINA为背景,结合当前全社会对建筑节能、环境保护和资源循环利用的重视。大力发展新型装配式建筑的推动社会经济发展的国家战略。我们将于装配式建筑密切相关的快速建造作为课程设计的主题。希望学生通过建筑构件的建筑设计,提升学生对建筑构造、结构的理解力,实现建筑艺术与建筑技术的结合。通过课程教学对建筑产业化有初步的了解,初步掌握建筑构件的产品规格和构造逻辑,探索设计装配一体化的建筑设计方法。与此同时,也需要学生掌握被动式太阳能建筑设计的基本理论与设计方法。

TEAM

指导教师: 陈静、朱玮

学生:

木构组:周昊、张书羽
混凝土组:史冠宇、赵欣冉
钢构组:阳程帆、陶秋烨

督导:

李岳岩:西安建筑科技大学SD赛队领队
王卓:西北建筑设计研究院有限公司  建筑师
张华:中煤能源集团西安设计工程有限责任公司 结构博士
付春伍:西安建筑科技大学SD赛队结构组组长
郭宝生:西安建筑科技大学SD赛队结构组队员
张志田:西安建筑科技大学SD赛队宣传组组长

TEACHING

初识装配式建筑

2017年9月伴随着课程的开始,我们亲临了万科地产的曲江翡翠国际住宅楼的施工现场,走进了陕西中天建筑工业工业有限公司的产业化生产基地。通过对PC混凝土预制构件 (Precase Concrete)的标准化、机械化的加工生产,以及现场装配施工的参观,使学生们对装配式建筑有了初步的了解。


⬆️陕西中天建筑工业有限公司产业基地与工程实践项目参观

在对装配式建筑有初步认知的基础上,我们通过对装配式建筑政策的解读,以及对行业发展趋势的了解,将学生分成三组:木构组、混凝土组和钢构组分别进行专题研究与设计。前期研究包括案例解析、材料属性与结构体系研究。


木构组

构件单元


食材之家
建筑师:隈研吾
优点:原料加工量少,结构炫酷
劣势:需要单独做保温
适用范围:展览馆、咖啡屋等

板片

阳光童趣园
建筑师:朱竟翔
优点:可自带保温性能
劣势:木材特点不能得到完全发挥
适用范围:多为民居

杆件+板片

斗室
建筑师:朱竟翔
优点:综合前两者的优点
劣势:内外形式脱离
适用范围:展览馆、民居等

体块

上海浦东东滩禁猎区工作站
建筑师:朱竟翔
优点:现场装配时间少
劣势:空间单一
适用范围:小型办公、民居等


混凝土组

框架结构体系

预制体系:梁、柱全部采用预制构件。承重构件之间节点、拼缝连接均现浇。
适用范围:多层工业厂房、多、高层办公楼、医院、旅馆、教学楼、住宅等。

剪力墙结构体系

预制体系:剪力墙、梁、板部分或全部采用预制构件。
适用范围:因较好承载力,多用于高层建筑;平面开间布局不灵活,多用于旅馆、公寓、住宅等。
采用墙板间竖向连接缝现浇,上下墙板间钢筋浆。

框架-现浇剪力墙(核心筒)

预制体系:剪力墙现浇、梁、柱采用预制构件。
适用范围:剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边,楼梯间、电梯间,平面形状变化和竖向荷载较大部位。

钢构组

轻型钢结构

轻型门式钢结构

结构特点:质量轻,施工周期短,经济效益高,柱网布置比较灵活
不足:不稳定,空间可塑性差
适用范围:单层工业厂房、展览馆、仓储式工业及民用建筑
构件与建造:

钢管结构

结构特点:受力均匀,相对稳定,阻力系数小
不足:造价高,多焊接不灵活
适用范围:大型建筑

可变型钢结构
结构特点:质量轻,组织灵活,搭建迅速
不足:空间受限
适用范围:集约型住宅,低成本搭建
构件与建造:

冷弯薄壁型钢结构
结构特点:自重轻,抗震性能好,节约成本
不足:结构与围合的连接
适用范围:民用住宅,别墅
构件与建造:

市场定位
木构组

选取基地为云贵及川藏交界处的香格里拉独克宗地区。本设计试图以香格里拉独克宗古城为例,探究云贵及川藏交界处高原温寒带木构装配式太阳能民宿建筑的应用发展前景。这里民宿发展迅速,古城木结构建筑居多。不幸的是,2014年发生了一场火灾,烧毁了古城三分之一处房屋,促使当地需要大量快速重建家园,木结构装配式民宿或许可以解决当地的燃眉之急。

混凝土组–私人订制

近年来,预制混凝土以其低廉的成本,出色的性能,成为建筑业的新宠。繁多的样式、重量加上出色的挠曲强度和性能,预制混凝土能加快住宅产业化速度。

与此同时,传统住宅的劣势日益显露出来,居住成本太高,导致很多人难以支付,适应性差。比如住宅不能适应不同的地理区域,空间利用率地下(客厅濒死),大批空间被闲置。同时,户型的功能分布呆板,不能满足不同人群的个性化需求。

我们提出预制混凝土“切片”的概念。针对高房价,我们通过提高预制率,采用廉价材料来降低成本。针对适应性弱,我们希望将整体结构化整为零来提高其抗震性能并适应不同的地理环境;针对限制空间多,我们利用预埋件提出可变空间的概念;此外,根据收入不同和个人爱好,使用者可以自由选择空间功能搭配方式。将统一预制和私人订制相结合。

钢构组–舒适节能的乡村住宅

空间研究

这是此次课程设计相比于以往的课程设计的最大差别,是改变学生固有的空间思维观念。首先将原本呈现空间的线条变得有意义,这些意义反映在对材料的结构属性、热工属性、艺术属性的科学的表达上。切入设计的角度从功能、形式转化到结构、气候与设备。从而引发了三个专题的研究:结构成空间,设备成空间和气候成空间。

产品设计

将建筑的基本构件作为产品进行设计,以此作为设计的起点。由构件形成基本的结构单元,结构单元的组合形成空间单元。在此过程中功能空间、结构空间、设备空间以及气候空间在此过程中围绕着基本构建的设计与组合不断地呈现出来。设计也正是在它们关系的相互博弈中展开。从快速建造的角度来设计构件与构件的连接,再到空间的生成,到建筑的完成由此设计也实现了建筑设计与施工的一体化。

木构组选取工程木板材作为主要的建筑材料。以镶板结构作为设计的基本原型。设计希望能同时发挥木材既可作为承重结构,又可作为围护结构的特性,对现有适合快速搭建的轻型木结构进行改良与优化,提取镶板结构的特点与优势,借鉴瓦楞纸板的结构属性,设计出折板结构,以此作为设计构件的基本原型。折板式木结构作为承重墙体,三角形的截面加强了稳定性,同时节约了材料的使用。折板的空腔可以作为空气间层便于保温隔热,也可作为设备间层供管线穿行,亦可根据需要作为室内储物空间。在整个建筑中,建筑基本构件:墙体、楼板、梁均可由一套折板体系实现,其产品可做到高度模数化、预制化。其节点连接简单,装配快速。

混凝土小组设计产品的基本构件是:三明治墙。该墙体从CL结构体系出发,以网架板做主要承重构件的骨架(偏居中放置,两侧浇筑砼)。该结构的保温层耐久性好、耐火极限高;建筑保温与结构同寿命,该结构是解决目前建筑保温材料使用年限远小于建筑结构使用年限的一种方法。

为了实现装配化施工,将墙体转换成空间模块。模块的设计综合了三个参数体系:1、人体工程学尺度体系;2、规范参数体系;3、构造结构参数体系确定了32mm的模数系统。运用该系统对模块进行模数化标准化的接口设计,以设计出标准化通用化的零部件。

在进行单元尺寸确定时,综合考虑XYZ轴的变化对功能,人体,结构,运输,维护,造价,安装,美观等因素影响,得出一个方盒子的最优解。

盒子的连接分为X/Y/Z,水平与垂直方向的连接。在水平方向上,在连接件的作用下展开功能,根据不同的空间需求经行单元块的切片叠加。条形基础的高低决定了上层单元的高低,地形起伏和错层操作都可以通过基础的变化产生(枕木—轨道—盒子)。

在垂直方向上,我们在预留孔洞的最外侧两个洞内由上而下插入80mm的钢柱与条形基础连接达到结构补强的目的,结合规范要求,顶层经行灌浆处理,通过预留的灌浆口,由上而下将结构墙连为一体,在保证结构稳定性的同时,最小化了湿作业的工作量,为工人们提供一个舒适的工作环境。 CL体系的基础上,在内侧的钢筋网架内部预留了16个直径100mm的孔洞,在减轻混凝土自重的同时产生设备空间和结构空间,同时产生了一个具有保温性能的空气间层,与外侧使用PCR连接件固定的聚苯板共同作用下大大降低了建筑能耗。

钢构组选了冷弯型薄壁钢以及小型门式钢架结合的形式来进行我们的建筑设计。将设计按照结构体、围护体与设备体三个模块拆解成构件库。

方案设计与实施搭建
木构组–阿布老屋改扩建

张书羽与周昊同学在针对独克宗古城的阿布老屋的改扩建的设计中,以围绕中柱的公共客厅为媒介,有机的融合了新老建筑;合理区分了宾客与主人的生活分区。在空间上,合理运用原有柱承重体系创造适应公共活动的自由的大空间;创造性的运用折板墙体围合封闭性的卫生间、储存间、设备间等小而封闭的腔体空间,它与住宿部分共同构成单元模块。该模块具有以实结构、功能与施工一体化的特征。在节能上,采用了底层架空、南向阳光间、中庭通风、屋顶太阳能集热等主被动策略。

混凝土组–夹缝间的住宅

史冠宇、赵欣冉同学将对混凝土材料、结构与构造的研究,有针对性的开发了一套适合多层住宅的装配式产品。该产品具有空间组合可变、适用性强、装配可实施性好的特点。将其产品运用到适应特殊地形的(面宽5米,进深25米)设计中,完成了他们的“夹缝间的住宅”设计作品。该设计以被动式节能策略为空间生成的原始推动力,中央庭院将住宅分为前后两部分:前部为住宅的公共区域,后部为私密的卧室区。同时它也是重要的气候调节区。南向的温室应对早晚、冬夏的节能策略对内部空间的功能组织具有较强的控制力。

钢构组–乡村住宅

阳程帆、陶秋烨小组的乡村住宅,选取关中农村两块毗邻的宅基地进行典型的三代居设计。设计在形式上继承了关中地区村落传统四合院民居的原型,抽取传统民居建筑绿色营建经验的基础上,进行适应现代化乡村生活与现代节能技术运用的设计改造。 针对农村青壮年外出务工的现状,将两代分居的宅基地进行统筹规划,老宅做功能适应性调整以适应新的产业转型,由原来的自住宅改建为农家乐。新建住宅,以院落为核心,以公共空间——起居室、餐厅划分、连接两代的生活空间,使他们由原来的两代分居转变成比邻而居。

课程答辩

经过10周的课程设计,终于迎来了最终的课程答辩环节。我们非常荣幸的邀请到了来自西北建筑设计研究院有限公司的结构总工许耀湘、陕西建筑勘察设计有限公司总建筑师马国库,以及西安建筑科技大学SD赛队的李岳岩老师作为我们课程设计的答辩老师。通过学生的方案汇报、评委的提问与问题的回答等环节。学生充分接触到了来自设计院富有经验建筑师、工程师对他们方案的点评与设计修改建议。这让他们的学习与真实的建造更走进了一步。

设计点评

木构组:设计创意很新颖,有很多技术构造实用性强,在目前快速建造技术上有创新。对于木结构体系的广泛推广有一定的启发。

混凝土组:设计综合考虑了建筑、结构、构造、设备、节能等多方因素,设计有创造力。混凝土结构的组合安装课题研究很有想法,其中的连接构造有一定的推广性。

钢构组:设计思路清晰,功能及空间设计合理,特别是对结构与构造有深入的思考。

THINKING

快速建造体系下的建筑设计课题,同学们在完成设计后共同的感受设计思维的转换。从前的设计更多关注的是空间概念、空间操作,关注图面上的形式与效果的表达。通过该课题的设计使学生真正认识到了结构与构造对于空间或者是整个建筑的意义,每一块墙的构成,柱子的粗细,梁与柱子的连接,都是最后成品建筑不可或缺的一部分。明白了建筑学本就是一个综合专业,两根墙线出现的时候也意味着材料、构造、保温、饰面、结构等的发生。

作者:
陈静,西安建筑科技大学建筑学院,副教授
2018SD CHINA西安建筑科技大学赛队教师成员
朱玮,西安建筑科技大学建筑学院,助教
2018SD CHINA西安建筑科技大学赛队教师成员