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​学术快讯 | 现代木构建筑工业生产的设计实践——以木结构模块化集成建筑为例

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近年来，因木构建筑环保低碳的特性，木结构预制建造技术持续发展，使得其数字化的“设计-生产-建造”产业链条不断完善。以1990年芬兰碳税征收为起点的“能源-碳”混合税体系及 2005 年起欧盟起始的碳排放交易制度的完善，推动了气候问题的国际合作。在城镇化趋势下，建筑业的低碳零碳目标的实现，也是全球减 少碳排放的重要组成部分。如何实现既有建筑的改造与城市更新，形成灵活、快速且低碳的空间便成为建筑学当下的热门话题。与此同时，人们希望用更合理的建造成本获得更好的空间体验的需求日益增强，而工业化与模块化显然是提高建筑综合成本效益，实现建筑可持续发展的途径之一。因此，基于工业生产的木结构模块化集成建筑(Timber Modular Integrated Construction，Timber-MiC)，为回应上述建筑低碳、高效、可持续的关切，提供了一个可能的解决思路。

模块化集成建筑 (Modular Integrated Construction，MiC) 是一种将独立且具有结构性能的空间模块 (带饰面、固定装置、配件等) 在场外生产，运输到现场进行组装建造的建筑体系。其在改善现场安全、提高质量控制、缩短工期、减少建筑垃圾、减少现场劳动力、减少施工干扰等方面优势明显。相比于RC-MiC(混凝土Reinforced Concrete MiC)、Steel-MiC(钢结构MiC)，Timber-MiC模块重量较轻，同重量情况下可以运输相对较多的单元；其次，Timber-MiC模块受益于材料与建造方式等特性，在全生命周期，更 加节材、节能与低碳；木材板片框架及冷加工的节点形式使得即使在小批量下也能实现经济的工业化柔性制造，没有模板损耗，同时也可以在一定程度上实现每个模块的形态调整；此外，木构建筑生产一贯采用预制、现场施工装配的制造方法，对预制设计流程相对比较适应。

然而，模块化集成建筑基于标准单元的设计与建造方法未必适用于所有的建筑场景。一些特殊形制和尺寸的建筑，需要现场定制加工，这就产生更多的现场工作和废料。同时，使用预制模块的决定必须在设计之初做出，因为空间结构的组织需要遵循模块的组合逻辑，这对现有“设计-建造”(Design-Build) 流程的改变较大；同时，建筑模块的工业生产预制，需要数字化和智能制造技术的支持。因此，这一方法的发展需要设计界、产业界更多的支持和政策投入。

Timber-MiC在当下全球范围内的应用仍很少见，即使在木构建筑发展相对成熟的欧洲，也是在最近十余年才开始出现相关概念与设计实践；其使用推广也面临规范，设计-建造模式，成本，材料可获得性、耐久性等诸多挑战。一个高性能的Timber-MiC体系应该包括节点设计、构件设计、结构设计、材料选择与处理、制造工艺与方法、现场施工等多个方面的综合平衡。本文选取标准单元Timber-MiC海外实践探索案例与我国Timber-MiC的设计实践尝试，面向其使用功能、单元形式、设计与建造过程，讨论了木结构模块化集成建筑与低碳可持续话题的关联，并进一步探讨其适用场景。

Timber-MiC体系在技术与建造过程上，受限于现有的材料、规范及建筑室内的防火、 隔声以及建筑围护结构的隔热和防潮等功能需求，除去单元体外，建筑物的墙体和饰面材料通常是作为一个连续整体系统提供的，必须与单元一起考虑和设计覆盖其内外的各层材料。因此，建筑师必须在同一个阶段，同时设计外立面和室内外露的木结构构件，并考虑对建筑其余结构件的影响，这使得设计过程更加复杂。这一设计前置与现有设计院与施工方分离的传统形式存在较大差异。

1  Timber-MiC的海外实践探索

1.1 案例分析

木构建筑单元模块的概念雏形于1970年代以单层住房的形式提出。至1990年代末，在瑞士与奥地利福拉尔贝格州 (Vorarlberg) 开始应用于多层办公与酒店建筑的建造，其单元模块的集成程度也随着设计与技术的发展进步逐步提升。2009年建成的奥地利阿默瓦尔德酒店(Alpenhotel Ammerwald，图1) 作为Timber-MiC概念的早期代表项目，在当时引起了产业界与学界的广泛关注。酒店有 96 个模块，并在10天内建成，房间模块单元由正交胶合木 (Cross-Laminated Timber, CLT) 制成，室内直接裸露木材作为装饰。95mm厚的承重内墙、140mm厚的楼板，与60mm厚的天花板组成了一个外部尺寸为 4.50m×5.00m×3.00m、坚固的可运输的木结构模块化房间单元 (图2)。3 个元模块垂直叠放形成一组，并用塞洛玛 (Sylmer) 橡胶软垫隔离，以减少结构固体传声。组合模块最后被安装在现浇混凝土底座之上的平整的硬木基座上，基座与混凝土之间同样垫有塞洛玛软垫。布雷根茨 (Bregenz) 林区的一家小型木构建筑公司在其工厂中预制了所有Timber-MiC房间单元模块。单元模块通过12个生产工序组成的生产线生产，完成了所有的结构组装、建筑设备、内饰面，甚至家具、窗帘的安装，在建筑外立面完成后被运输到现场，并在10天内堆放安装(图3)。单元模块间的中央过道由160mm厚的正交胶合木板制成，通往 3个混凝土制的疏散楼梯间。房屋内包括淋浴间的墙壁和地板，也是由正交胶合木板制成，由特殊的透明涂层保护，已具备防水能力。同时项目也保留了部分现场施工作业，包括出入口区域的石膏墙面饰板， 以及由不锈钢板制成的外立面。此外，水电管线的连接也在现场施工完成。预制程度较高的单元模块使得建造时间大大缩短(图4)， 预制还提供了传统现场施工方法无法达到的优异建造质量，同时降低了综合建造成本。得益于工业化生产过程中的复杂的材料、工艺与物流组织，采用了类似于汽车行业的流水线生产形式，而不是传统离散的建造施工过程，所有房间单元模块的生产只用了短短31天。

1.2 产业化推广要素分析

如今，Timber-MiC已在多层住宅、宿舍、酒店、学校和办公楼等多类型建筑场景中进行了实践探索。虽然采用200~300个Timber-MiC单元模块的单体建筑在欧洲已经被建筑法规所允许，且Timber-MiC具有明显的工业化生产潜力，但其尚未得到广泛的应用，仍处于原型研究或小规模生产阶段，主要有以下的原因：一方面，面向不同项目，相关规范、用户需求、房地产开发的输入条件都在不断变化，要求Timber-MiC具备适当的灵活性，并且其建筑系统或模块需要个性化的柔性生产定制才能应对所有这些变化。

2  Timber-MiC的国内实践尝试

现阶段，国内相关标准单元预制规范仍在编制当中，相对更成熟的钢结构模块化集成建筑尚处于试点发展期。因此，Timber-MiC的相关实践多停留在设计方案阶段或以非结构件落地。

作为参考，近期的烟台滨海健康驿站Steel-MiC项目，展现出了模块化集成建造方法的低碳与可持续潜力，项目已能在工厂内完成结构、装修、水电、暖通等80%的工序，减少50%以上的施工碳排放、80%以上现场建筑垃圾排放，减少固体废弃物产生——再利用率和回收率可达到50%，同时将原有3年的施工周期压缩至1年。木材作为生物基固碳材料，一般不需要进一步覆盖装饰面，显然能够进一步降低碳排放，并减少现场作业量。在国内，由于技术发展和市场需求的限制，Timber-MiC暂时不能作为多层建筑落地，设计实践多作为单层的移动房与树屋存在。相关规范的缺失与相关木结构低碳建造需求的持续存在，使国内的木结构行业形成了柔性生产技术(Flexible Manufacturing System,FMS) 先行的发展途径。

在一些文旅类公建复杂造型的非结构性应用上，模块化木结构预制建造，结合了机器人柔性生产的落地方式，在成本与建造工期上具有优势，因此得到了局部的设计实践落地。这里以笔者参与的松阳童书馆与南京园博园2号口异形木结构集成模块实际落地为例，探讨Timber-MiC柔性生产的“设计-建造”过程。

2.1 松阳文曲童书馆

松阳文曲童书馆(图9)位于浙江省松阳县，项目面积300m2，由5个复杂异形木模块构成。建筑师设计概念方案中选择了木材，一方面松阳当地曾拥有与东阳木雕同样精美的黄家木雕，旨在延续地方的历史文脉；另一方面，作为乡村振兴项目，设计师希望在节约成本将书架向上向下延续为内装的同时，达到建筑室内“天-地-墙”空间连续的戏剧性效果。5个穹顶、书架和蜿蜒的木地面大模块由不同种类的复杂木构件组合而成，全部采用了南方松这一材料。

2.2 南京园博园2号口

如果说松阳童书馆的5个地台与书架集成模块的项目规模相对较小，其建筑系统也相对简单，设计建造过程不复杂；那南京园博园2号口则提供了Timber-MiC多工种、多材料、多单位协同落地的案例示范 (图13、14)。项目位于江苏省南京市江宁区，周围有着丰富的地质景观、乡村聚落、工业遗存及诸多人类改造自然的痕迹。紧邻入口东侧的棒槌山地质断面享有盛名，方案 “将大地掀起形成缝隙空间”的设计概念恰好与之呼应，缝隙空间檐下部分被设计为地质断层的意象。建筑师将地质纹理有机形态融入到方案设计中, 打造大型的异形曲面吊顶。大地掀起一角的结构体由传统的混凝土结构支模建成，而之中的异形吊顶部分呈片状，一方面需要解决与斜面混凝土结构的连接问题，另一方面需要在异形的形态内容纳所有的照明、烟感与消防设施。结构复杂、工期紧张，机器人柔性生产的 Timber-MiC显然是一种符合其功能、结构、造型需求的有机低碳的选择。

图18 南京园博园2号口单元组合模块生产 (作者拍摄)

图16 南京园博园2号口模块木构件部分CAM加工仿真 (作者截图)

​图20 Hut系列木屋单元系统分析 (沈姗姗博士提供)

基于墙体集成单元的Timber-MiC体系可以提供更高的施工精度和一致性，也方便建筑后期的维护和改造。与以单一板片结构件作为基本单元的预制方法不同的是，Hut系列木屋从设计、预制到装配3个阶段，以墙体集成单元作为基本单元，探索了模块的标准化设计、工厂化制作、装配化施工、一体化装修，是Timber-MiC设计-建造一体化的进一步尝试。

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3 Timber-MiC产业化的基本要素

3.1 数字化设计过程

BIM(建筑信息模型) 的发展，为解决Timber-MiC项目，在初步规划和设计规划中更早地做出决策提供了可能。BIM是一种较优的设计规划、建造和运营流程组织形式，使用 3D软件以数字方式记录所有相关的建筑数据，将其联网，并在理想情况下都存储于共享的云数据平台上。软件可以将 建筑的几何信息以虚拟3D模型的形式清晰地呈现出来，而不像传统的2D平面图和剖面图一样只能比较抽象地部分地描述建筑信息。3D的演示方式使规划者能够在早期阶段更具体地表达和管理更多的信息。同时BIM的协同工作形式，也为项目前期及时地 发现并避免不同专业技术专家在规划时产生的各种问题，提供了共同工作的平台。使用BIM通过碰撞检查、施工工序预演，还可以避免在施工中进行昂贵和耗时的设计调整工作，而这一内容在常规流程中很难避免。数据文件则提供了更多信息，使规划者能够更连续准确地估计成本、盈利能力和能源利用效率。BIM的这些优点恰好能部分解决Timber-MiC在设计-建造流程中需要提前确认设计信息，进行设计-施工推演的需求，减少后期实施过程中的施工变更风险。另一方面，Timber-MiC建造中的数字 化过程也需要基于BIM数据的全面组织实现，BIM与CAM数据的联用也是TimberMiC的基本要素。这一过程从建筑师的方案设计开始，在与制造、建造单位协同完成的结构计算和施工计划编制过程中被逐步深化与优化，最终在木构工厂生产，在现场装配。如果建筑师绘制的BIM数模数据能够与木结构工厂的CAM系统协同，那么在设计规划过程中，Timber-MiC生产工厂制造过程的生产工艺要素就可以一并被纳入考量。CAM数据通常基于数模数据，是在加工生产过程，进行过程控制和选择使用工具与工艺的基础。在生产制造阶段，工程师可以评估和优化制造过程的多个参数选择，包括切割、材料消耗、结构尺寸、单元系统等。如果最初设计的单元体方案与工厂所具备的生产能力不匹配或者要求过高，这时进行修改将导致更高的实施成本和施工复杂性。因此在Timber-MiC的产业化中实现BIM与CAM的数据联动尤为重要。

3.2 工业化生产过程

在“设计-生产-建造”过程数据互联的基础上，采用现代数字技术、自动化生产设备和高效的工艺流程，对Timber-MiC的制造成本优化也具有重要意义。这其中包括开孔、开槽、切割、铣削等机器人或专用设备建造工艺归纳总结；针对Timber-MiC生产流程的工艺数据整理与加工方法标准化；木结构大批量定制生产的CAPP与CAM流程实现；不同工艺下机器人装备、工具的选择，不同工艺流程的加工过程依赖关系整理；不同加工图纸和工件模型对应的加工特征生成算法以及不同加工特征对应的工艺路径生成算法等。

4  Timber-MiC的适用场景与展望

新形势下，Timber-MiC设计体系可在当前诸多经济发展领域中实现高效建造：

在Timber-MiC的设计评价上，面向未来的设计-建造场景，应考虑建筑功能、结构特性、制造和施工成本等因素，并制定相应的指标。对于建筑的功能，考虑室内空间布局、采光率和通风等指标。对于低碳目标而言，考虑木材来源、制造和施工过程的能源消耗等因素。对于建造成本，考虑制造和施工过程的效率、材料成本等因素。基于以上要素，结合BIM软件、生命周期评估工具、成本分析工具的评价框架，可以更好地分析和比较各类木结构模块化集成建造实施路径，并针对性地给予优化调整。

5 结语

总之，基于木结构工业生产、智能制造的模块化集成预制建造方法，可以为循环和可再生的建筑实践的过渡，提供新的解决方案。模块化集成建造与现代木结构生产，天然满足智能建造的工厂化柔性生产思路，能够大幅度提升了装配率与生产自动化率。Timber-MiC通过将木结构模块化组合成各种不同形态的建筑类型与功能需求，可以实现设计-建造过程的高度标准化、模块化和预制化。其设计-建造过程统筹应用了CAD、CAM、CAPP 技术和CNC加工工艺，通过数字化设计和工厂化制造，能够实现高效、精准、一体化的建筑制造过程。同时，Timber-MiC具有良好的耐用性、隔热性和环保性能，能够实现建筑物的快速组装、拆卸和异地重建，大大提高了建筑的可持续性和灵活性，对推动建筑业的数字化、智能化和信息化发展，培育新的产业链和价值链，提高行业的核心竞争力和创新能力具有重要的理论与实践意义。国内设计实践中获得的宝贵经验，也可以为世界其他地区所用。中国作为制造大国，在模块化工业制造的背景下，单元建造形式可以服务一带一路国家、地区乃至世界各地，对于传统中国当代建筑技术与文化，建立中华民族的文化自信也具有重要的时代价值和现实意义。

当然，在选择是否采用这种方法时，需要考虑建筑的形状和尺寸、建筑项目的规模 和预算、数字化和智能制造技术的可用性和成本等因素。这是Timber-MiC产业化推广落地的重要影响因素，也是笔者在未来实践探索的方向。

注释

1) 包括木及木混合结构 ( 例如钢-木混合结构、混凝土-木混合结构，木复合结构等)。其与RC-MiC与 Steel-MiC一样，均为MiC的一个分支。

2) MiC在一些文献中也译作“组装合成建造法”，即特指该项技术。MiC定义来自香港屋宇署(Buildings Department，香港特区政府发展局下辖部门)2017 年 12 月发表的为满足香港建筑物规范条例的指导文件《PNAP ADV-36(认可人士、注册结构工程师及注册岩土工程师作业备考)》。

3) 该项目正交胶合木模块组成，底层及核心筒采用混凝土结构，严格来说属于木混合结构。

作者简介

刘   杰，上海交通大学设计学院，教授、博士生导师

顾容竹，上海交通大学设计学院，博士研究生

胡雨辰*，上海交通大学设计学院，博士研究生