基于箱式房预制体系的装配式建筑设计与建造教学实践*——以SDC2021参赛作品Aurora为例

文/苏州大学金螳螂建筑学院 韩冬辰 王思宁 易予恬 刘思洁 赵无极 叶 凡

1 竞赛与作品概况

作为国内建筑类专业最高水平的设计与建造赛事，中国国际太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon China，SDC）要求参赛团队以大学生为主体，策划、设计、建造并最终运行一栋由太阳能作为唯一供能方式的住宅建筑。SDC竞赛规则要求参赛团队在3周内完成建筑、结构、给排水、电气、暖通与智能化等多工种的建造与调试任务，随后进行包括设计、工程、市场、能效、舒适性、太阳能等10项指标在内的全面评价[1]。无论是宣传推广、赞助谈判等前期准备环节，还是设计建造、运行测试等正式评比内容，对参赛团队各专业学生而言均是一场专业技能与综合素养相结合的全方位考验。

2021年中国国际太阳能十项全能竞赛于8月下旬在河北张家口德胜村正式开赛。经过20d紧张的现场作业，“丹麦科技大学—苏州大学”联合赛队的参赛作品“极光之家Aurora”顺利竣工。Aurora是根据北欧流行的两代人居所概念设计的1层独立式住宅（见图1），建筑面积145m2，共设有3室3厅2卫，包含1套青年夫妇与孩子居住的住宅（2室2厅1卫），1套老年夫妇居住的住宅（1室1厅1卫）以及2套住宅共用的户外休闲平台（见图2）。其中较小的第2套住宅可根据住户使用需求改造为工作室、娱乐室等其他功能空间。作为由太阳能供能的住宅类建筑，Aurora追求套型设计的居住舒适性和功能灵活性，同时倡导可持续理念的建筑低碳化。

1Aurora建成实景

2Aurora平面

2 面向SDC竞赛的课程教学

根据联合赛队两校间的合作计划，Aurora由丹麦科技大学团队完成前期概念方案设计，后由苏州大学团队完成从深化设计到建造调试的后续所有环节。围绕竞赛的具体要求，教师团队从建筑设计与建造的教学特点出发，定制适配学生团队在正常学期和暑假期间的小组式课程，如图3所示。

3面向SDC竞赛的课程教学示意

1）建筑师负责制下的全生命周期管理模式系列课程 旨在让学生了解目前建筑业转型背景与国家推行建筑师负责制的行业政策导向，并从包含策划与设计、制造与建造、运营与维护，以及改造与拆除等多阶段和设计院、施工队、供应商、开发商、监管部门等多方参与的视角出发，学习建筑项目的全生命周期管理模式，从而意识到建筑师职责转变为“项目设计、施工管理和质保跟踪”的重要性[2]。

2）面向建筑工业化的预制装配技术系列课程 以主体材料（预制混凝土、钢结构、木结构与膜结构等）与装配系统（板式、框式、箱体式与复合式等）所构成的预制装配体系为主线[3]，分工厂预制与现场装配2个方面介绍预制装配的工业化施工方法，让学生了解具有成本降低、工期缩短、人力节省、品质提升和环境友好等诸多优势的预制装配技术已成为实现建筑业转型和可持续发展的重要途径。

3）基于BIM技术的多专业协同方法系列课程 建筑信息模型技术旨在基于构件级别的虚拟建造来实现建筑多阶段、多专业的信息协同，故其与前两部分课程全生命周期管理模式与预制装配技术的内涵逻辑相契合[4]。课程分别从协同流程与应用软件2个方面展开教学，使学生掌握面向多专业协同的工作模式与设计方法，以及包括Revit、Navisworks等在内的BIM软件系列，从而为学生分专业对接相关工种的工厂预制与现场装配等建造活动奠定基础。

3 Aurora的设计与建造实践

3.1 深化设计

SDC赛事规定的20d现场建造工期对Aurora团队来说是相当大的挑战，面向快速建造的预制装配技术已成为必选方案。团队综合考虑预制周期、造价成本与主赞助商的技术实力，决定采用箱式房预制体系进行深化设计。箱式房的全称为装配式模块化箱式房屋，又被称作集装箱房或盒子建筑，是以钢结构箱体为基本模块组合而成的装配式建筑[5]。箱式房预制体系的主要特征是模数化设计、标准化构件与工业化生产[6]。不同于以标准海运集装箱为模块的传统集装箱房，箱式房预制体系可根据定制化设计进行工厂批量化生产，并通过多样化组合形成丰富的造型与空间。

建筑师负责制导向下的装配式建筑设计与建造需要Aurora团队承担总包职能管理门类繁多的分包体系，对多阶段、多供应商的协同提出较高要求。团队在深化设计阶段应用BIM技术进行建筑全生命周期管理，基于精细化建模与可视化模拟对各供应商的各类信息进行协同，进而在设计阶段解决建造阶段可能出现的问题（见图4）。

4全专业BIM模型

团队将Aurora从下至上分为混凝土基础、钢结构基础、箱式房主体、竹屋架及光伏屋面共5个分系统，分别由不同队员对接相应的供应商进行深化设计以及后续的生产与安装。所有分系统均遵循统一的模数与定位逻辑，不同分系统间设计有装配误差冗余以解决构件形变导致的安装问题。针对最主要的箱式房主体部分，团队通过水平向的模块划分设计，将U形体量建筑划分为5个模块，以契合板车运输与现场吊装对尺寸和重量的要求（见图5）。

5箱式房模块划分示意

3.2 工厂预制

箱式房分系统作为Aurora工厂预制的重点，集成建筑、结构以及水电暖等诸多工种，在工序安排、人力组织、建材和器械调配等方面较为复杂。团队将箱式房的工厂预制作业合理分配给赛队学生和专业工人，学生主要负责设计对接、过程监督和质量校验等辅助工作。在诸多工种的预制作业中，考虑到表皮的建造与参数化设计紧密结合，决定由学生进行竹木饰面板的加工与拼装。在通过动手实践提升学生对节点、材料和工具等建造认知的同时，也可辅助专业施工队专注于技术需求更高的工种作业，从而提升箱式房主体的工厂预制效率。

为进一步缩短箱式房主体的工厂预制周期，团队针对箱式房模块安排“钢结构→墙体→其他工种”的作业顺序。给排水、强弱电、空调新风、室内装修、门窗幕墙、立面表皮和屋面防水等室内外各工种可实现同步作业。同步作业的实现基础是箱式房围护墙体与屋面构造的一致性。如图6所示，填塞岩棉的钢框架与XPS保温板构成墙体核心，内外欧松板分别成为室内和室外各工种作业的基础面。

6箱式房墙体构造示意

3.3 现场装配

针对箱式房体系的模块化特点，团队不仅设计了现场装配工序，而且合理规划了从工厂预制到现场装配期间的诸多环节，包括打包装车、交通运输与吊装卸货等。Aurora的现场装配同样强调学生的高度参与。除去专业性较强的水电和暖通工种，学生广泛参与到结构、内装、表皮、光伏、景观等专业的施工作业中，如物料分类与堆放管理、基础放线与法兰调平、参数化表皮装配、屋顶竹结构与光伏板安装等（见图7～10）。学生在此过程中充分理解设计图纸与建造实物的区别并明确建造手段对于把控设计品质的重要性[7]。

7物料分类管理

8基础放线与法兰调平

9参数化表皮装配

10屋顶竹木结构与光伏板安装

由于工期紧张，参数化表皮并未在工厂完成全部安装工作。由不同角度垫块与不同长度竹饰面板形成的波浪起伏形态（见图11），给现场装配带来定位和校准方面的挑战。团队采用基于HoloLens设备的混合现实（Mixed Reality）技术，将参数化表皮设计模型投影于建筑立面龙骨位置（见图12），从而实现虚拟与现实的定位匹配和场景融合[8]。如图13所示，得益于混合现实技术应用，若干学生便可实现复杂形态表皮的快速装配。

11不同规格垫块和竹木饰面板形成的立面表皮

12基于MR技术的模型与现场施工

13参数化表皮的波浪起伏效果

4 结语

在德胜村竞赛现场，团队仅依靠少量专业工人与十多位本科学生便完成Aurora的整体建设。针对SDC赛事特点和团队技术能力作出关于装配体系的合理选择，是实现Aurora低成本、短周期、高品质设计与建造的关键。箱式房预制体系可最大程度地实现各工种作业的工厂化并减少现场装配的工程量，高度适配独立式住宅的快速建造需求。

Aurora项目极大提升了学生的多专业协同意识。通过深化设计、工厂预制与现场装配等环节的锻炼，既使学生获得建筑实践方面的知识与技能，又使学生深刻理解制造与装配环节对于前期方案设计的重要性。在建筑师负责制背景下，基于Aurora的设计与建造的教学实践对培养学生的建筑全生命周期管理能力具有重要意义。