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笔记《美国建筑师协会:模块化建筑设计》

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多个市场上越来越多的建筑项目正在使用模块化施工,即建筑构件在现场外的受控环境中预制,然后运到项目现场进行组装。这种方法允许项目通过集成设计、制造和建造的过程和技术而获得效率,而不必在美学意图上妥协。根据麦格劳-希尔建筑公司的研究,如果有效实施,这种方法可以在更短的时间内建成更高质量的建筑,具有更可预测的成本,并通过减少材料使用和浪费等减少对环境的影响。
虽然一系列因素推动了模块化结构的使用增加,但也有一些障碍阻碍了它的广泛采用。尽管模块化施工所涉及的规划和设计过程在许多方面与传统的现场施工类似,但在投入使用之前,不熟悉模块化方法的项目团队必须了解一些显著的差异和一些考虑因素。例如,对于模块化构造,许多决策必须在过程的早期就做出。而且,由于大量的工作是在非现场进行的,因此在施工公差和进度安排等问题上涉及的各方之间的更高水平的协调就变得至关重要。

尽管模块化结构近年来越来越受欢迎,但它并不是一种完全新颖的方法。在19世纪,随着大量人口开始向西部迁移——就像1849年加州淘金热期间一样——预制房屋从纽约运到了加利福尼亚。
预制房屋在20世纪上半叶也很受欢迎,特别是在需求旺盛的时期,比如第二次世界大战之后的几年。在20世纪50年代末,模块化建筑开始用于更广泛的项目类型,包括学校和医疗设施,在60年代和70年代,模块化建筑开始用于建造大型酒店项目。
现在,随着技术的进步和行业经验的积累,模块化施工方法已经变得越来越多用途,并被广泛应用于各种项目类型,包括——除了住房、教育、医疗保健和酒店——商业办公室、政府和零售。
根据模块化建筑研究所发布的一份报告,对北美建筑行业永久性模块化建筑市场份额的分析发现,从2014年到2016年,永久性模块化建筑在多个领域都有所扩张。2016年,它的市场份额在办公室和行政管理领域是最大的(4.86%)、商业零售(3.53%)、教育(3.50%)。
根据模块化建筑研究所2018年年度行业统计报告,该报告基于对252家模块化制造企业的调查,2017年永久性模块化建筑行业推动了约70亿美元的建筑活动,北美永久模块化建筑的总体市场份额从2016年的3.18%上升至约3.27%。
面对可能爆发的市场,建筑师协会总结了一些模块化建筑的设计要点及流程……以及风险规避策略等……

FMI与建筑用户圆桌会议(Construction Users Roundtable)和建筑行业协会(Construction Industry Institute)合作开展的一项2017年业主调查的参与者表示,现场工作的熟练劳动力短缺,以及项目成本和进度压力的增加,是场外工作越来越受欢迎的主要原因建设。此外,改进的技术允许更大的适用性和定制性,对安全和风险的高度关注,以及对更高质量的日益增长的需求,也被认为是促使人们对非现场方法越来越感兴趣的因素。
住房、酒店和医疗保健市场日益迫切的需求也促使更多项目使用模块化建筑。由于全国许多城市正面临严重的住房短缺,模块化建筑——其潜力是显著提高交付速度,同时提供节省成本的机会——被视为特别适合解决这一问题的策略。
例如,为了解决伦敦经济适用房严重缺乏的问题,该市在2017年宣布,将投入3200万美元,到2021年建造至少1059套经济适用房。(毕马威(KPMG)在对英国建筑业的一项研究中发现,由于工期缩短,通过使用非现场施工,可以实现7%的净财务节约。)2018年春天,纽约市住房保护和开发部门发布了一份关于布鲁克林一个经济适用房项目的提案请求,该项目需要模块化的施工方法。据模块化建筑研究所称,旧金山、西雅图和温哥华等城市地区正在考虑将模块化建筑作为解决无家可归问题的一种手段,并为中低收入家庭提供负担得起的住房

通常情况下,在场外预制的模块化建筑构件要么作为非体积构件建造,要么作为体积单元建造。
体积模块化建筑包括场外预制的封闭空间的独立三维单元,然后连接到现场形成一个单一的建筑。例如,体积模块化结构经常用于酒店、宿舍和公寓等多单元住宅项目。每个单元,根据其大小,可能由一个或多个模块组成。其他容积元素的例子包括病房、浴室、电梯或楼梯的部分。


虽然小型模块化建筑通常用于临时办公室、教室和紧急救济住房等非永久性设施,但本指南将侧重于永久性模块化建筑,这种建筑可用于从单一家庭住宅到高层建筑的所有规模。值得注意的是,虽然大多数模块化项目是四层或更低,但近年来越来越多的项目超过了10层,模块化结构可以用于建造任何高度的结构,除非当地法规另有限制。


模块化建筑组件可以由一系列不同的材料制成,包括钢、混凝土和木材,可以满足i型、-II型、-III型和-V型建筑的要求。但是,模块化方法最容易应用于ii型和v型构造,这是它最常用的。尽管木框架是最常见的模块化建筑类型(根据模块化建筑研究所的数据,2017年占70%),但在过去五年里,人们开始转向更多的钢框架模块化建筑。这种趋势的部分原因可能是模块化结构被用于更高的建筑,这些建筑更倾向于使用钢材。一个项目可以组合各种材料和装配类型;然而,应该指出的是,为了在制造过程中最大限度地提高效率,许多模块化制造商专注于一种特定类型的结构,并不是所有的制造商都将配备齐全的材料选择。据美国国家建筑科学研究所(National Institute of building Sciences)的非现场建筑委员会(off-site Construction Council of the National Institute of building Sciences)称,一般来说,当实施体量模块化方法时,高达95%的建筑将在现场外建造。在非现场施工的完成度一般在50%至90%之间,这将取决于许多因素,包括建筑类型、场地限制、项目位置和当地的现场劳动力比率。模块化建筑构件预制的最佳程度和完成构件的水平因项目而异,但模块化建筑的一般目标是尽量减少建筑现场的工作量。在生产设施的受控环境中,能够在场外完成的工作越多,获得的效率就越高,由于天气相关的材料损坏和交易间不协调导致的错误等因素的风险就越低。此外,在现场进行的工作越少,对周围社区的干扰和干扰就越少。因此,模块化的非现场施工涉及到建筑项目的设计、制造和施工阶段的重要集成。这种方法的一个关键参考是制造和装配设计(DfMA),这是一个基于对生产过程的整体理解的概念,强调设计促进了产品的制造、运输和安装。将这个想法应用到模块化建筑中,项目团队不仅设计了建筑的各种元素,他们还计划了这些元素将如何制造、转移到现场和组装的过程。

因为模块的制造应该被认为是模块化项目设计的一部分,所以对于设计师来说,至少有一个模块化制造过程如何工作的总体概念是很重要的。例如,设计师应该了解数字技术在模块化组件制造中的核心作用,包括建筑信息管理(BIM)工具、计算机辅助设计(CAD)工具、计算机辅助制造(CAM)工具和计算机数控(CNC)机械。设计师还应该了解这些工具如何支持大规模定制,模块化制造商通过使用一系列标准化组件,以具有成本效益的工业规模生产定制设计。与传统的现场施工不同,建筑通常由外而内完成,预制体量建筑模块通常由内而外建造。在这种情况下,首先完成模块的盒框,然后添加内部装饰,安装MEP组件和绝缘,最后应用外部护套和包层。然而,尽管这种通用顺序很常见,但它并不是制造建筑模块的唯一方法。不同的制造商可能有不同的过程,对于项目团队来说,了解他们选择的制造商的具体方法是很重要的。例如,一些制造商可能采用线性生产过程,其中每个行业的任务是顺序执行的,而另一些制造商使用静态生产过程,其中各个行业同时处理模块。


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作者: ganggouren

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