本文转载自公众号“ Philosophy of Structure ”，已获授权。
现代体积模块化住房的第一批原型可追溯到20世纪初，在最初的三十年中开发了各种原型。在第二次世界大战期间，模块化结构被用于军事目的。1942年，美国政府采用了最早的箱式住房系统之一，来建造曼哈顿项目所在地奥克里奇(Oak Ridge)的秘密小镇。
20世纪60年代，在建筑施工效率下降百分之四的时候，而汽车制造业的效率却提高了400%，这主要归功于机器人制造的实施。借鉴汽车行业的制造工艺，模块化高层住宅应采用机器人技术和量产方式建造，利用汽车制造设施的潜在“闲置能力”来制造高密度、高层住宅模块。在方法/过程、重要性、类型学和人类经验方面，围绕模块有可行的解决方案。
值得一提的是,工厂预制和大体量模块施工是不同的。各式各样的建筑,甚至很高的建筑结构都不同程度应用过工厂预制构件,几乎所有的高楼都应用幕墙墙板,而有些建筑采用预制混凝土幕墙墙板。模块施工是将建筑的一个小单元全部在工厂预制完成,然后运输到现场拼装,最终组建成完整的结构。概括来说,如果每个预制模块能包括墙、楼板、屋顶以及机电和简单的内装修等,这样的施工方式就是模块化施工。
麦肯锡在其2019年6月一份研究报告《Modular-construction-from-projects-to-products》一文指出“几十年来，建筑业在生产率方面落后于其他行业。现在有了一个逐步改变的机会：将建筑活动的许多方面从传统的现场项目转移到非现场制造式生产。虽然模块化（或预制）建筑不是一个新概念，但随着技术和经济环境的变化，它正在吸引新的兴趣和投资浪潮。这项研究量化了潜在的好处，探索了挑战，并着眼于这一次，模块化建设是否会产生更广泛和可持续的影响。文中还重点指出模块化可以：
为什么模块化建筑这样一个传统的技术会逐渐受到青睐，采用模块化建筑建造高层有以下优势：
3) SUSTAINABLE 可持续的。详细的生产图纸能准确地计算出数量，这确保订购和浪费的材料不会超过要求。
4)REDUCED ON-SITE DISRUPTION 减少现场干扰。由于现场施工作业减少，从而减少对周边环境的影响。
5) SAFER CONSTRUCTION 安全施工。部件和组件的制造在室内工厂地板上进行，减少户外，在高处以及可能的恶劣天气。
6) EFFICIENCY & VALUE 效率与价值
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为了利用模块化构造，建筑必须与所选模块化系统的尺度、模数保持一致。这意味着在许多情况下，采用这种横平竖直的直线单元，成为许多设计师建筑创意的局限性。但是不可否认模块化建筑发展也吸引建筑师在这方面实践，比如建筑师NBBJ针对传统框筒建筑研究不同的模块化组合，增加局部的挑空、阳台、遮阳，丰富了模块化建筑功能、立面造型。
高层建筑的关键设计驱动因素之一是对风和地震力引起的横向载荷的响应。这不仅包括强度方面的考虑因素，还包括风速加速度，对于乘客的舒适度而言，应在可接受的范围内。模块化高层结构体系一般根据高度分为框架、框架+支撑、框架+核心筒、框架+支撑+核心筒，见下图：
多层建筑中具有多个类似房间（最多约10层）的模块可以设计为门式框架。各个模块通过节点联系共同抵抗风荷载和垂直载荷。
更高的模块化建筑依靠中央核心筒来保持稳定性。这些模块仍被设计为抵抗建筑物整个高度上的垂直载荷，但不能承受横向力。为了使侧向力传递到核心结构，模块必须在地板和天花板内具有额外的支撑。可以将混凝土和结构钢中的所有传统建筑方法用作模块化建筑的核心，但为了补充非现场施工方法，并且更快速地安装模块化建筑，更需要预制的核心筒解决方案。通常核心筒采用主要选项是模块化核心筒（钢结构）或预制核心筒。
模块之间的载荷传递对于整个建筑物的整体结构稳定性和坚固性至关重要。连接的设计需要传递与风有关的水平力，以及由于不适当的倒塌，地震而产生的极端或偶然力，使用与传统结构类似的机制进行传递。模块化常用的连接方式有如下几种External Plates、Interlocking、Cam-Lock/Twist-Lock、Composite。
@CTBUH
在高层建筑中，生命安全和防火是一个关键问题，原因是少数几个要素的失效有可能导致重大生命损失。这就要求对关键的结构元件进行高水平的防火。钢结构是模块化建筑的主要材料之一，尤其容易着火，防火隔断设计尤为重要。
2011年年初Forest市大西洋广场项目（Aterlantic Yards Development) 正计划开发15栋经济适用房，一开始结构方案拟采用传统的钢筋混凝土无梁楼盖框架结构。在那个时候,尽管模块化施工方法已经广泛应用到低层建筑上, 但是很少有先例应用到大体量、层数超过6层的建筑上。位于英国伍尔夫汉普顿的24层公寓大楼为当时应用此方法施工的最高建筑。在大西洋广场项目开发之初发展商面临着租赁价格跳水、建筑施工费用提高的压力，同时根据固定的日程表, 发展商按传统的施工工艺进行施工将很难达到经济效益和规定工期计划。
2011年1月,Forest市政府委任建筑师(SHoP)、结构顾问(奥雅纳)和模块化顾问组成一个完整的团队来开发一种适合住宅类建筑的模块化施工体系；项目目标为:开发出一种新型模块化结构体系——相比于传统的结构体系更能提高建造质量和节省建造经费。奥雅纳(Arup)负责结构、机电、消防安全、声学、安保、计算机工程和顾问等专业设计工作。
本项目主要包括近32,000平方米的出租住宅公寓。塔楼被分成三个主要“体块”,各“体块”之间添加凹陷的嵌条,给建筑以尺寸感,并且避免了外观上的整体溢出感。同时通过嵌条的内退、悬挑和配以不同的幕墙来突出建筑立面(详见效果图）。
B2地块的模块化设计团队面对的巨大挑战在于:创建一种新的模块化施工方法,既能承担上部32层高的荷载分布,还能提供在完成质量和价格竞争上媲美工会劳力的传统的无梁楼盖施工方法的工艺来改善纽约市的建筑施工市场。
模块系统的基座为一个完全焊接的钢框架底盘(见图4)。各模块的边框类似一个个焊接的矩形空腹桁架横跨在角柱之间,模块下部的柱承担了上部所有模块的重量。
虽然最初的设计方案考虑模块围绕钢筋混凝土核心筒摆放,但是全钢结构被公认为最优方案。原因就在于钢结构方案令施工场地上的技工数目最小化,并提高系统内各部分的兼容性。相对于纯钢结构,混凝土结构的长期变形的特质使得两个不同结构体系的连接非常复杂。在钢结构方案中,单独一个承包商就能够对模块的建造及钢支撑框架的外形控制负责。相连接并堆叠在一起的模块在使用工况下可以保持稳定,而不需要钢支撑框架的帮助。大量的柱子及模块间最小设缝宽度也为结构提供了足够的冗余度,任何一根柱子的失效都不会导致结构失稳。模块间柱子的抗拉连接已经完全依照纽约规范提供的抗连续倒塌的要求进行了设计。
结构体系示意图 @ARUP
平面布置图 @ARUP
本项目由于采用模块化系统，模块中不包含任何混凝土构件,这样的楼板体系对比相同情况下的混凝土无梁楼板体系要轻。平均下来,本模块体系的重量只相当于相同情况下混凝土无梁楼板体系建筑的65%。上部结构重量的大大减轻将大大减少基础用量及转换钢结构。
重量轻负面作用是无法满足舒适度要求。虽然质量调谐阻尼器在只有32层高建筑中并不常见,但采用施加阻尼来控制加速度及满足规范要求的居住者舒适度是最有效经济的方式。轻质量建筑物的益处使得仅采用增加2组100吨质量调谐阻尼器即可得到大量的有效阻尼(包括扭转在内的全方向上增加5.0~6.0%)。结构的在X,Y双向及扭转作用下的10年重现期下的加速度可降至14.9 milli-g。
标准楼层被分割成基本的模块,以便模块在工厂进行高效的加工预制,包括机电系统和一些内装修,最终运送到现场。整栋大楼一共包含930个预制模块,一室公寓采用一个模块,单卧室单元采用两个模块,双卧室单元采用三个模块。电梯筒和楼梯井也采用模块化施工,电缆和轨道最终在现场拼装和调整。
当模块到达工地后,一个单独的塔吊将它吊起并放在准确的位置,通过定位销和下面的模块相连,这样就能控制当前模块的几何位置,模块然后就能从吊钩上取下。下层模块的屋盖为钢结构工人提供了一个安全的工作平台来调整模块,将其安置在正确的位置。在一些模块安置好后,工人行走在屋顶上并安装螺栓连接板来使得模块连接在一起并与支撑框架相连。由于每层仅有36个构件,完成一层仅需要3 天时间!
建筑师Y Design Office在香港Unit Fusion塔楼概念设计中设想是：采用模块化的单元，大小从XS到XL不等，就像衣服一样。每个单元均由独立的立方模块组成，每侧8.5英尺长。这些公寓的工作原理是将立方体按不同的配置一起滑动，并根据居民的需要调整厨房，浴室，阳台和入口的大小。这些模块不仅是预制的，而且还可以完全移动。每五年，一个完整的单元将被移动到塔上的另一个区域。此举创造了新的社会纽带，为居民带来了新的生活体验，并使整个塔楼团结一致。居民可能会在一个生命周期内体验维多利亚港的景色，下一轮可欣赏海景，并在以后的生活中欣赏城市景观。在估计的30年生命周期中，每个单元总共移动六次。
在估计的30年生命周期中，每个单元总共移动六次。使用插入/拔出机械系统，可轻松将设备重新插入塔式网络。在建筑物内部，中央中庭将地板统一起来，在它们之间形成视觉链接，同时从上方过滤自然光。每层还可以访问空中花园，每五层将有社交/会议区。顶层将包括一个巨大的空中花园，供所有人共享。咖啡馆，零售空间和娱乐场所也将散布在整个塔楼中，以营造一种邻里感。尽管仅在设计阶段，但“单元融合”可以成为集成垂直生活的解决方案。
基于DfMA(Design for Manufacture and Assembly)建造技术的模块化结构具有许多优点，非常适合高层建筑。模块化方法仅在少数打破30层障碍的项目中成功实施。存在障碍或模块化天花板的原因很多。其中一些原因是技术原因，可以通过实施本文概述的经过良好测试的方法来解决。其他原因是供需的纯市场力量限制了以高层建筑为中心的模块化技术以及经验丰富的承包商和制造商的可用性。所有这些挑战都可以解决，并将在未来十年内解决。在未来的高层建筑中，模块化设计将发挥重要作用。
参考资料
1.https://www.arup.com
2.https://www.ctbuh.org/resource/research-papers
3.CTBUH 2014 Shanghai Conference Proceedings
4.https://inhabitat.com/unit-fusions-moveable-modules-could-be-the-future-neighborhoods-of-hong-kong/
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