装配式轻型木结构墙体模块化设计开题报告

模块化体系是以模块单元体为预制组装单位，在工厂内制造并组装成型，整体运输到现场拼装成整个建筑。与传统建造相比，由于装配式建筑构造过程节能减排，施工精度高，周期短，在经济社会效益上非常乐观；材料应用率高，投资少；现场垃圾减少83%，材料损耗减少60%，可回收材料占66%，建筑节能50% 以上，因此是现代轻型木结构建筑发展的必然趋势。

由于数字化信息不断地扩展建筑的领域和深度，当装配式生产技术革新轻型木结构时，将轻型木结构承重结构部品划分为墙体、楼盖和屋盖，对其进行模块化设计，高效预制加工模块在住宅功能化下自由组合；该项目将对轻型木结构中的承重关键点墙体进行部品模块化设计，结合建筑模数网格构建，在模型中展现验证。

1. 国外研究现状：

在北美、欧洲及日本等地区装配式木结构技术已相对成熟，模块化建筑的模数化与标准化相对完善，并有许多学者在装配式轻型木结构上做过大量研究设计，充分结合模数化与模块化。

1) 2005年，岡本温子^[1]提出建筑部品的预制化，使日本现代木结构建筑走向住宅标准化的体系，是日本生产集成化与产业化的重要表现。日本由早期的特色建筑住宅营团，促进了木结构板块式结构的预制化水平，随后研究发明出REMOS房屋。

2) 2016年，Karin Sandberg, Thomas Orskaug, Allan Andersson ^[2]针对预制化木构件元素与住宅可持续发展演变进行研究。在基于预制构件为建筑维护结构提供环保、节能和经济的研究下，提出新开发的预制化木构件系统具有高度灵活性，它可以根据建筑所需调整尺寸并于木结构、混凝土或砖结构连接。对于不同类型的建筑结构、材料、公差、几何形状和力学性能要求进行可调性使预制化的木构件元素适用且有效。

3) 2007年，Kang Man-Ho, Kim Jae-Doek, Joo Seok-Joong ^[3]作者通过对一个单元空间的尺寸大小和模块化分析以及对现在居住环境的规划，尝试推出一个适用的木结构建筑模数。作者通过试验，调研98个楼盖的30坪公寓，得出两开间时有七种柱子间距设定；三开间时有8种柱间距适用。对于梁柱木结构建筑的模数化研究，可适用于6层的木结构建筑。

4) 2008年，Kharrazi M K^[4]建立了加拿大木制穹顶(CWD)系统。相对比于传统的木结构的独立住宅，可以快速生产高效率组装，缩短施工周期。研究对CWD结构一系列动态和静态的负载作用下得出，CWD的测试性能可代替传统的木结构体系。

5) 2012年，Fiorelli^[5]对屋顶进行模块化的构造建立，并提出用于屋顶上的瓦片可以使用生命周期长的可再生材，如松木和定向刨花板等。相对比传统瓦片，使用该新型材料不仅可以增强住宅房屋的保温性能，同时也能促进畜牧业的发展，把模块化屋顶应用到牛羊的棚屋等，为农村建设营造了一种新模式新理念。

6) 2016年，Adalberto Matoski, Rodrigo Scoczynski Ribeiro^[6]针对装配式墙体的声学性能研究，对巴西某一个二层装配式墙体进行隔音性能评估。测试表明，相对比欧洲隔音性能要求，巴西的模块化建筑还没有达到相应要求，并提出针对建筑墙体隔音的建议和措施。

7) 2018年，Martin Kurdve，Jutta Hildenbrand^[7]等人对一项关于精益生产与可持续产品的模块化建筑生产案例进行研究，并得出评估绿色和精益生产（LG）设计方法，减少环境对产品、服务和生产整体的影响，同时不影响经济和社会功能的可持续。

2. 国内研究现状

目前我国已经兴起多家设有标准化生产加工体系的企业，许多学者研究人员对装配式建筑与模块化生产进行研究探索与创新，但由于起步晚，技术的不完善相对比欧洲北美等国家还是存在一定的差距。

1) 2012年，周海宾^[8]对木结构体系的标准化展开研究，以建筑用材的角度出发，深入相关研究，从而建立木结构体系标准化的框架。

2) 2009年，胡传双^[9]对装配式建筑与工厂预制化开展了相关研究。在对如今木结构行业内的许多建筑施工企业学习调研，同时结合科学的研究结果和商业数据，对中国目前的木结构产业发展的现状进行分析，从而总结出中国未来的木结构行业的工业化发展十分乐观。

3) 2014年，刘振超^[10]基于对住宅部品模块化的研究，表明部品构件模块化的生产对提高各部分的生产效率与产品质量没有很大的作用。

4) 2017年，裴予^[11]由于灾后破损房屋以及老旧需要拆除的废弃房屋重建等问题，针对中小型装配式建筑，对其提出合理解决方案。通过比较研究法，将轻型木结构建筑与轻钢结构实践进行概况，同时对各类型中小型装配式建筑体系（基础做法、结构体系、构件及节点连接）作对比：考虑建筑因地制宜的条件下，对装配式建筑进行平面与空间的布局，从中与BIM技术相结合，提出设计策略和对未来建筑的前景展望。

5) 2011年，时良^[12]对住宅的部品与模块化进行研究，提出关于住宅产业化的价值理论，通过分析对比国外住宅产业化的过去起始与现今发展状况，得出住宅体系标准化的设计将有利于中国建筑产业化的发展。

6) 2007年，赵睿^[13]通过参考发达国家的住宅产业化生产制造方法，对中国部品的标准化进行研究,深入住宅产业化发展中遇到的问题。

7) 2017年，Jingke Hong Geoffrey Qiping Shen^[14]等人将装配式建筑的发展效益在中国进行分析研究。从而得出分析式的框架结构提升建筑的成本效益。通过研究指定的预制化构件并调查其他相关内容，得出预制化技术对建筑的重要性，同时在将传统建筑的建造模式与预制化生产的现代技术作以对比，表明预制化技术的应用对装配式建筑成本的影响力之大小。

8) 2016年，吴玉璇^[15]主要针对轻型木结构住宅模数与体系标准化研究。其中通过大量的国内外模块化与模数化研究列举对比，总结得出中国目前缺少住宅的模块化部品数据库和建筑模数的尺寸标准，所以导致装配式建筑和产业化的发展较慢。作者通过对轻型木结构各构件部品进行构造设计与尺寸标准化建立，同时建立水平与竖向建筑模数，在基于建筑模数的基础上，将各类部品进行布置，最后对其进行模型的验证。

9) 2018年，冯领香、向敏、刘振^[16]等人以某装配式木结构别墅项目为例，分析传统建造中遇到的困难和问题，进而引出建筑信息模型在木结构当中的应用（原则、目标、要求），从而阐述木结构别墅项目的建模标准，最后得出BIM在装配式木结构项目中应用价值，不仅实现木结构的标准化体系，对设计与施工建造的质量效率都有大大的提升。

10) 2018年，张鲁、黄建坤^[17]等人基于建筑信息建模的装配式轻型木结构设计建造进行研究。采用BIM技术，通过Revit软件建立轻型木结构的部品模型，并将每个部品都加上相关信息，如尺寸、耐火性、抗震强度、材性、安装等，以此形成部品库，即族库。同时还对每个设计的部品模型进行有限元的力学性能分析；引入模数化网格，对住宅进行平面尺寸的设定与规范，与模块化部品相联系，通过案例对理论进行验证说明。

11) 2016年，尚澎、孙友富^[18]等人针对模块化木结构建筑及节点连接设计制造进行相关的研究。以模块化为核心，对木结构模块化的设计制造当中的模块划分基准和流程进行说明，同时提出对模块化木结构节点连接的四种设计方式，并对其进行有限元的模拟分析试验。

12) 2014年，齐宝库，李长福^[19]基于BIM的装配式建筑全生命周期管理问题进行相关的研究。对BIM理念与技术概论进行阐述，并将此技术应用到装配式建筑中，贯穿建筑的规划设计全阶段，结合具体案例进行分析，进一步说明BIM在未来装配式建筑中的重要地位。

13) 2007年，孙崇咪^[20]针对现代木结构建筑中墙体构造进行研究，介绍中西方木结构建筑的类型与发展，以轻型木结构建筑为主，对其墙体构造、防潮处理、隔音以及防火性能详尽研究论述，结合实际轻型木结构墙体结构案例进行分析设计与建造流程的阐述。

14）2014年，张德海，陈娜，韩进宁^[21]在基于BIM的模块化设计方法对装配式建筑进行分析研究。其中阐述了模块化设计的具体方法，对并提出户型内的剪力墙体系模块化设计是该过程中工作量最大的环节，剪力墙对于户型间接口是重合接口，并将户型之间接口的解决方法与结构模型图详尽表述。该研究优化了模块化设计方法，同时考虑建筑的多样性与高效性，降低建筑成本，推动了建筑产业化的发展。

15）2017年，郭德坤^[22]针对装配式建筑的方案及造价进行分析研究。通过对装配式的常用四种体系研究，对装配式建筑的项目背景、结构体系、建筑方案与标准化以及预制构件标准化设计，通过案例对建筑成本、使用成本、后期拆除成本详尽论述。

16）2018年，贺杰^[23] 针对严寒地区农村木结构住宅装配化展开研究。将装配式建筑的高质量、短时期、成本低等优势与农村建设相结合，改善严寒地区农村住宅现状；通过对装配式住宅结构体系进行简化，提出策略与做法，简化围护结构的复杂度，并提出快速建造组装的策略和做法，为农村居住环境的改善及装配式结构的发展与运用奠定了理论和实践基础。

参考文献：

[1] 岡本温子,片野博,佐藤考一，et al.欧米日間の鉄骨系プレハブ住宅の比較研究 : 欧米日本のプレハブ住宅における社会的技術的変遷 その2(建築計画)[J].日本建築学会研巧報告.九州支部.3,計画系,2005;317-320.

[2] Karin Sandberg, Thomas Orskaug, Allan Andersson. Prefabricated wood elements for sustainable renovation of residential building faades[J]. Energy Procedia, 96(2016)756-767.

[3] Kang Man-Ho, Kim Jae-Deok, Joo Seok-Joong. A study on the Plan Modular Establishment for the Development of wooden Dwelling Model-Focused on the Post Beam Structure[J]. Journal of the Korean housing association, 2007, 18(1):141-148.

[4] Kharrazi M H K, Eldeib S, Prion H G L. Experimental evaluation of an orthotropic, monolithic, modular wooden-dome structural system [J]. Canadian journal of Civil Engineering, 2008,35(10):1163-1176.

[5] Fiorelli J，Soriano J, Lahr F A R. Roof modular system in wood and particle board (OSB)to rural construction [J]. Scientia Agricola,2012,69(3):189-193.

[6] Adalberto Matoski, Rodrigo Scoczynski Ribeiro. Evaluation of the acoustic performance of a modular construction system: Case study[J]. Applied Acoustics 106,2016,105-112.

[7] Martin Kurdve, Jutta Hildenbrand, Christina Jnsson. Design for green lean building module production - Case study[J]. Procedia Manufacturing 25 (2018) 594601.

[8] 周海宾,吕建雄,徐伟涛.我国结构用木材标准体系构建[J].木材工业，2012,26(3):44-47.

[9] 胡传双,王婷,云虹等．工厂预制木结构建筑在中国的发展现状及展望[J].木材加工机械,2009,(1).

[10] 刘振超,木结构件模块化加工数控技术研究[D].北京:中国林业科学研究院,2014.

[11] 裴予.中小型装配式建筑体系比较研究[D].吉林：吉林建筑大学，2017.

[12] 时良,北京市住宅产业化研究[D].北京:北京交通大学,2011.

[13] 赵春.住宅产业化中的标准化研究[D].天津:天津大学,2007.

[14] Jingke Hong，eoffrey Qiping Shen，Zhengdao Li c, Boyu Zhang, Wanqiu Zhang. Barriers to promoting prefabricated construction in China: A cost-benefit analysis[J]. Journal of Cleaner Production 172 (2018) 649-660.

[15] 吴玉璇.中小型装配式建筑体系比较研究[D].吉林:吉林大学,2017.

[16] 冯领香,向敏,刘振,闫晓华,张永军.建筑信息模型在装配式木结构别墅项目中的应用[J].第39卷第8期.

[17] 张鲁,黄建坤,刘问,申士杰,李亚光.基于建筑信息建模的装配式轻型木结构设计建造方法[N].浙江大学学报,2018年9月.

[18] 尚澎,孙友富,高宏瑞,席飞.模块化木结构建筑及节点连接设计制造研究[J].生产与应用,2016,10-0037-05.

[19] 齐宝库,李长福.基于BIM 的装配式建筑全生命周期管理问题研究[J].施工技术,第43卷第15期.

[20] 孙崇咪.现代木结构建筑之墙体构造研究[D].南京：南京林业大学,2007.

[21] 张德海,陈娜,韩进宁.基于BIM 的模块化设计方法在装配式建筑中的应用[J].土木建筑工程信息技术,第6卷第6期.

[22] 郭德坤.装配式建筑的方案及造价分析[D].郑州：郑州大学,2017.

[23] 贺杰.严寒地区农村木结构住宅装配化设计策略[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2018.

1. 研究内容：

1) 学习国内外的装配式建筑与模块化生产的发展历史与现状，从多方面学习装配式轻型木结构建筑的模数化与模块化，学习前辈的研究，进而完成个人课题；

2) 学习墙体模块化的转型，在建筑模数尺寸的确立下，构建网格来布置模块化墙体部品，通过网格（建筑平面的尺寸布置）对墙体部件进行自由组合；本课题主要以现代轻型木结构住宅的墙体部品作为研究对象，完成墙体的模块化设计；

3) 依照设计，对装配式轻型木结构模块化墙体部品的连接方法、后期的现场运输组装、用材和经费预估等进行总结；

4) 与同系列课题组的其他成员（楼盖、屋盖、内装）通过模拟一个住宅方案，将设计的墙体部品带入应用，更清晰的展示说明；

2. 具体计划：

（1）2018.12．26-1.31:文献检索、阅读，相关资料收集；

（2）2019.2.1-3.1:信息整理，目标性学习相关研究，总结形成个人方向和研究框架；

（3）2019.3.2-4.15：提取信息，建立建筑模数网格与模块化墙体部品尺寸，进行墙体的布置设计，搭建模型；

（4）2019.4.16-5.31：整理设计图、总结归纳前期的大量资料内容，与个人设计相结合，进行论文撰写；

（5）2019.6.1-6.5：准备答辩；

1. 将模块化墙体的设计用材利用率提高，缩小材料损耗。

2. 设计非方正形平面，加入墙体转角阴阳角的部品。

3. 通过各种设计图展示部品构造与连接组装。