可移动建筑产品研发设计与过程管理方法

对于可移动铝合金建筑产品研发活动的具体内容及研发设计方法，以下分别从产品定义与规划、概念方案设计、系统层面设计、建造设计以及原型产品建造五个阶段对其展开详细论述。

1.产品定义与规划

在可移动铝合金建筑产品研发之初，首先需要进行产品的定义与规划，确定产品研发方向，对用户需求与竞争产品进行分析并制定产品任务书。

当前在我国建筑工业化发展方向中，除了永久性、重质、固定类建筑的工业化外，还应包括非永久性、小型、轻质、可移动类建筑的工业化。除了发展预制装配式混凝土建筑等工业化体系外，还应发展轻型结构建筑的工业化。因此，可移动建筑产品不仅是固定类建筑的有益补充，同时也是实现建筑工业化的重要载体之一。可移动建筑产品不仅可以作为灾后临时安置住房、独立式小住宅、公寓宿舍、社会保障性住房等用于居住领域，还可作为临时展览、临时商业、临时办公建筑等用于城市文化、商业、建设等公共领域，以及作为野战营房、边防哨所、科考营地用房等用于军事和科学领域，可移动建筑产品拥有广阔的市场应用前景。可移动铝合金建筑产品是在对用户需求及市场现有可移动建筑产品进行分析的基础上研发的全新产品。可移动铝合金建筑产品研发在产品定义与规划阶段所提出的产品基本概念主要为：产品定位为自保障、零能耗的用于居住、办公及灾后安置的临时性建筑，功能与环境适应性强；产品宜采用标准货运集装箱或与其近似的规格尺寸，并借鉴集装箱的运输模式，便于移动运输；产品应采用工厂预制装配、现场拼装的建造模式，质量可控；产品应具备建造与拆解速度快，可周转重复使用的特性；产品应采用新型的结构与围护材料，减轻产品自重，提高建筑产品性能，并运用太阳能光电光热、智能家居、可变家具等新技术。

在明确了产品研发方向之后，下面所做的工作是对用户需求与竞争产品进行分析，利用问卷调查的方式以及媒体、互联网、公开出版物、商业广告、展览会议等各种信息渠道获取用户需求与竞争产品信息。在对获取信息进行研究分析后，以修正产品基本概念，为制定产品任务书奠定基础。竞争产品分析的对象主要为轻钢结构活动房屋与集装箱活动房。产品研发团队通过信息资料获取及实地考察的方式对国内不同规模的众多活动房企业的产品进行了调研，其中具有较高知名度的包括雅致集成房屋、北新集成房屋、得劳斯集装箱活动房等。通过调研发现市场上的大量活动房屋产品存在居住舒适性差、保温隔热性能低、能耗大、制造粗糙、质量偏低、可重复利用及可回收性差，产品外观形式不美观等问题。

在完成用户需求分析与竞争产品分析之后，接下来的工作是运用质量展开方法制定可移动铝合金建筑产品研发概念方案设计任务书。首先需要对用户需求分析的结果进行筛选、分类、再定义，然后针对具体的用户需求以构建质量屋的方法寻找相应的技术对策，明确可满足用户需求的产品性能要求。质量屋可以表现为由用户需求与产品性能要求两部分核心内容构成的简化形式（图7－1）。在完成质量屋后，将产品性能要求部分转换为产品任务书。在完成概念方案设计阶段后实施质量展开，以相同的方法更新产品任务书，继续制定系统层面设计任务书、建造设计任务书以及原型产品建造任务书，在此不再详述。

图7－1　可移动铝合金建筑产品研发质量屋

图片来源：作者绘制

2.概念方案设计

概念方案设计阶段的主要任务是以产品定义与规划阶段生成的产品性能要求为目标，进行概念生成、概念选择与概念评价活动。第一代可移动铝合金建筑产品原型1的概念方案设计首先采用铝合金材料、集装箱近似规格尺寸、集装箱运输模式、产品模块化构造、应用保温隔热技术、工厂预制装配模式以及现场拼装建造模式作为主要产品性能需求，将产品的结构功能、围护功能、可移动运输功能等作为主要概念子问题，从产品的结构（图7－2）、围护体的模块化构造以及服务于移动运输的产品构造等作为概念生成的切入点展开设计活动。然后，通过概念外部搜索与概念内部生成活动找到概念子问题的解决方案（图7－3）。最后将铝合金结构形式、围护体模块化构造及移动运输构造等不同解决方案进行概念组合，生成可供选择评价的多个方案，并通过概念筛选、概念评分与概念方案验证选择最优概念方案（图7－4）。第一代可移动铝合金建筑产品原型1概念方案主要有以下要点：标准货运集装箱的规格尺寸、以标准铝合金型材结构框架作为产品平台、模块化的围护功能体、标准化的连接构件、铝合金复合保温材料、集装箱运输角件、工厂预制装配。

图7－2　铝合金结构型材及连接件

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－3　铝合金结构形式的子概念方案模型

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－4　第一代可移动铝合金建筑产品原型1概念方案模型

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－5　太阳能模块结构与构造形式的子概念方案模型

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－6　基座模块结构与构造形式的子概念方案模型

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

第一代可移动铝合金建筑产品原型2概念方案设计所对应的产品性能需求在原型1基础上增加了太阳能光伏设备与可调节式基础两项需求，产品的能源供给功能、可建造性功能、环境适应性功能成为主要概念子问题，产品的模块化建造、太阳能设备的装配（图7－5）以及基础的结构与构造形式（图7－6）成为概念生成的源头。第一代可移动铝合金建筑产品原型2概念方案（图7－7）将产品分解为3个相对独立的装配单元，分别为太阳能单元、主体单元与基座单元。太阳能单元采用了桁架结构形式，其由标准铝合金型材构成，上面装有4组太阳能光伏板，并通过四角的立柱与基座单元相连接。基座单元主要由3榀铝合金框架、8个可调节基脚及木地板组成。主体单元与基座中间榀框架相连接，形成前部的交通平台与后部的设备平台。第一代可移动铝合金建筑产品原型2的概念方案与原型1相比较，主要有以下优化改进：增加了太阳能光伏能源自保障功能；产品分解为3个装配单元提高了产品的模块化程度，降低了产品建造的难度，加快了现场建造的速度；可调节的基脚提高了产品对建造场地的适应性。

图7－7　第一代可移动铝合金建筑产品原型2概念方案模型

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

第二代可移动铝合金建筑产品概念方案设计所要满足的产品性能需求在第一代产品基础上增加了空间可组合拓展及产品系列化需求，因此建筑产品空间的可组合拓展功能与产品的多样化使用功能成为概念问题分解的子问题，产品的空间组合方式、产品装配单元间的连接方式则成为第二代可移动铝合金建筑产品概念方案设计的出发点。第二代产品概念方案通过将12个箱体装配单元水平组合，实现了产品空间的扩展与功能的多样化。大尺度的室内空间可使产品用做临时性的办公建筑、展览建筑及商业建筑等。箱体装配单元间采用了柔性连接构造使现场拼装建造更加快速、高效（图7－8）。

图7－8　第二代可移动铝合金建筑产品概念方案效果图

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

3.系统层面设计

系统层面设计的主要任务是满足概念方案设计所产生的产品性能需求，对概念方案设计阶段的成果进行深化，基于产品平台化策略与模块化构造设计方法建立产品系统分解结构、产品功能体设计、产品模块设计、初步制造设计以及初步装配设计的设计活动。

以本书第四章所建立的可移动建筑产品系统分解结构为基础，可移动铝合金建筑产品系统分解结构由三个结构层级构成。第一层级皆由结构功能体、围护功能体、内装功能体及设备功能体组成，第二、三层级则根据不同的代级产品由不同的功能级、部件级产品模块等组成。第一代可移动铝合金建筑产品原型1的产品系统分解结构第二层级主要由主体结构功能模块、墙面功能模块、地面功能模块、屋面功能模块、装饰功能模块、家具功能模块、水电功能模块组成。第一代产品原型2的产品系统分解结构第二层级在原型1基础上增加了附属结构功能模块。第二代可移动铝合金建筑产品系统分解结构第二层级则在第一代产品基础上增加了隔墙功能模块（图7－9）。

第一代可移动铝合金建筑产品原型1的系统层面设计首要成果是建立了可移动铝合金建筑产品平台。该产品平台是由标准规格铝合金型材和连接件构建的产品结构框架，其作为产品主体结构模块可以与其他系列产品通用与共享，即其他系列产品均采用一致的产品结构形式、构造、材料及零部件。当不同的系列产品要做出改变调整时，只需调整结构框架的尺寸或更换连接于产品平台之上的产品功能模块即可，其大大加快了产品研发速度，提高了制造与装配的效率以及产品质量的可靠性。

图7－9　可移动铝合金建筑产品系统分解结构

图片来源：作者绘制

第一代可移动铝合金建筑产品原型1的功能体空间关系如图7－10所示，产品模块间的空间关系如图7－11所示。墙面功能模块主要由位于主体结构功能模块内外两侧的内墙板模块与外墙板模块以及门窗模块构成，地面功能模块位于主体结构功能模块底部内侧，屋面功能模块位于主体结构功能模块顶部外侧，作为装饰功能模块的吊顶模块位于主体结构功能模块顶部内侧，家具功能模块位于内墙板模块里侧，而设备功能模块中的水电功能模块则位于主体结构功能模块与内墙板模块及吊顶模块之间。原型产品1的围护体采用了外保温模式，屋面板、外墙板与地面板模块运用了新型保温隔热材料铝合金无机复合保温板，内墙板模块与吊顶模块采用了铝合金单板材料。外墙板模块装配采用了外挂卡扣连接方式。主体结构功能模块底部四角设置角件，以用于集装箱模式运输。(www.xing528.com)

图7－10　第一代可移动铝合金建筑原型产品1功能体空间关系示意

图片来源：作者绘制

图7－11　第一代可移动铝合金建筑产品原型1产品模块空间关系

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－12　第一代可移动铝合金建筑原型产品2功能体空间关系示意

图片来源：作者绘制

第一代可移动铝合金建筑产品原型2的功能体空间关系如图7－12所示，产品模块间的空间关系如图7－13所示。产品原型2的产品模块空间关系基本与产品原型1一致，不同之处在于其一于主体结构功能模块之下增加承担基座功能的附属结构功能模块，其二在附属结构模块之上增加连接了太阳能功能模块，其三水电与空调功能模块安装于内墙板、内屋面板室内空间一侧。产品原型2的围护体采用了内保温模式，内屋面板、内墙板与地面板模块使用了铝合金聚氨酯复合保温材料，外屋面板与外墙板模块采用了铝合金单板材料。内屋面板与内墙板模块装配采用了外挂锚固式连接方式。门窗模块采用了LOW－E中空玻璃门窗。

第二代可移动铝合金建筑产品的功能体空间关系如图7－14所示，其产品模块空间关系及产品材料、构造与第一代产品原型2基本相同。由于主体装配单元与基座装配单元各由1个变为并置的12个，第二代产品空间实现了横向大范围拓展，产品功能得以丰富，产品模块的数量大幅提高，因此第二代产品区别于第一代产品原型2之处在于在主体装配单元间增加了隔墙功能模块，以及在各主体结构功能模块与各附属结构功能模块间增加了柔性连接构造。第二代产品围护体采用了外保温模式，外屋面板、外墙板及地面板模块也采用了铝合金聚氨酯复合保温材料。

图7－13　第一代可移动铝合金建筑产品原型2产品模块空间关系

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－14　第二代可移动铝合金建筑产品功能体空间关系示意

图片来源：作者绘制

4.建造设计

建造设计阶段的主要任务是将系统设计阶段的设计成果深化为可指导实施工厂制造、装配及现场建造的图纸与图表文件、文字说明以及建筑信息模型等，其主要由详细制造设计、详细装配设计与现场建造设计三部分设计活动组成。详细制造设计的主要工作是根据制造约束规则对产品零部件进行设计；详细装配设计的主要任务是运用装配标准化设计、装配单元化设计、装配连接设计、公差分析等设计方法，对可移动建筑产品的工厂装配工序、标准零部件、装配单元、连接构件等展开设计；现场建造设计的主要内容包括现场建造工序设计，现场建造的人员、资源、时间、成本等管理计划及相关保障措施的制定。

第一代可移动铝合金建筑产品原型1建造设计阶段的设计成果示例见图7－15。第一代可移动铝合金建筑产品原型2建造设计阶段的设计成果示例见图7－16。

图7－15　第一代可移动铝合金建筑产品原型1建造设计阶段成果示例

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－16　第一代可移动铝合金建筑产品原型2建造设计阶段成果示例

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

第二代可移动铝合金建筑产品建造设计阶段的设计成果示例见图7－17。

图7－17　第二代可移动铝合金建筑产品建造设计阶段设计成果示例

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

5.原型产品建造

原型产品建造阶段所需要完成的任务是进行实体化的可移动铝合金建筑原型产品的建造，通过原型产品的实际建造活动，以发现产品设计与实际建造过程中的所忽略或未预见到的问题，并积累从工厂制造、装配到现场建造过程中的经验，实现对产品研发最终成果的验证，为下一代产品的研发改进奠定基础。图7－18、图7－19、图7－20分别反映了第一代与第二代可移动铝合金建筑原型产品的建造过程。

图7－18　第一代可移动铝合金建筑产品原型1建造过程

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－19　第一代可移动铝合金建筑产品原型2建造过程

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队

图7－20　第二代可移动铝合金建筑产品建造过程

图片来源：东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所可移动建筑产品研发团队