1910年3月,沃尔特•格罗皮厄斯向德国通用电气公司(AEG)的艾米尔•拉特诺提交了一份合理化生产住宅建筑的备忘录,这份备忘录写于沃尔特•格罗皮厄斯26岁那年,到今天仍然是对标准化住宅单元的预制、装配和分布的先决条件的最为透彻的阐述。1923年出版的《包豪斯书集》中收录有格罗皮厄斯撰写的《住宅产业化》。1928年第一届《国际现代建筑会议》(CIAM)通过的拉萨拉兹宣言不但强调了建筑产业化的必要性,还认为“建筑质量的高低并不取决于工匠们的手艺,而在于要普遍地采用合理化的生产方法”。指出“建筑产业化首先应该是尺寸规格化,并采用有效的生产方法”。
1928年第一届《国际现代建筑会议》(CIAM)通过的拉萨拉兹宣言不但强调了建筑产业化的必要性,还认为“建筑质量的高低并不取决于工匠们的手艺,而在于要普遍地采用合理化的生产方法”。指出“建筑产业化首先应该是尺寸规格化,并采用有效的生产方法”。
1933年包豪斯关闭后,沃尔特•格罗皮厄斯去了美国,就任哈佛大学建筑系教授、主任,在美国广泛传播包豪斯的教育观点、教学方法和现代主义建筑学派理论,促进了美国现代建筑,尤其是住宅制造业和住宅产业化的发展。
20世纪初,不但沃尔特•格罗皮厄斯热衷于住宅产业化,在大西洋两岸还有很多人痴迷于住宅产业化。最著名的是巴克敏斯特•富勒(Buckminster Fuller,1895-1983),他是一位出身于美国的伟大的结构学家,他的名字经常与一些光荣的事物相联系。有关他的称号不胜枚举,例如思想家、哲学家、数学家、物理学家、建筑家、技术专家等等,作为建筑师,巴克敏斯特•富勒为了使住宅构件能够大规模工业化生产,在20世纪20年代发明了“轻质金属房屋”,在1927年设计出了第一代多边形“最大限度利用能源住宅”。巴克敏斯特•富勒具有“屡败屡战”的精神,在1930年和1940年期间,巴克敏斯特•富勒设计出第二代“最大限度利用能源住宅”,在第二次世界大战期间(1944~1946年),巴克敏斯特•富勒又设计出第三代“最大限度利用能源住宅”。到了20世纪60~70年代,巴克敏斯特•富勒又设计出“张力轻质直构件制造的穹顶”,巴克敏斯特•富勒甚至还想大面积推广这种住宅,要在“城市中建满这种房子”。
琼•普鲁维(Jean Prouve)出身于法国的一个艺术世家,本人是一位工程师,对钢材结构住宅情有独钟,他的设计往往会在钢材的运用、构件的形式和造型上花费很多心思,因此被称为“欧洲的巴克敏斯特•富勒”。琼•普鲁维率先使用了产业化生产钢材构件的方法,他一贯的风格就是“根据现有的材料来制定设计方案”。
1949年,法国重建和规划部长委托琼•普鲁维设计一种新型的大批量生产的住宅,成本不得超过当时现有的最便宜的住宅。在1950年,法国政府采购了25套,这些住宅都安装在Meudon实验住宅项目里。
在Meudon的住宅大多数都销售给了相当富裕的人。已经过去了35年(到1985年),尽管对个别住宅做了某些修改和变化,但这些不动产现在仍然状况良好。
在1938~1969年间,琼•普鲁维设计了许多适合产业化生产的钢材结构住宅。
1944年,《建筑与艺术》杂志的老板约翰•伊坦斯(John Entenza)用了一期的篇幅来讨论住宅产业化问题,约翰•伊坦斯的“住宅案例研究计划”一直进行了22年,形成了著名的“案例研究住宅”丛书。
二次世界大战之后,在英国、美国和法国开发了以钢材为基础工业化住宅系统,包括琼•普鲁维在1940年基于他早期使用弯曲钢板设计的几个项目。杰尔•韦尔斯(Jerry Wells)和佛瑞德•科艾特(Fred Koetter)继续深入的研究潜在的轻规格冷轧钢板模块化住宅(1971年),塞德里克•普里斯(Cedric Price)同一年也在做同样的工作。其它人也在1970年到1980年从事以钢材为基础的建筑系统实验,包括黑尔莫特•斯霍李兹(Helmut Schulitz)在加州大学的“实验系统和建筑物技术团队”(TEST);迈克尔•霍普金斯(Michael Hopkins)在英国的皿形系统;甘特•胡勃勒(Gunter Hubner)和弗兰克•胡斯特(Frank Huster)在德国的原型住宅系统;瑞恩若•皮雅罗(Renzo Piano)在意大利的实验住宅;以及米希尔•科恩(Renzo Piano)和简•帕斯曼(Jan Pesman)在荷兰的赫乌系统。
沃尔特•格罗皮厄斯(1910年)提出“住宅产业化”不到十年的时间,即1920年左右,“预制装配住宅”就作为一个新概念传入了日本。
1932年,一批从德国留学回来的日本建筑系教授创办了“新建筑工艺学院”,注重“包豪斯”的体系和总体性(绘画、雕刻和家具制作等)。当时也有少量的实验性工业化住宅的研发,但这些试验都没有发展到工厂化大批量生产销售的程度。
日本的钢材结构建筑和他在其它产业的发展一样,仍然是原创不足,模仿有余。由于早期西方的钢结构住宅都提倡大跨度、可分隔,基本上都是采用热轧型钢的梁柱结构体系。而日本住宅建筑又一直是采用中国古代的梁柱结构体系,所以日本人在住宅产业化的起始阶段就一头扎进了梁柱建筑体系里,至今都难以自拔。
其实,不用说七大工业国中的其它六个国家,就是北欧一些小国,比如芬兰、挪威等国的住宅产业化水平也高于日本。这是因为日本的住宅产业化是从一砖一瓦的部件(据日本人说住宅产业化需要认证成千上万的住宅部品,其实用不着这么复杂)入手,然后把这些部件归拢到一套住宅里,因而就容易出现部件最优,而住宅系统未见得是最优的情况。并且还非常的复杂和难以控制。而西方国家的住宅产业化思想是基于一种开放式系统,政府做的是提纲挈领的工作,所有的行业参与者和部件都是以进入一个大家都认可的开放式系统为终极目标,是从住宅系统性能的高度入手,再去抓各种配套部件的产业化,因而就显得简单易行和高效了。
20世纪80年代,日本人送给了上海同济大学二套工厂化制造的模块化住宅,这确实让国人大开了眼界,原来住宅还可以这么建?
20世纪90年代,有中国人到日本去考察,了解到日本正在推进住宅产业化。不知是翻译的原因,还是有日本人故意在误导,总之,中国的很多官员和学者至今还一直认为“日本是世界上最先提出住宅产业化”的国家。
在沃尔特•格罗皮厄斯(1910年)提出“住宅产业化”之时,以及之后的近100年来,“住宅产业化”都是和钢结构住宅密不可分,但中国过去和目前新建的住宅基本上都是钢筋混凝土结构加“秦砖汉瓦”围护结构,这种建筑结构和建筑材料基本上是无法实现“住宅产业化”的。
在将近一个世纪的历史行程中,通过几代人的苦苦追寻和持久探索,钢结构住宅技术已经越来越成熟。在澳大利亚、美国、加拿大、日本和欧洲,都广泛采用钢材作为建筑承重结构材料。主要原因是钢材加工工艺在不断的进步,质量越来越好。另外,钢材本身的性能优越,特别适合大批量工业化生产,对环境的危害小。因此,钢结构住宅在全球范围内都受到了追捧。
目前中国的钢结构设计理论还停留在意大利科学家伽理略(Galileo)1638年为解决造船和建闸需要的梁尺寸问题而提出的计算梁强度的公式(现代材料力学鼻祖)、英国科学家罗伯特•胡克(Robert•Hooke)1678年通过实验终结出来的胡克定律(变形与外力成正比的结论),以及从19世纪后半叶开始在结构力学理论和实验基础上发展起来的静力学体系(即由梁弯曲理论、三弯矩方程和最小势能原理共同奠定的框架弯曲理论)上,其研究对象都是独立的构件(即一根根梁和柱子)。根本没有考虑冷轧钢材构件的冷作硬化(或屈曲后)强度和构件组合在一起的“重复与复合作用”。与国际先进的钢结构建筑技术相比,用钢量非常巨大,虽然有的钢结构建筑物的用钢量和“航空母舰”不相上下,但这样的建筑物却不一定安全和可靠。
100多年来,钢结构建筑物的材料是从铸铁逐步转向了铸钢、锻钢和热轧钢材,再进一步向冷轧钢材(也称为轻规格钢材)方向发展。各种各样的新型钢结构建筑体系也是层出不穷,自从19世纪晚期在芝加哥开创了钢材骨架(梁柱体系的刚性框架)办公楼之后,就接连不断的发明了桁架结构、穹顶结构和长跨度有桅杆的张力结构(因为该结构经常悬挂“膜”材料,所以国内都把它简称为膜结构,实际上该结构可以悬挂很多不同的建筑材料,称其为“膜结构”就太局限了)、门式刚架(正确的名称应该叫刚性框架,因为这种建筑结构的力学特征是刚性或半刚性的,但结构形状却不一定都是门状的)和冷轧钢骨架等新型建筑结构。
中国过去和目前新建的住宅(包括一些钢结构住宅)基本上都是传统的“梁柱”建筑结构体系,这种建筑结构体系很难在工厂里组织生产和制造,当然也就谈不上“住宅产业化”了。
多年来,轻规格钢(Light Gauge Steel)就是冷轧钢(Cold-formed Steel)这一不容置疑的现实在中国建筑界却遭到了普遍的怀疑,很多专家、学者都试图从设计与计算理论方面去给它定义,很多专家、学者和企业还硬是把高频焊H型钢,甚至热轧H型钢都说成是轻规格钢(参见图HJ-1)。
冷轧钢材(Cold-Formed Steel)是在室内环境温度下,也就是没有热成型所要求的明显的额外加热,把从薄板、定尺长度的钢材卷板或钢板上剪下来的钢板压弯成型(图HJ-2),或通过滚轧冷或热轧的卷板或薄板来成型的钢材(图HJ-3)。这一定义是非常明确和清晰的,根本就毋须国内专家、学者苦思苦想的去为它重新再起名字。而且也只有冷轧钢材才具有可以利用的冷作硬化(或屈曲后)强度(图HJ-4)。
国内建筑界不但对古代中国建筑了如指掌,而且对西方古代建筑,尤其是古西腊的柱式,中世纪的塔楼和钟楼也非常熟悉,但对于近100年来,尤其是近10几年来国际住宅建筑的新趋势却不甚了解。
这一切也就造成了目前在“住宅产业化”和“钢结构住宅”方面只听见雷声(含口号),看不见雨点(实际的内容)。
要想真正实现“住宅产业化”和建造“钢结构住宅”,就必须要“与时俱进”,摒弃“秦砖汉瓦”、钢筋混凝土结构和传统的“梁柱”建筑结构体系,采用新型的建筑体系、建筑材料、建筑技术和新的结构力学设计思想。