工业厂区节地耦合设计研究

Research on land conservation coupling design in industrial factory areas

摘要

工业厂区由于建筑体量大、层数低、布局分散，占用和消耗了大量土地资源。随着科学技术的进步，工业生产模式不断变化，厂区布局应具有与发展相适应的韧性，减少消极、闲置土地和空间，体现厂区土地的高效利用。以绿色节地理念为出发点，从工业厂区总体布局入手，引入功能和空间的耦合设计策略，提出适用于绿色发展观的工业厂区的规划布局设计建议。

Abstract

Due to the large size, low number of floors, and scattered layout of industrial plants, they occupy and consume a large amount of land resources. With the progress of science and technology, the industrial production mode is constantly changing. The layout of factory areas should have resilience that is suitable for development, reducing ineffective use of land and space on the industrial site. With the notion of green land conservation, the article starts with the overall layout of industrial plants, introduces a coupling design strategy of function and space, and proposes some suggestions for the layout planning and design of industrial plants that are suitable for the green development notion.

Graphical abstract

关键词

工业厂区 / 节地理念 / 耦合设计

Key words

industrial factory area / land conservation concept / coupling design

工业厂区因其自身的特点往往具有占地面积大、密度小、大体量、层数少等特点，厂房布局分散导致土地利用率较低的问题。民用建筑规划设计能够通过控制容积率和建筑密度来提高土地利用效率，而工业厂区以适应生产工艺要求为目的，布局结构缺乏定量的指标控制，造成厂区用地面积大，土地利用率低。论文从厂区规划布局的角度，引入集约耦合分析，探讨在保证满足生产工艺和安全的前提下，使厂区布局更加紧凑科学，减少闲置空间，提升土地利用效率，并具有可持续发展的应变能力，充分体现绿色工业发展理念。

工业建筑的节地问题，国内外专家学者在很多领域开展了深入的研究。目前，该领域的研究分为两部分，一是在用地选址及布局上因地制宜进行灵活设计；二是对节地型工业建筑的探索，将工业建筑向功能集约复合转变，立体式空间高效利用，以解决工业发展中的节约土地问题^[1]。节约用地的理念已经不是一个单独的课题，很多国家已将工业建筑节地问题与生态、节能、环保联系在一起，实现可持续发展。

我国对于工业建筑的节地研究起步较晚，但发展速度快，尤其是对绿色生态工业建筑的研究，自2013年推广实施《绿色工业建筑评价标准》以来，绿色工业建筑研究和实践项目稳步发展。在工业厂区的整体布局以及节约用地方面已有不少可借鉴案例。如广州王老吉药业有限公司项目设计中，利用立体化布局方式解决生产区三大综合功能的使用问题(图1^[2])；中山医科大学达安基因股份有限公司设计中，采用集约式设计策略在科研区设天井花园，达到增加实验室间的距离，避免实验室之间的交叉污染，又充分利用自然采光和自然通风达到节能的效果^[2](图2)。节地是绿色工业建筑评价标准的重要指标，相关研究还较分散，有待继续深化和完善。

1 工业厂区土地利用率低的现状

1.1 厂区低密度规划

厂区内大部分厂房为单层或低层建筑，体型单一，空间高，间距大，导致厂区规划呈现低密度、低容积率状态，一般只有0.3~0.6，厂区内零散闲置土地较多。

1.2 建筑分区布局不合理

工业厂区布局设计中，适度合理的功能分区能够减少相互干扰，有利于生产和管理。但各功能分区相互独立，距离渐远，使功能区之间出现较多空闲土地。而且，厂区内不同功能的建筑由于形体、尺度、朝向不同，布局时缺少整体统一协调，造成建筑布局不规则，缺乏秩序感，产生较大面积土地浪费。

1.3 闲置土地未加以合理利用

由于设计时对厂区发展缺乏远期规划，随着生产工艺改进，设备更新，部分厂房逐渐闲置、废弃或拆除，导致厂区中大量闲置土地产生。一些建筑形体不规则，建筑与建筑之间、建筑与道路之间易形成边角碎片化空地。这些空间或功能不明或利用低效，时常不被重视，但他们却分布在各个角落，并且形式多样、大小不一，人们虽然时常见到它，但总会选择忽视它^[3]。

总而言之，土地高效合理利用是工业建筑绿色理念的必要体现。节地并不只是单一地强调减少土地资源利用，而是在我国现代化进程快速发展，高效灵活地利用土地并且尽可能扩大可利用的面积，面对远期规划能够弹性调节。

2 厂区布局耦合设计

耦合设计是对厂区内各功能区、厂房建筑与场地及环境的相互关系进行分析，通过模数协调，对厂区总体规划布局、建筑空间组织和环境进行整合关联。对于新建厂区来说，统一模数规划使厂区土地充分利用，将建筑的使用、改造以及再利用纳入考虑范围，要考虑建筑的全寿命过程^[4]，更加灵活适应未来生产变化需求。同样对于改扩建厂区来说，布局更加灵活紧凑，功能集约，在远期发展中具有韧性调节能力。本文将结合实际案例提出在工业厂区规划设计中节约土地的设计策略。

2.1 场地耦合设计

将规划用地建立统一模数关系，场地内的各类建筑、交通道路、环境景观的关系高度耦合，形成可以互补、互换、组合叠加、灵活拆分的有机整体，实现土地的高效利用和厂区的可持续发展。结合实际案例加以详述。

2.1.1 模数划分

规划厂区位于河北省保定市徐水区内，占地面积约为720 km²，基地东侧和南侧与城市道路相接，场地西侧及北侧为大次梁村耕地，场地地形规整，交通便利(图3)。规划厂区为电器生产厂，产品属于无机类，火灾危险性较低，其工艺流程及管线布置较为简单。在满足工艺要求的前提下从厂区场地布局入手，优化土地资源，尽量减少土地闲置及浪费。根据工业建筑常用开间及跨度，结合防火间距要求(一二级之间为12 m)和道路宽度(双车道最小6 m)，故选取6 m为基本模数单位。在基地四周均退出必要红线(最窄处保证6 m)后，将整个场地块按6 m×6 m进行网格划分，实现用地统一协调模数。根据需求预留出入口和主要内部道路，将厂房、交通道路与绿化景观按照统一的模数布置(图4)，使其均符合标准尺度，同时预留发展用地^[5]作为绿化环境，在生产规模发生变化时可以随时进行调节，使厂区可持续发展，满足弹性设计需求^[6]。

2.1.2 厂房耦合设计

1) 平面形体耦合设计

厂房建筑间距是按建筑物最小距离计算，因此在设计时应尽量使建筑体型规整方正，减少凹凸，避免造成不必要的用地损失^[7]。但由于工艺流程要求，“L”形、“丁”形或“凹”形厂房平面不在少数。因此，在总图建筑布局时，可采用模数拼贴法进行整合(图5(a))。根据功能耦合关联，将办公、管理、临时仓储等生产辅助用房与厂房进行形体组合，并实行统一模数划分，减少由于不规则形体产生的消极和闲置土地。当辅助空间在南侧时，采光效果好，可以设置办公、管理、休息等用房，反之，在北侧可设置临时库房或设备用房。若有多个厂房均为不规则形，可进行形体集约耦合设计，在满足通风采光要求的前提下，将生产工艺相近或具有工艺连续性的厂房连接(图5(b))、围合(图5(c))、修补(图5(d))形成较大空间，可作为室外活动场地或集中休闲绿地。这样不仅可以节约用地，也可通过缩短运输路径从而提高工作效率，符合集约耦合设计。

2) 联合厂房组合设计

联合厂房是指将多个生产性质相同或相近的厂房联合布置^[8]，形成多跨组合结构，缩短物料运输和设备管线铺设距离，也便于未来调整内部空间，适应扩大规模的生产需求^[9]。在联合厂房设计中防火问题是一个重点考虑的问题，对于厂房火灾危险系数为非甲、乙类，当单个厂房面积小于5 km²时为一个防火分区，每个防火分区都有单独的对外安全出口，联合厂房之间用防火墙隔开，防火墙上设置甲级防火门作为第二安全出口，确保建筑生产的安全性(图6)。当受生产工艺限制不能设置防火墙时，可采用特级防火卷帘进行防火分隔^[10]。对于多个厂房组合的联合厂房布置，中间区域的通风采光可采用高低跨方式布置，通过高侧窗或屋顶天窗实现自然采光、通风及散热，确保室内物理环境满足生产需求(图7)。

2.2 厂房内部空间集约耦合设计

2.2.1 夹层空间设计

单层厂房内部空间较高大，但生产作业区域往往只集中在某一特定范围，其他交通辅助功能上部空间利用率较低。根据厂房内部不同功能空间需求进行分类重组，将配套辅助功能房间根据功能流线关系加以耦合协调，形成主体单层与局部多层的立体空间组合。多层厂房不仅能够在较小区域内实现大面积工业生产，提高城市建筑用地率^[11]，还可以缩短交通流线并且最大限度利用建筑内部空间。此外，当厂区在未来面临转产、减产或者增产时，可根据需求进行内部空间改造，体现空间弹性调节的设计理念。

例如：选用6 m×6 m×6 m的模块拼接组合为一座通用厂房，从竖直方向看，12 m能够满足生产车间的需求，但对于办公空间来说层高较高，可在4 m处增设夹层，同时采用室外疏散楼梯，将夹层部分的疏散置于厂房外部，既保证安全^[12]，同时不破坏室内空间的完整性，为未来的更新改造创造条件(图8)。内部设置夹层空间不仅能成倍地扩大使用面积，还可使空间尺度更符合人体工程学，给予使用者舒适体验，也是绿色节地理念的体现。

2.2.2 地下空间耦合设计

工业建筑由于层数低，空间简单，设备负荷大等因素，往往忽略对建筑地下空间的合理利用。地下空间受力均匀，保温、保湿性能较好，不受地面噪声、灰尘的影响，物理环境较稳定。但地下空间也存在采光、通风差，防火疏散有一定难度等不利因素。因此，科学合理、因势利导地利用好地下空间，也能够使土地的利用率得到提升，例如：将设备、仓储用房、停车场、职工洗浴、活动等用房布置在厂房地下空间，既能拓展功能空间，又能节约水电暖等能源。地下独立设置疏散通道，满足防火要求(图9)。

2.3 厂房外部空间集约耦合设计策略

2.3.1 立体环境设计

立体空间集约耦合设计不仅适用于建筑内部空间，同样适用外部空间。在工业厂区规划设计中，优美的环境景观和休闲娱乐设施，既美化提升厂区环境品质，也是为职工提供舒适健康的工作氛围的必要手段^[13]。立体环境设计是将绿植、水系、健身步道和活动场地、休闲空间等设施，通过合理的集约耦合设计，充分利用厂房屋面、局部平台、阳台、外墙面、车棚等空间，甚至包括外窗套、排水沟、遮阳板等构件，实现立体、交叉、组合布置。例如：局部屋顶（平坡均可）加以利用做屋顶花园，平屋顶部分可作为员工活动场地(图10(a))；建筑四周用作排水的散水外围设置透水的明沟并适当加宽，上部覆土作为花池，或浅水景观，将实用功能与观赏性结合(图10(b))；厂房或办公部分外窗台做挑檐，在竖直方向布置攀爬绿植，增加绿化率；办公管理部分设敞开式阳台，满足多元化需求又使员工可以在休息之余交流互动(图10(c))；现代化厂房中，半地下室较为常见，窗井及室外多层次景观设计可使室内外联系紧密，有效提高厂区空间品质(图10(d))。

2.3.2 立体交通设计

厂区外部空间还可设置立体化交通(图10(e))，将机动车道（大型货运车、厂区内公共通勤车、小型私家车）、非机动车道和人行道进行竖向组织，形成立体化道路系统，既可以满足生产运输和交通，还可使人与车、机动车与非机动车、大型车与小型车分离，确保其安全性，也能够尽量减少交通运输所占据的土地面积。

2.3.3 厂区内剩余空间再利用

厂区剩余空间根据其周边功能分为三类，分别为不规则厂房外部剩余空间、厂房与道路间剩余空间及地下室上空剩余空间。在工业厂区布局设计中，这三类剩余空间都广泛存在，分别选取三处代表性剩余空间进行分析并提出改造优化设计策略，使各功能区之间有机联系，和谐统一。

1) 不规则厂房外部剩余空间

这类剩余空间尺度较小，空间形态主要为点状空间，可在设计中采用修补法。例如改造为广场及绿化，利用几何形体进行划分，小尺度广场可局部抬高，与周围形成高差，既可汇集人群，满足员工休闲娱乐等需求，还可以减污、减噪，提高环境质量^[14]；同时可结合景观设置生态水池，既作为工业消防水池满足工艺流程需要，又作为景观供人观赏(图11)。

2) 厂房与道路间剩余空间

由于厂房生产火灾危险性类别的不同，建筑间距的选取也不尽相同，造成厂房与道路之间间距过大，降低厂区土地利用率。这类空间联系道路与厂房，例如：可以改造为连廊空间，与厂房形成围合、半围合空间，使工业厂区内外紧密联系起来，不仅具备连接功能，而且可作为展览、临时休憩等功能，为人们创造良好的公共空间^[15](图12)。

3) 地下室上空剩余空间

现代化厂房地下空间利用率较高，例如地下设置自行车停车场，则地上空间根据防火安全规范不可布置生产性空间，使得此类空间无法得到合理利用。因此可在此处设计下沉广场，在其中设置景观构筑物或室外休闲座椅(图13)，实现为员工提供驻足休息，观景等功能，从而美化厂区环境。

3 结论

本文以绿色节地理念为切入点，探讨无特殊工艺要求的一般性工业建筑在总图设计中合理布局、优化设计，并引入耦合设计策略。

1) 在场地规划中建立统一模数关系，使厂区建筑、道路、景观有机结合，根据未来厂区发展灵活调整，已建厂房可以通过形体耦合和联合厂房设计提高土地利用率。

2) 注重厂房内部夹层空间与地下空间的合理利用，使各功能区集约耦合，成倍地扩大使用面积。

3) 厂房外部空间设计也不容忽视，优化立体环境及设计立体交通系统，减少厂区内部剩余空间与消极空间，以使用者的感受为出发点，为人们提供健康舒适的建筑空间。

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基金资助

内蒙古工业大学横向科研课题“基于绿色生态技术的厂区规划设计研究”