縱斌
摘 要伴隨著國(guó)內(nèi)裝配式建筑應(yīng)用的逐漸增多,其應(yīng)用范圍有從以往的住宅建筑為主向公共建筑擴(kuò)展的趨勢(shì)。首先分析典型公共建筑的特點(diǎn),提出“可復(fù)制單元”的概念;以預(yù)制混凝土構(gòu)件為研究對(duì)象,從立面構(gòu)件系統(tǒng)、平面構(gòu)件系統(tǒng)和集成式構(gòu)件系統(tǒng)等不同維度,結(jié)合國(guó)內(nèi)外具體應(yīng)用實(shí)例,分析裝配式技術(shù)在公共建筑中的適用性,以期為未來裝配式公共建筑的應(yīng)用提供參考。最后,對(duì)裝配式技術(shù)在公共建筑中的應(yīng)用與推廣提出一些建議。
關(guān)鍵詞裝配式技術(shù) 公共建筑 適用性研究
裝配式建筑在實(shí)踐中表現(xiàn)出產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、施工速度快、外裝飾與功能高度集成等特點(diǎn)[1],具有廣闊的應(yīng)用前景,成為我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向之一。建筑體系中的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建造的基礎(chǔ)。[2]現(xiàn)階段,住宅建筑以其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可復(fù)制單元多等特點(diǎn),成為應(yīng)用裝配式建筑的主要載體。例如某住宅項(xiàng)目通過優(yōu)化,利用10種基本房間模塊、2種廚房、2種衛(wèi)生間和2種陽臺(tái),即實(shí)現(xiàn)了22棟住宅建筑戶型的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。[3]
相對(duì)而言,傳統(tǒng)的公共建筑體量較大、功能多樣、外形豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在應(yīng)用裝配式技術(shù)時(shí)較住宅難度大,既有項(xiàng)目應(yīng)用也較少。但在北美、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家,裝配式公共建筑的應(yīng)用已較為成熟。[4]2016年,上海市住建委聯(lián)合多部委發(fā)布的滬建建材聯(lián)(2016)24號(hào)文對(duì)上海市裝配式建筑的應(yīng)用范圍進(jìn)行了擴(kuò)展,提出在總建筑面積5 000m2以上的公建項(xiàng)目及2 000m2以上的配套辦公、研發(fā)等項(xiàng)目中應(yīng)采用裝配式建筑,為裝配式技術(shù)在公共建筑中的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。因此,探討標(biāo)準(zhǔn)化“可復(fù)制單元”在公共建筑中的應(yīng)用形式,以及分析實(shí)踐過程中可能遇到的問題,成為將裝配式技術(shù)推廣到公共建筑中的關(guān)鍵。
1公共建筑的特點(diǎn)分析及“可復(fù)制單元”的概念
公共建筑的類型多樣,根據(jù)使用功能的不同可分為辦公建筑(寫字樓、政府部門辦公室等)、商業(yè)建筑(商場(chǎng)、金融建筑等)、旅游建筑(酒店、娛樂場(chǎng)所等)、科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)療、衛(wèi)生、體育建筑等)、通信建筑(郵電、通訊用房等)以及交通運(yùn)輸類建筑(機(jī)場(chǎng)、高鐵站、火車站、汽車站、停車樓等)。多種公共建筑的使用功能不同、體型各異、結(jié)構(gòu)類型多樣,給歸一化的特點(diǎn)分析帶來了不便。
應(yīng)用裝配式技術(shù),首先應(yīng)分析擬建建筑的空間標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)律,確定預(yù)制構(gòu)件的最小單元,同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件種類最少、重復(fù)數(shù)量最大,以充分發(fā)揮工業(yè)化的規(guī)模效益,對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低建造成本、簡(jiǎn)化運(yùn)輸和施工難度、提高建造效率,有助于推進(jìn)國(guó)家工業(yè)化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。[5]醫(yī)院病房、酒店賓館及小型辦公、宿舍類建筑,獨(dú)立空間一般較為規(guī)整,開間尺寸一般為3.0~3.9m(圖1);對(duì)于大型辦公建筑、學(xué)校、醫(yī)院類建筑,考慮到地下室停車需要,柱距多為7.2~8.4m;隨著目前建筑規(guī)模的逐漸擴(kuò)大化,部分公共建筑的柱距和開間最大可達(dá)十余米。此外,博覽類建筑及機(jī)場(chǎng)、高鐵站等交通運(yùn)輸類建筑對(duì)空間需求較為特殊,多配合采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力技術(shù)及鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
在復(fù)雜多變的公共建筑中,根據(jù)構(gòu)件加工工藝、道路運(yùn)輸條件、吊裝條件確定適宜的“可復(fù)制單元”的大小及適用位置,是推廣裝配式技術(shù)在公共建筑中應(yīng)用的前提。根據(jù)對(duì)大量公共建筑特點(diǎn)的分析,本文對(duì)公共建筑中“可復(fù)制單元”的適用位置從立面系統(tǒng)、平面系統(tǒng)和集成系統(tǒng)三方面進(jìn)行總結(jié)和討論。通過對(duì)特定公共建筑三方面特點(diǎn)的分析,確定合適的“可復(fù)制單元”位置與應(yīng)用方法,對(duì)于未來裝配式技術(shù)應(yīng)用于公共建筑中具有一定的參考意義。
2公共建筑中“可復(fù)制單元”的適用位置
2.1立面構(gòu)件系統(tǒng)
公共建筑立面構(gòu)件系統(tǒng)中“可復(fù)制單元”主要由多種外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu),以及建筑內(nèi)部規(guī)則且重復(fù)性高的柱、剪力墻和填充墻組成。
公共建筑外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)考慮適用類型。在美國(guó)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(PCI)編寫的《建筑預(yù)制混凝土(第三版)》[6]中,將用于高層建筑的外圍護(hù)板分為以下3種類型:
(1)雙向分體構(gòu)件式,圍護(hù)板在橫向、豎向分別覆蓋于結(jié)構(gòu)框架之外,內(nèi)部用玻璃窗填充(圖2)。
(2)單向分體構(gòu)件式,僅樓層處采用橫向預(yù)制板,橫向預(yù)制板和玻璃在層間交替布置(圖3)。
(3)整體單元式,即采用標(biāo)準(zhǔn)開間和層高將維護(hù)表面劃分為標(biāo)準(zhǔn)板塊,玻璃窗嵌入整塊圍護(hù)板中(圖4)。
當(dāng)采用第一、第二種類型時(shí),圍護(hù)板塊較小、重量較輕,在保證維護(hù)板與梁或樓板的連接措施后,應(yīng)用相對(duì)容易。
當(dāng)采用整體單元式外圍護(hù)板時(shí),單元尺寸宜與建筑開間尺寸相匹配。對(duì)于3.0~3.9m較小開間尺寸的公建建筑,其開間與現(xiàn)有住宅開間相近,僅需將外圍護(hù)墻體高度根據(jù)公建層高略微加高;對(duì)于開間值在7.2~8.4m的建筑,在兼顧吊裝要求的前提下應(yīng)盡量減少接縫數(shù)量,宜以兩塊維護(hù)墻體連接為一個(gè)開間,因此寬度模數(shù)宜為3.6~4.2m;對(duì)于9~12m等較大的柱網(wǎng)間距,宜采用3或4塊預(yù)制墻板拼接為一個(gè)開間,保持“可復(fù)制單元”的寬度與模數(shù)系統(tǒng)一致,宜為3.3~4.2m,并以3m為單位進(jìn)階。
高層公共建筑的立面區(qū)域一般可分為三個(gè)部分:底層(裙房)部分、標(biāo)準(zhǔn)層部分、頂層(設(shè)備層、閣樓)部分。底層部分構(gòu)件的建筑細(xì)節(jié)表現(xiàn)要求較高;頂層設(shè)備層或閣樓處構(gòu)件與標(biāo)準(zhǔn)層部分相比,通常長(zhǎng)度加長(zhǎng)或開窗方式不同。如何調(diào)節(jié)不同應(yīng)用范圍處外圍護(hù)板的標(biāo)準(zhǔn)性,增加“可復(fù)制單元”的使用率成為既保證建筑表現(xiàn)效果又節(jié)約造價(jià)的關(guān)鍵。美國(guó)芝加哥喜來登酒店給出了一個(gè)很好的示范(圖5),建筑由7層裙樓和27層酒店塔樓組成,在標(biāo)準(zhǔn)層和底層、頂層采用了相同的母模進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件生產(chǎn),通過調(diào)節(jié)不同區(qū)域構(gòu)件中橫向、豎向分隔的布置方式,可以營(yíng)造出不同部位各異的建筑效果。
由于考慮到成本原因,裝配式外圍護(hù)板多采用同一規(guī)格,也因此被詬病為單一且缺少變化。大衛(wèi)·切波菲爾德在巴塞羅那視覺藝術(shù)學(xué)校中利用統(tǒng)一的模數(shù)對(duì)外墻構(gòu)件進(jìn)行組合,進(jìn)行了有益的探索。設(shè)計(jì)師通過層高進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)高度上的分隔,單純的圍護(hù)板和“窗洞+圍護(hù)板組合”兩種模式搭配土黃、淺灰、暗紅三種顏色組合,在保持標(biāo)準(zhǔn)性的前提下得到了富于變化的立面效果(圖6)。[7]
除公共建筑的外圍護(hù)部分,將公共建筑內(nèi)部重復(fù)性較高的柱、剪力墻或填充墻進(jìn)行規(guī)則化劃分,也可形成適宜裝配的可復(fù)制構(gòu)件。對(duì)于柱、剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件,目前國(guó)家規(guī)范、圖集及相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較為成熟,在公共建筑中的應(yīng)用可依規(guī)范要求設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
公共建筑對(duì)于室內(nèi)空間的分隔和功能的改造需求較住宅更為復(fù)雜,裝配式填充墻利用其標(biāo)準(zhǔn)化、易安裝、輕自重的特點(diǎn),將獲得廣泛的應(yīng)用前景。南京市青奧會(huì)議中心采用了由內(nèi)外兩塊水泥纖維板和中間聚苯顆?;炷两M成的夾芯隔墻板,其在保證保溫、隔聲、防水及耐久性能的前提下,兼顧了安裝快捷方便、安裝效率提高和施工過程綠色環(huán)保的要求,收到了良好的使用效果。[8]目前,沈陽市已頒布了《裝配式夾芯隔墻技術(shù)規(guī)范》(DB2101/TJ08-2012)[9],對(duì)多種裝配式夾芯隔墻的材料、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量驗(yàn)收分別給出了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定,對(duì)其推廣有較好的促進(jìn)作用。
2.2平面構(gòu)件系統(tǒng)
在公共建筑“可復(fù)制單元”的平面構(gòu)件系統(tǒng)中,最重要的組成部分是預(yù)制樓板和預(yù)制梁。此外,樓梯以及體育場(chǎng)等特定公共建筑中的看臺(tái)板等也是裝配式技術(shù)有應(yīng)用前景的范圍。
目前,預(yù)制疊合板在住宅中的應(yīng)用已較為廣泛。相較于住宅的開間特點(diǎn),公共建筑的開間和跨度明顯增大,房間布置不規(guī)則,給裝配式樓板的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)前文對(duì)公共建筑開間特點(diǎn)的分析,結(jié)合現(xiàn)行模數(shù)特點(diǎn)和生產(chǎn)、運(yùn)輸條件限制,建議對(duì)于跨度小于6m的開間,可以采用桁架筋疊合樓板,結(jié)合最小化樓板種類的原則將樓板寬度取為1.8~2.4m標(biāo)準(zhǔn)寬度,同時(shí)輔以必要的個(gè)性化尺寸配合。對(duì)于跨度大于6m時(shí),根據(jù)使用功能和結(jié)構(gòu)體系的不同,可以選擇預(yù)制空心樓板、預(yù)制預(yù)應(yīng)力樓板、SP預(yù)應(yīng)力空心板或壓型鋼板組合樓板等形式。
長(zhǎng)春一汽技術(shù)中心裝配式立體停車樓是國(guó)內(nèi)已建成的大型裝配式公共項(xiàng)目之一,由于樓板跨度達(dá)16.90~17.25m,同時(shí)考慮到大跨度、大重載和大空間靈活使用的功能要求,該停車樓樓板采用預(yù)應(yīng)力雙T板,獲得了良好的使用效果(圖7,8)。整個(gè)項(xiàng)目的建筑造型簡(jiǎn)單,開間尺寸統(tǒng)一,在全部3 780塊預(yù)制構(gòu)件中,預(yù)應(yīng)力雙T板為1 856塊,可復(fù)制性高,項(xiàng)目預(yù)制率達(dá)95%以上。[10]
預(yù)制疊合梁的應(yīng)用目前已較為成熟,現(xiàn)行《JGJ1裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《15G310-1裝配式混凝土連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造》對(duì)疊合梁的構(gòu)造方式、連接節(jié)點(diǎn)有較為詳細(xì)的規(guī)定。公共建筑對(duì)于預(yù)制梁的跨度和承載力提出了更高的要求,必要時(shí)可根據(jù)《JGJ224-2010預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。
現(xiàn)澆樓梯是通過工程現(xiàn)場(chǎng)整體支模澆筑而成,因其形狀復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)支模工序復(fù)雜,施工速度慢。潘雨紅等通過對(duì)比預(yù)制樓梯和現(xiàn)澆樓梯在施工流程、造價(jià)構(gòu)成等方面的差異,認(rèn)為預(yù)制混凝土樓梯相對(duì)于現(xiàn)澆樓梯具有明顯的綜合經(jīng)濟(jì)效益。[12]王加國(guó)介紹了將特定規(guī)格的預(yù)制樓梯應(yīng)用在辦公建筑中的設(shè)計(jì)和施工情況,證明施工效率和施工質(zhì)量均提升明顯。[13]考慮到公共建筑的實(shí)際需求,裝配式混凝土樓梯的跨度和寬度較大,若在設(shè)計(jì)過程中注重標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用,統(tǒng)一樓梯規(guī)格,裝配式樓梯在公共建筑中也將有較好的可復(fù)制性和適用空間。
特定公共建筑類型中存在大量的平面“可復(fù)制單元”。大型體育場(chǎng)館中的看臺(tái)板、踏步板和樓梯是典型例證,且已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。通過利用體育場(chǎng)看臺(tái)徑向斜梁將整個(gè)看臺(tái)區(qū)分隔為簡(jiǎn)單的直線,可以得到大量可復(fù)制、適合工廠預(yù)制的單元構(gòu)件。深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)在實(shí)踐中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化三折L形預(yù)制看臺(tái)板、預(yù)制踏步板及預(yù)制貓洞欄板拼裝,實(shí)現(xiàn)了良好的清水混凝土建筑效果。[14]國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”看臺(tái)部分14 726塊預(yù)制構(gòu)件包括了10 056塊看臺(tái)板、4 600塊踏步板和70件樓梯,看臺(tái)板的截面大量采用L形、L+U形和平板形清水混凝土預(yù)制,通過將折線代替弧線達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的效果,可復(fù)制的預(yù)制構(gòu)件得以大規(guī)模應(yīng)用(圖9,10)。[15]
2.3 集成式單元系統(tǒng)
集成式單元系統(tǒng)是將具有特定功能的設(shè)備、管線、配件等在工廠進(jìn)行組合拼裝,并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一體化安裝的工業(yè)化應(yīng)用模式。通過將復(fù)雜工序在工廠進(jìn)行精細(xì)化組合,預(yù)留必要的管線接口,可以大大節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量。集成式系統(tǒng)主要包括具有特定功能的房間、管道井等。
目前,集成式的整體衛(wèi)生間在我國(guó)已有部分應(yīng)用實(shí)例。姚愷通過對(duì)整體衛(wèi)生間與傳統(tǒng)衛(wèi)生間在設(shè)計(jì)流程、施工環(huán)節(jié)和整體品質(zhì)上的比較,分析了兩者在設(shè)計(jì)方法和施工方法上的區(qū)別,認(rèn)為前者縮短了施工工期,提高了施工的精度和質(zhì)量,大幅度提高了工程品質(zhì)。[17]在公共建筑中,同樣存在相似的可集成空間:酒店的客房、醫(yī)院的病房中的固定單元較適宜采用集成式系統(tǒng)一體化生產(chǎn)與安裝,如圖1所示為某標(biāo)準(zhǔn)化病房中尺寸、位置固定的衛(wèi)生間單元。
與住宅建筑中集成空間的功能和位置相對(duì)固定不同,公共建筑常需要面對(duì)后期改造的不確定性。為了達(dá)到延長(zhǎng)建筑使用周期的效果,大型商場(chǎng)、酒店賓館、醫(yī)院病房等隨著時(shí)間的變遷往往會(huì)因服務(wù)對(duì)象變化、使用功能調(diào)整、社會(huì)文化審美需求變化等進(jìn)行空間布局和裝修的改變,甚至不少公建項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初便會(huì)考慮后期彈性改造的可能[18-20]。集成式單元系統(tǒng)需要主體結(jié)構(gòu)預(yù)留固定的設(shè)備接口,在安裝時(shí)需要一定的吊裝和安裝空間,一般隨主體結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行,種種因素導(dǎo)致將集成式單元系統(tǒng)推廣到公共建筑存在諸多難點(diǎn),將其廣泛應(yīng)用到公共建筑還需要進(jìn)一步的探討和應(yīng)用策略研究。
3結(jié)論與建議
本文在分析公共建筑共性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,從立面系統(tǒng)、平面系統(tǒng)和集成單元三方面,對(duì)裝配式技術(shù)在公共建筑中“可復(fù)制單元”的適用性位置進(jìn)行了分析和案例介紹,如表1所示。
在今后的實(shí)際應(yīng)用過程中,尚有如下建議:
(1)注重不同“可復(fù)制單元”系統(tǒng)間的模數(shù)協(xié)調(diào),擴(kuò)大“可復(fù)制單元”的應(yīng)用比例。在立面構(gòu)件、平面構(gòu)件及集成式單元系統(tǒng)中的模數(shù)確定后,尤其應(yīng)注意不同構(gòu)件間的模數(shù)匹配與協(xié)調(diào),減少整個(gè)建筑單體中主要構(gòu)件的尺寸變化,最大化“可復(fù)制單元”在預(yù)制構(gòu)件中的占比。例如,相較于普通高層辦公建筑豎向構(gòu)件數(shù)層一收進(jìn)的常見做法,裝配式公共建筑宜衡量由此造成的構(gòu)件種類變化及成本增量,盡量減少截面變化次數(shù),保持標(biāo)準(zhǔn)層的可復(fù)制性。
(2)推動(dòng)“可復(fù)制單元”大量存在的公共建筑相關(guān)規(guī)范的制定和頒布。目前國(guó)家和地方的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件制作與檢驗(yàn)、施工規(guī)范等不斷完善,但應(yīng)用對(duì)象重點(diǎn)集中在住宅建筑,目前僅有上海市頒布了針對(duì)公共建筑的《裝配整體式混凝土公共建筑設(shè)計(jì)規(guī)程》[21]。對(duì)于功能固定、結(jié)構(gòu)形式變化較小、“可復(fù)制單元”大量存在且適用性強(qiáng)的公共建筑類型,建議參考國(guó)外規(guī)范(如美國(guó)PCI標(biāo)準(zhǔn)MNL-129-98預(yù)制預(yù)應(yīng)力停車場(chǎng)結(jié)構(gòu):設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用建議),通過裝配式公共建筑標(biāo)準(zhǔn)或利用專用體系標(biāo)準(zhǔn)予以推廣。
新型裝配式技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),隨著研究的不斷深入、標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善和技術(shù)水平的不斷提高,相信其在公共建筑中的應(yīng)用將逐步拓展,為我國(guó)的建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供一個(gè)良好的方向。
*注:此研究為基金項(xiàng)目上海市科委課題“裝配整體式混凝土公共建筑設(shè)計(jì)技術(shù)研究”(14DZ1208303)。
圖片來源
圖1為作者自繪;圖2來源于http://www.lasolascitycentre.com;圖3~5來源于文[6];圖6來源于文[7]與http://architectscommunity.com;圖7來源于文[10];圖8 來源于文[11];圖9來源于文[15];圖10來源于文[16]。
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