裝配式建筑標準化設計方法工程應用研究

葉浩文樊則森周沖劉程煒

(中建科技有限公司,北京100070)

0 引言

中國建筑業(yè)已進入綠色化、工業(yè)化、信息化發(fā)展時期,標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等是新型工業(yè)化建造方式。裝配式建筑是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要途徑之一,可以有效促進節(jié)能減排、全面提升建筑品質、縮短工期、提高建筑工業(yè)化水平。發(fā)展裝配式建筑是落實國家創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享發(fā)展理念的需要,是全面提升建筑工程的質量、安全和品質的需要,也是驅動建筑業(yè)轉型升級,實現(xiàn)建筑產業(yè)現(xiàn)代化的需要。標準化設計是建筑工業(yè)化的核心,是工廠加工生產的前提和工業(yè)化發(fā)展的重要特征,是實現(xiàn)裝配式建筑品質提升、效益效率提高、工期節(jié)約和成本節(jié)省的重要方法和措施,有利于將建筑業(yè)各個分散的環(huán)節(jié)整合為一個整體。標準化設計是實現(xiàn)標準化生產工藝和標準化裝配工法的前提,有利于實現(xiàn)工業(yè)化、社會化的大生產。由于對標準化設計認識不深刻及善于運用標準化設計原理、能提出創(chuàng)造性的方案切實地做到少規(guī)格多組合的裝配式建筑設計師還有待于培育,行業(yè)標準化設計還未形成等原因,目前裝配式建筑的標準化程度不夠、自動化水平不高,市場上還未形成裝配式建筑的規(guī)?；⑴炕l(fā)展,標準化程度得不到充分體現(xiàn),研究標準化設計方法和技術對于裝配式建筑的發(fā)展具有重要意義。

專家學者已對裝配式建筑標準化設計做了一定研究,指出國內裝配式建筑發(fā)展缺乏標準體系,在設計建筑產品時需要利用系列化、標準化的設計方法,并配套現(xiàn)代化施工技術及一體化裝修等,建立以標準化審查為核心的設計審查機制,提高住宅質量、降低成本,促進裝配式建筑結構體系發(fā)展[1-3]；葉浩文等認為裝配式建筑設計技術系統(tǒng)集成不夠、創(chuàng)新能力不足,要研發(fā)并優(yōu)化利于現(xiàn)場簡易化、高效化裝配的標準化設計、全裝配式結構體系及連接節(jié)點設計,并提出裝配式建筑設計關鍵技術,包括結構設計、節(jié)點連接設計、構造設計等創(chuàng)新設計方法[4-5]；周建強等提出住宅建筑設計呈現(xiàn)出標準化發(fā)展趨勢,并從住宅戶內、公共空間設計及建筑構配件標準化設計等方面,闡述了標準化設計可確保后續(xù)裝配式構件及建筑的標準化、規(guī)范化,同時提出在探索標準化設計的工程中可以引入模塊化或參數(shù)化,尋求批量和個性較好的結合[6-9]；劉東衛(wèi)等分析了標準化設計與技術革新對公租房可持續(xù)發(fā)展與建設模式轉型的推動作用,提出了公租房可持續(xù)課題與標準化設計的目標、基本原則及其技術路線[10]；張守峰闡述了標準化設計在建筑工業(yè)化中的重要性,并指出將構配件工廠化生產、裝配化建造等都納入設計內容,在公租房設計過程中注重要點及細節(jié)把控,實現(xiàn)戶型標準化、廚衛(wèi)標準化、管井標準化等[11]；李強等就現(xiàn)代鋼結構建筑的特點及設計,討論了其在工業(yè)建筑中的標準化設計[12]；張穎杰基于工作實踐,從住宅的功能定位、空間組織設計及戶型設計出發(fā),提出了建筑標準化設計的措施[13]；蔡恩健等從建筑設計過程中的模數(shù)化、精細化、構件標準化等方面進行了研究[14]；樊則森等介紹了裝配式建筑通過BIM方法進行技術集成,貫穿包括設計、生產、施工、裝修和管理的建筑全生命周期,分析探討了BIM技術實現(xiàn)裝配式建筑深化設計的方法與手段[15]。

標準化設計不等于標準設計,不是千篇一律,而是將一系列標準的基本單元通過模數(shù)協(xié)調、模塊組合、通用接口、空間協(xié)調、無限拓展,形成形式多樣的個性化建筑產品,需建立在規(guī)?；?、批量化的基礎之上,是大樣本數(shù)據(jù)下的統(tǒng)計與優(yōu)化。目前對裝配式建筑標準化設計的具體研究仍較少,標準化設計尚不成熟,創(chuàng)新能力不足,需要大力研發(fā)并優(yōu)化利于現(xiàn)場簡易化、高效化裝配的標準化設計。文章概述了裝配式建筑標準化設計,研究了標準化設計方法的工程應用,并結合工程實例進行了分析,從而促進裝配式建筑品質提升、效益提高和成本節(jié)約,實現(xiàn)工業(yè)化、社會化的大生產。

1 裝配式建筑標準化設計概述

裝配式建筑標準化設計的基本原則是建筑、結構、機電、裝修一體化和設計、加工、裝配一體化,具體原則是模數(shù)統(tǒng)一、模塊協(xié)同、少規(guī)格、多組合,各專業(yè)一體化考慮。遵循建筑、結構、機電、裝修一體化的原則,在技術策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計和預制構件加工圖設計5個階段進行協(xié)同設計。遵循設計、生產、裝配全過程一體化的原則,構建設計產品利于工廠規(guī)模化生產、利于現(xiàn)場高效化裝配的關鍵技術協(xié)同機制。建立并規(guī)范建筑、結構模數(shù)協(xié)調準則,堅持少規(guī)格、多組合原則,以標準化設計為基礎,通過模數(shù)協(xié)調和系列組合實現(xiàn)個性化產品。標準化設計體現(xiàn)在平面標準化設計、立面標準化設計、構件標準化設計、部品部件標準化設計。其中,平面標準化的組合實現(xiàn)各種功能的戶型,立面標準化通過組合來實現(xiàn)多樣化,構件標準化要少規(guī)格、多組合,部品部件標準化要模塊化、精細化。

2 裝配式建筑標準化設計方法

2.1 平面標準化設計

2.1.1 確定平面標準化協(xié)調模數(shù)和規(guī)則

相同基本戶型下,開間不變、進深在一定基礎上,以200 mm或其他模數(shù)進行延伸擴展,如圖1(a)所示。不同基本戶型下,確定相同尺寸的通用邊界,便于模塊間的協(xié)同拼接,如圖1(b)所示確定了8800 mm的協(xié)同組裝接口,其中,x代表房間隔斷可以是任意尺寸。

圖1 平面標準化協(xié)調模數(shù)圖

2.1.2 接口通用的模塊組合戶型標準化設計

戶型標準化設計通過模塊化的設計方法,采用標準化的戶型模塊。戶型模塊包括衛(wèi)生間、廚房、餐廳、客廳、臥室等基本模塊。整體方案采用標準化的設計整合,通過基本戶型模塊的通用化接口,使各戶型可進行多樣化的組合,建立形成標準化住宅套型系列。如圖2所示,由臥室、廚房、衛(wèi)生間等基本模塊組合而成的60、90 m2等2種戶型。

2.1.3 邊界協(xié)同的系列基本戶型平面標準化設計

通過基本戶型模塊之間按照通用協(xié)同邊界(如8800 mm)進行組合,與公共空間模塊(包括走廊、樓梯、電梯等基本模塊)進行組合,確定多種基本平面形狀,形成不同的個性化平面,實現(xiàn)樓棟組合的無限生長,如圖3所示。

圖2 標準模塊組合不同戶型圖

圖3 基本戶型模塊協(xié)同邊界組合圖

2.1.4 有限模塊、無限生長的方法

建立標準化的建筑產品的基本構件和部品部件庫,如圖4(a)所示,擯棄先設計后拆分的“等同現(xiàn)澆”設計思維,由基本構件及部品部件組成有限的系列模塊單元,如圖4(b)所示,再由模塊單元按照居住功能的需要無限拓展。可建立各種住戶需求戶型圖,如單身貴族(兩口)、三口之家、三代同堂、老人安享等標準戶型,如圖4(c)所示,實現(xiàn)由有限的元素組成千變萬化的大千世界。

圖4 有限模塊，無限生長模式圖

2.2 立面標準化設計

2.2.1 飾面多樣、模數(shù)化的外圍護墻板標準化設計

通過預制外墻板不同飾面材料展現(xiàn)不同肌理與色彩的變化,飾面運用裝飾混凝土、清水混凝土、涂料、面磚或石材反打,通過不同外墻構件的靈活組合,基本裝飾部品可變組合,實現(xiàn)富有工業(yè)化建筑特征的立面效果,如圖5(a)所示。

2.2.2 窗墻比、門窗比控制下立面分格、排列有序的門窗標準化設計

在采光、通風、窗墻比控制條件下,調節(jié)立面分格、門窗尺寸、飾面顏色、排列方式、韻律特征,呈現(xiàn)標準化、多樣化的門窗圍護體系,如圖5(b)所示。

2.2.3 凹凸有致、錯落有序、等距控制的預制空調板、陽臺組合設計

通過一形、L形、U形等標準化陽臺形式,進行基本單元的凹凸擴展、組合擴展,形成豐富多樣的空調板、陽臺的立面設計,如圖5(c)所示。

圖5 立面標準化設計圖

2.3 構件標準化設計

2.3.1 一邊尺寸不變,另一邊模數(shù)化延展的系列構件標準化設計

如預制外墻,一邊固定尺寸2600 mm,另一邊以100 mm為模數(shù),可設計成1600～5700 mm；預制疊合樓板,一邊固定尺寸6400 mm,另一邊以100 mm為模數(shù),可設計成1400～2600 mm等。如圖6所示紅色為預制構件固定邊模,藍色可移動邊模以一定模數(shù)延展。

圖6 一邊模數(shù)化延展的系列構件圖

2.3.2 基于功能單元的構件尺寸模數(shù)協(xié)調設計

針對客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間的功能單元模塊,運用最大公約數(shù)原理,按照模數(shù)協(xié)調準則、通過整體設計下的構件尺寸歸并優(yōu)化設計,實現(xiàn)構件的標準化設計,便于模具標準化以及生產工藝和裝配工法標準化,如圖7所示。

2.3.3 構件鋼筋籠的標準化深化設計技術

在構件外形尺寸標準化基礎上進行鋼筋籠標準化設計,統(tǒng)一鋼筋位置、鋼筋直徑和鋼筋間距,如圖8所示；建立系列標準化、單元化、模塊化鋼筋籠,實現(xiàn)標準化加工。

圖7 標準化構件圖

圖8 鋼筋籠標準化構件圖

2.3.4 構件連接區(qū)域的標準化設計技術

統(tǒng)籌構件標準化和連接節(jié)點后澆區(qū)標準化,提出標準優(yōu)先、異型優(yōu)化的節(jié)點區(qū)標準化設計,便于現(xiàn)場模板標準化。按照模數(shù)協(xié)調、最大公約數(shù)原理,以結構平面尺寸模數(shù)和構件尺寸模數(shù)的協(xié)調要求,確定構件連接區(qū)標準化模數(shù)。如按照100 mm的平面模數(shù)和100/200 mm的構件模數(shù)協(xié)調以n代表數(shù)量,確定n×200以及100 mm×100 mm標準轉角模數(shù),可組合成滿足需要的一形、L形、T形不同截面的布置需要。

2.4 部品標準化設計

以功能需求為基礎,協(xié)調部品模數(shù)和建筑模數(shù),進行標準化功能模塊的集成化設計。

2.4.1 廚房部品標準化設計

以烹飪、備餐、洗滌和存儲廚房標準化功能單元模塊為基礎,通過模數(shù)協(xié)調和模塊組合,滿足多種戶型的需求,實現(xiàn)廚房部品的標準化設計,如圖9所示。

圖9 廚房部品標準化圖

2.4.2 衛(wèi)生間部品標準化設計

以洗漱、淋浴、盆浴、如廁衛(wèi)生間標準化功能單元模塊為基礎,通過模數(shù)協(xié)調和模塊組合,滿足多種戶型的需求,實現(xiàn)衛(wèi)生間部品的標準化設計,如圖10所示。

圖10 衛(wèi)生間部品標準化圖

2.5 BIM族庫大數(shù)據(jù)支撐標準化設計

建立基于裝配式建筑標準化產品、平面戶型庫、立面圍護庫、構件庫、部品部件等系列BIM標準化族庫如圖11所示,通過參數(shù)化查找和組合設計,以大數(shù)據(jù)為支撐,實現(xiàn)標準化設計。在規(guī)?；l(fā)展的同時,通過BIM大數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計使用次數(shù)最多的族庫,不斷迭代優(yōu)化最優(yōu)戶型、最優(yōu)模數(shù)和最優(yōu)部品。

3 工程應用實例

某工程項目共有標稱65、80、100及150 m2等4種面積的戶型。進行戶型設計時,采用標準化設計方法,選取標準化的開間進行排列組合,最大限度地減少戶型種類,組合出4個面積的戶型,如圖11所示。

戶型模塊組合出品字形、蝶形、雙拼和Y字形4種共7類組合樓棟,如圖12所示,實現(xiàn)了模塊組合的無限生長；在總平面規(guī)劃中滿足了多種形式和高度要求,實現(xiàn)了空間組合豐富、形態(tài)優(yōu)美的住區(qū)空間,彰顯了標準化設計成果的先進性、適應性和可復制推廣性。

通過預制外墻板不同飾面材料、通過不同外墻構件的靈活組合,通過立面分格、排列有序的門窗標準化設計實現(xiàn)富有工業(yè)化建筑特征的多樣化立面效果,如圖13所示。

圖11 標準化戶型圖

圖12 組合樓棟圖

圖13 標準化、多樣化立面效果圖

項目按裝配式建筑標準化、模塊化的設計原則,充分考慮預制構件生產工藝、模板利用,以少規(guī)格、多組合的理念,進行結構組合設計,預制構件僅為56種,種類少、可復制,使預制構件的生產、裝配達到了較高的工業(yè)化水平,有效地降低構件生產成本。項目采用標準化設計生產的預制陽臺、預制飄板、預制樓梯、預制復合內墻、預制剪力墻等預制構件具有一定通用性,不僅可以滿足自身需求,而且可在其它項目中廣泛使用。建設了基于企業(yè)云的裝配式建筑協(xié)同平臺,設定了設計資源標準、設計行為標準和設計交付標準。實現(xiàn)方案設計全員、全專業(yè)、全過程的三全BIM應用。

4 結語

標準化設計是推進裝配式建筑的產業(yè)化發(fā)展的核心和前提,必須通過標準化設計實現(xiàn)標準化生產和標準化裝配。標準化設計中,遵循建筑、結構、機電、裝修一體化和設計、生產、裝配全過程一體化的原則,通過平面標準化、立面標準化、構件標準化、部品部件標準化的設計方法以及BIM技術,并協(xié)同利于工廠規(guī)?；a、利于現(xiàn)場高效化裝配的關鍵技術,形成一系列既滿足功能要求,又符合裝配式建筑要求的多樣化的住宅產品,可促進裝配式建筑品質提升、效益提高和成本節(jié)約等,從而實現(xiàn)工業(yè)化、社會化的大生產。