以裝配率為導向的裝配式建筑方案設計優(yōu)化

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

1 引言

裝配式建筑是由預制部品部件在工地裝配而成的建筑[1]，以系統(tǒng)化、標準化、集成化為特點，并具有生產(chǎn)效率高、受天氣影響小、環(huán)境影響小等優(yōu)點，是我國“十三五”期間大力推廣的建筑形式。迄今為止，國家出臺了一系列相關規(guī)定及措施推進配式建筑的發(fā)展。由于裝配式建筑在設計、部件預制及現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)還存在諸多技術及管理問題，尤其是裝配式建筑的評價指標和方法不統(tǒng)一，規(guī)定差別大、可實施和指導性不強、關鍵技術標準缺乏，阻礙了裝配式建筑發(fā)展[2-3]。2018年2月1日，由住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心會同有關單位編制的國家標準《裝配式建筑評價標準》(以下簡稱《標準》)正式實施。該標準作為國家強制標準，明確了相關概念，制定了統(tǒng)一的評價標準，為裝配式建筑的發(fā)展指明了方向。

裝配式建筑強調(diào)設計、生產(chǎn)、施工、運營維護一體化[4]，設計階段在整個流程中發(fā)揮著核心和統(tǒng)籌作用。規(guī)范規(guī)定了裝配式建筑設計的流程方法及相應的技術標準[5]。目前，裝配式建筑設計的研究主要集中于模塊化設計理念、BIM技術運用、參數(shù)化協(xié)同設計、構建拆分與深化設計[6-12]，以及對于裝配式建筑構件剪力墻、梁、板等單項預制構件的結(jié)構拆分設計的研究[13-16]。以往研究雖然也涉及到裝配率的概念，但不能體現(xiàn)裝配率作為國家標準的強制性和導向性作用。“裝配率”不僅是綜合反映建筑裝配化程度的指標，也是國家依據(jù)此標準作為對裝配式項目實施經(jīng)濟補償?shù)闹匾獦藴?。本文基于BIM技術和參數(shù)化設計理論，將正向設計和逆向設計相結(jié)合，研究以裝配率為導向的裝配式建筑方案設計優(yōu)化。

2 基于《標準》的設計原則和預制構件選擇

2.1 裝配式建筑評價標準

(1)《標準》的內(nèi)涵和外延

《標準》將《工業(yè)化建筑評價標準》中的構件預制率和建筑部品裝配率概念進行整合，將各地區(qū)的預制率、預制裝配率、裝配化率等概念統(tǒng)一為“裝配率”：即單體建筑室外地坪以上的主體結(jié)構、圍護墻和內(nèi)隔墻、裝修和設備管線等采用預制部品部件的綜合比例，并指出裝配率是對單體建筑裝配化程度的綜合評價結(jié)果。《標準》以控制性指標明確了最低準入門檻，以主體結(jié)構、圍護墻和內(nèi)隔墻、裝修和設備管線等指標，確定裝配率和建筑單體的裝配化程度。

《標準》規(guī)定：“建筑裝配率不低于50%、采用全裝修、主體結(jié)構部分的評價分值不低于20分、圍護墻和內(nèi)隔墻部分的評價分值不低于10分”的建筑為裝配式建筑。并且主體結(jié)構豎向構件中預制部品部件的應用比例不低于35%，可進行裝配式建筑等級三級評價(見表1)，該標準不但明確界定了裝配式建筑的內(nèi)涵和外延，也為政府制定獎勵機制提供了彈性范圍。

表1 裝配式建筑等級評價

(2)裝配式建筑的設計程序

裝配式建筑的設計程序分為方案設計、初步設計、施工圖設計3個階段，如圖1所示。

1)方案設計階段主要從戶型設計、標準層設計、確定構件拆分原則以及PC布置方案幾個方面進行。裝配式建筑戶型設計主要采用模塊化的方式，將建筑空間根據(jù)功能分塊，通過模塊組合設計戶型[17]。構件拆分原則見2.2節(jié)，并對其進行PC構件布置。

2)初步設計階段對預制構件類型和尺寸進行合理選擇，以此提升工業(yè)化生產(chǎn)效率。

3)施工圖設計階段主要進行PC構件的深化設計，擴展設計信息，提高設計質(zhì)量。

圖1 裝配式建筑設計程序

(3)預制構件設計優(yōu)先次序

裝配式建筑按結(jié)構類型分為框架結(jié)構、框架-剪力墻結(jié)構、剪力墻結(jié)構、框架-核心筒結(jié)構四種類型，預制部件主要為預制剪力墻、預制外掛墻板、預制柱、預制疊合板、預制梁、預制樓梯和陽臺、空調(diào)板等。鑒于剪力墻結(jié)構在我國的普及性，本文以裝配式剪力墻結(jié)構體系為研究對象，通過對合肥蜀山產(chǎn)業(yè)園公租房等11項代表性裝配式建筑工程的統(tǒng)計分析，得出裝配式建筑剪力墻結(jié)構的外部權重和內(nèi)部權重，以及評級標準規(guī)定的單項構件預制率的最低要求，結(jié)合《標準》評分表，剪力墻結(jié)構預制構件率最低要求和相應權重如表2所示。

表2 剪力墻結(jié)構建筑PC構件權重評分表

由表2中可知，主體結(jié)構部分占比較大，其中梁、疊合板以及預制非承重外圍護墻對裝配率的貢獻程度最高，承重墻次之，其余次要結(jié)構受力構件貢獻率最小。根據(jù)現(xiàn)有的裝配式建筑設計經(jīng)驗，在構件選擇時，除考慮構件占比外，還需結(jié)合預制構架的制作、施工工藝和安裝等特點進行綜合考慮[18]。一般來說，預制構件的選擇順序如圖2所示，此外，通過統(tǒng)計分析，得到不同評價等級對應的構件應用比例(如表3 )，因預制構件中梁、板對裝配率影響最大，所以裝配率的變化主要以調(diào)整梁、板應用比例為主。

圖2 預制構件選擇順序

表3 不同評價等級的構件應用比例

在等級評價過程中，若裝配評價等級要求達到A級及以上，在優(yōu)先選擇PC構件時應同時滿足該構件的最低要求。另外，裝修和設備管線中全裝修為必選項，體現(xiàn)了裝配式建筑采用全裝修的導向。雖然這一整體項占分較低，但從長遠發(fā)展的需求看，在設計時使用主體結(jié)構和裝修、管線全分離形式、裝修全干式工法作業(yè)、集成式裝配廚衛(wèi)等，可以提高施工的精度和質(zhì)量，實現(xiàn)裝修的部品化和產(chǎn)品化，在一定程度上可以提高預制裝配率。

2.2 構件拆分原則

裝配式建筑構件拆分是設計的關鍵環(huán)節(jié)，本文利用Structural Precast for Revit插件對PC構件拆分。Structural Precast for Revit 是Autodesk 2017年發(fā)布的一款插件，主要功能是根據(jù)拆分原則設定的拆分條件分割結(jié)構樓板、基礎底板或者結(jié)構墻體，進行預制構件分塊設計。根據(jù)《預制預應力混凝土裝配式整體式框架結(jié)構技術規(guī)程》JGJ224-2010和相關文獻中的規(guī)定[5,19]，對構件的拆分一般遵循“少規(guī)格、多組合”的原則，具體規(guī)定見表4。此外，設計者還需根據(jù)項目實際情況進行拆分，方便拆分、生產(chǎn)及裝配。

表4 構件拆分原則

(續(xù))

3 基于BIM-Dynamo的參數(shù)化設計

BIM作為我國十三五期間大力推廣的技術，是推廣裝配式建筑有力的工具，可以實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的信息共享和協(xié)同工作，實現(xiàn)項目設計、構件制作、構件安裝及后期運營的集成化管理目標。

3.1 Dynamo平臺

Dynamo是一個運行在Autodesk Vasari和Revit上的開源可視化編程平臺，2017及以上的Revit版本中，Dynamo已經(jīng)成為默認安裝的插件。Dynamo的節(jié)點庫中包含了一系列用于選擇、創(chuàng)建、編輯、查詢Revit中圖元的節(jié)點。 Dynamo深度集成了大量的Revit API命令，可以實現(xiàn)圖形化算法編輯器來訪問Revit數(shù)據(jù)，實現(xiàn)深層次的數(shù)據(jù)信息挖掘。其一方面補充了Revit的功能，可以進行異性復雜形體的創(chuàng)建；另一方面對于流程中機械重復的工作，通過Dynamo程序提升作業(yè)效率，提升設計質(zhì)量和效率[20]。

3.2 基于裝配率的Dynamo參數(shù)化方案優(yōu)選設計流程

根據(jù)2.2節(jié)介紹的拆分原則，預先確定及預制構件，結(jié)合Dynamo參數(shù)化平臺，進行裝配式建筑方案設計?；舅悸肥牵菏紫却_定和選中構件圖元，利用Dynamo提取模型構件參數(shù)信息，然后根據(jù)各評價項應用比例公式對各項評分(評分標準見表1)，利用評分值進行裝配率計算，最后根據(jù)裝配率進行等級評價。若裝配率未達標，可以通過Dynamo中的相關節(jié)點進行交互式設計，快速調(diào)整設計方案，直到裝配率和評級等級達到預期望，具體流程如圖3所示。

圖3 Dynamo參數(shù)化設計流程圖

4 應用實例

4.1 工程概況

本工程為兩層剪力墻結(jié)構住宅，共計4戶，二類建筑，采用65標準化戶型模塊，建筑總面積570.16，共兩層，設計使用年限50年，建筑耐火等級不低于2級，屋面防水等級為2級，耐用年限15年，抗震設計七度設防。采用裝配剪力墻結(jié)構體系，目標裝配率為78%，AA級裝配式建筑,工程全裝修。圖4為本工程的BIM三維圖。

圖4 BIM三維圖

圖5 標準層平面圖

4.2 標準化設計

(1)戶型標準化設計

通過歸納整理住宅戶型設計及組合形式，本文戶型設計主要有35、50、65三種標準化戶型，圖5為基于標準化設計的基本戶型平面布置圖。

(2)預制構件設計原則

本項目結(jié)構設計執(zhí)行《裝配式混凝土結(jié)構技術規(guī)程》JGJ 1-2014相關規(guī)定以及上述的構件拆分原則，其中主體部分結(jié)構采用預制剪力墻、疊合板、預制樓梯等預制部品。

(3)預制構件選擇順序

本項目預制構件選擇順序為樓梯、女兒墻、疊合板、內(nèi)墻、剪力墻。

4.3 裝配率計算及方案優(yōu)選

(1)裝配率計算

利用Structural Precast for Revit插件對Revit模型中的構件進行拆分，拆分界面和拆分部分結(jié)果分別如圖6和圖7所示，當樓梯、內(nèi)墻、剪力墻、疊合板、女兒墻等構件分別采用預制構件的情況下，利用Dynamo通過計算規(guī)則計算預制部品部件的應用比例，其應用比例計算結(jié)果見表6。最后通過編寫python評分公式對相關項評分，得出裝配率為58.8%，程序運行的工作空間如圖8所示。

圖6 Structural Precast for Revit拆分界面

圖7 板、墻拆分示意圖

表6 單體建筑應用比例計算表

圖8 Dynamo程序運行空間

(2)方案優(yōu)化

上文計算出的裝配率未達到目標，通過可滑動節(jié)點Number Slider將裝配率調(diào)整為78%， Dynamo會按照構件權重比例更改構件應用比例，從而根據(jù)應用比例的變化，更改方案設計。項目修改裝配率后，各構件應用比例如表7所示。

同時，在其他預制構件應用比例不變的情況下，分別增加預制梁和預制柱整體裝配率亦會發(fā)生變化，只增加預制梁的情況下，預制梁的應用比例只需7%，就可使裝配率達到78%，而只增加預制柱的情況下，預制柱的應用比例要達到49.5%才能使裝配率達到78%。

表7 修改前后構件的應用比例

5 結(jié)語

以裝配率為目標導向，利用Dynamo參數(shù)化插件和BIM技術對裝配式建筑方案設計，有助于整體設計方案的擬定。在總體設計目標確定的基礎上，依據(jù)現(xiàn)有技術手段和實踐經(jīng)驗，優(yōu)先確定預制構件和拆分設計，在此基礎上進行預制構件的深化設計，是裝配式建筑方案設計的關鍵。本文研究了預制構件拆分原則和優(yōu)選順序，通過參數(shù)化設計實現(xiàn)了裝配率的自動計算和方案優(yōu)選，為裝配式建筑方案設計提供借鑒和指導。