基于部品庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

■ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心 劉美霞

江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 卞光華 董嘉林

北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 袁泉

裝配式建筑已經(jīng)成為世界各國(guó)建筑業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，同時(shí)也是我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新需求、新動(dòng)力。裝配式建筑的多種優(yōu)勢(shì)符合我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和節(jié)能減排的要求，能有效地解決“粗放”建造方式帶來(lái)的資源、能源過(guò)度消耗和浪費(fèi)，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

裝配式建筑是指用預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應(yīng)用六大特征，裝配式建筑既包含主體結(jié)構(gòu)的裝配化，也包含裝修的裝配化[1]。

專(zhuān)家學(xué)者已對(duì)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)做了一定的研究，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)作為裝配式建筑的首要特征，是裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)及施工的必要前提，具有提高品質(zhì)、縮短工期、提高效益、降低成本等優(yōu)點(diǎn)[2]。文林峰、劉美霞通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)的研究，提出了部品部件標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)解決方案，以實(shí)現(xiàn)裝配式建筑關(guān)鍵部品與裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)的融合和應(yīng)用[3]；李海洋、周建強(qiáng)等提出了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是住宅建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，并從住宅戶(hù)內(nèi)、公共空間以及建筑部品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等方面闡述了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的綜合效益[4]-[5]；王廣明、劉美霞針對(duì)建筑建造過(guò)程中的節(jié)能減排效益進(jìn)行實(shí)證分析研究，從資源能源消耗、建筑垃圾排放、噪音和空氣污染排放等多方面進(jìn)行分析，驗(yàn)證了裝配式建筑具有較大的綜合效益[6]；張穎杰結(jié)合工作實(shí)踐從功能定位、空間組織設(shè)計(jì)及戶(hù)型設(shè)計(jì)三個(gè)方面，對(duì)住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)內(nèi)容、步驟等進(jìn)行了闡述[7]；蔡恩健等從建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中模數(shù)化、精細(xì)化、選擇合適的模塊、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行了研究，給出了常用部品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法[8]。

本文以南京市某裝配式住宅樓項(xiàng)目為例，對(duì)該項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，并總結(jié)由此帶來(lái)的綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，以期為同類(lèi)裝配式建筑項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。

1.項(xiàng)目概況

南京市和燕路560E地塊項(xiàng)目位于南京棲霞區(qū)，用地性質(zhì)為二類(lèi)居住用地，用地面積為52784m2，容積率為1.01～1.6，建設(shè)內(nèi)容為住宅及相關(guān)配套設(shè)施。擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)，全板式布局模式，共有12棟建筑，其中9棟為小高層住宅，總建筑面積為126677m2，其中地上建筑面積為84455m2。該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用裝配式建造方式進(jìn)行優(yōu)化并達(dá)到了以下效果：（1）全裝修住宅交付；（2）使用預(yù)制外墻體，且預(yù)制外墻體的水平截面積超過(guò)相對(duì)應(yīng)地面以上規(guī)劃總建筑面積的2%；（3）預(yù)制裝配率不低于50%。

2.裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的首要特征。該項(xiàng)目在平面設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行模數(shù)化、模塊化等標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化，匯總歸集模塊的類(lèi)型和尺寸，選用標(biāo)準(zhǔn)化部品部件庫(kù)的BIM模型進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，以達(dá)到構(gòu)件重復(fù)使用率高、“少規(guī)格、多組合”的課題示范工程目標(biāo)。

平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

原有建筑方案戶(hù)型種類(lèi)繁多，分為A、B、C、D、E五大類(lèi)主力戶(hù)型，各功能區(qū)尺寸凌亂不一，同時(shí)建筑層數(shù)較低，各種功能區(qū)間尺寸零碎且尺寸梯度不大，不利于發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)。為此，重新以“少規(guī)格、多組合”對(duì)建筑平面進(jìn)行優(yōu)化：一是居住建筑宜選用大開(kāi)間、大進(jìn)深的平面布置，增加建筑布局的靈活性；二是各戶(hù)型中南陽(yáng)臺(tái)較多是鏡像關(guān)系，可考慮調(diào)整為平移復(fù)制關(guān)系；三是建筑樓梯、陽(yáng)臺(tái)、空調(diào)板宜采用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品；四是凸窗有1700mm、1800mm、2000mm、2100mm、2300mm等不同尺寸，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行歸并，同時(shí)凸窗位置可考慮居中布置；五是廚房、衛(wèi)生間存在尺寸規(guī)格、布置相近的情況，可以將其規(guī)格歸并統(tǒng)一；六是提高每一項(xiàng)內(nèi)裝部品部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度。廚房和衛(wèi)生間的平面尺寸滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化整體櫥柜及整體衛(wèi)浴的要求。

圖1 樓梯、電梯的模塊化設(shè)計(jì)

圖2 廚房模塊化設(shè)計(jì)

樓梯和電梯模塊化設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目將部分戶(hù)型的公共樓梯、電梯間采用模塊化設(shè)計(jì)，樓梯間的凈寬為2500mm，長(zhǎng)度為5600mm，如圖1所示。

廚房模塊化設(shè)計(jì)

戶(hù)型A1、B1、C1的廚房采用模塊化設(shè)計(jì)，其開(kāi)間為1950mm，進(jìn)深為3350mm，如圖2所示。

主臥模塊化設(shè)計(jì)

戶(hù)型A1、A2主臥采用模塊化設(shè)計(jì)，模數(shù)為3400mm×3700mm，如圖3所示。

衛(wèi)生間模塊化設(shè)計(jì)

戶(hù)型A1、A2的公共衛(wèi)生間采用模塊化設(shè)計(jì)，模數(shù)尺寸為1500mm×2900mm，如圖4所示。

客廳和陽(yáng)臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)

戶(hù)型A1A2、戶(hù)型C1C2的客廳和陽(yáng)臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，陽(yáng)臺(tái)的面寬為3900mm，外挑尺寸為1800mm；客廳的開(kāi)間為3700mm，如圖5所示。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)對(duì)原建筑方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化后，戶(hù)型種類(lèi)得到合理歸并，構(gòu)件類(lèi)型大為減少，大多數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，從而減少了預(yù)制構(gòu)件的開(kāi)模數(shù)量，降低了PC 構(gòu)件的預(yù)制成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)戶(hù)型如表1所示。

圖3 主臥模塊化設(shè)計(jì)

圖4 衛(wèi)生間模塊化設(shè)計(jì)

圖5 客廳和陽(yáng)臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)

表1 標(biāo)準(zhǔn)化戶(hù)型

3.標(biāo)準(zhǔn)化部品設(shè)計(jì)與部品庫(kù)應(yīng)用

裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化部品部件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其全生命周期，根據(jù)部品部件在建筑物所處功能和要求的不同，遵循受力合理、連接簡(jiǎn)單、施工方便、重復(fù)使用率高、易維護(hù)和更換的原則[9]。標(biāo)準(zhǔn)化部品以實(shí)現(xiàn)集成化功能為特征，進(jìn)行成套供應(yīng)，如預(yù)制整體廚衛(wèi)等。

標(biāo)準(zhǔn)化部品部件設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)化后的建筑方案，設(shè)計(jì)了以下預(yù)制方案：主要預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯、預(yù)制外墻、預(yù)制內(nèi)剪力墻、預(yù)制疊合陽(yáng)臺(tái)、凸窗、女兒墻等；標(biāo)準(zhǔn)層除衛(wèi)生間等降板區(qū)外，采用預(yù)制疊合樓板；標(biāo)準(zhǔn)層采用預(yù)制樓梯；地上3層及以上采用預(yù)制剪力墻。具體采用的預(yù)制構(gòu)件種類(lèi)，見(jiàn)表2。

表2 預(yù)制構(gòu)件種類(lèi)

標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)是采用建筑信息模型BIM手段對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化部品部件數(shù)字化表示的模型集合。課題組通過(guò)使用部品部件分類(lèi)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的部品部件庫(kù)，包括部品部件的規(guī)格、制造商、編號(hào)以及在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中的所有相關(guān)信息，如圖6所示，通過(guò)參數(shù)化查找和設(shè)計(jì)，基于排列組合，以大數(shù)據(jù)作為支撐，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目采用的標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)中的預(yù)制部品部件包括預(yù)制內(nèi)外剪力墻、預(yù)制鋼筋桁架疊合板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制樓梯、預(yù)制女兒墻等。各種構(gòu)件類(lèi)型數(shù)量及尺寸，如表3所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化部品部件庫(kù)

表3 標(biāo)準(zhǔn)化部品部件

標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)模型實(shí)例

該項(xiàng)目采用了大量標(biāo)準(zhǔn)化部品庫(kù)中的模型，主要有：預(yù)制疊合板采用標(biāo)準(zhǔn)化鋼筋桁架疊合板，BIM圖見(jiàn)圖7-1；預(yù)制內(nèi)剪力墻標(biāo)準(zhǔn)化部品BIM圖見(jiàn)圖7-2；帶門(mén)框及窗框的預(yù)制外剪力墻標(biāo)準(zhǔn)化部品BIM圖見(jiàn)圖7-3；預(yù)制飄窗標(biāo)準(zhǔn)化部品BIM圖見(jiàn)圖7-4。

本項(xiàng)目預(yù)制陽(yáng)臺(tái)采用預(yù)制疊合陽(yáng)臺(tái)板，陽(yáng)臺(tái)板連同周?chē)呉煌A(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)連同預(yù)制陽(yáng)臺(tái)隔板共同拼裝成陽(yáng)臺(tái)整體，標(biāo)準(zhǔn)化部品BIM圖見(jiàn)圖7-5所示；標(biāo)準(zhǔn)層樓梯采用預(yù)制混凝土梯段板見(jiàn)圖7-6所示，預(yù)制樓梯安裝時(shí)，梯段直接擱置在樓梯梁挑耳上，一端鉸接一端滑動(dòng)連接，預(yù)制樓梯在工廠制作，采用清水混凝土而無(wú)需再做飾面。

4.工程效益分析

從宏觀層面講，裝配式建筑的推廣應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和低碳的綜合效益。本項(xiàng)目工程效益分析主要從社會(huì)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面進(jìn)行考慮。

社會(huì)效益

該項(xiàng)目中裝配式建造方式的應(yīng)用順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，作為南京市商業(yè)地產(chǎn)的裝配式項(xiàng)目，在社會(huì)上起了很好的示范效應(yīng)，為其后續(xù)項(xiàng)目中裝配式建筑的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。另外，裝配式建造方式的應(yīng)用使現(xiàn)場(chǎng)建筑工人的施工環(huán)境得到了優(yōu)化，減少了招工難度及用工量，工人都是經(jīng)過(guò)考核后培訓(xùn)上崗的專(zhuān)業(yè)技術(shù)工人，從原先的手工勞動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?zhuān)業(yè)機(jī)械化勞動(dòng)，從傳統(tǒng)的農(nóng)民工轉(zhuǎn)型為產(chǎn)業(yè)工人，促進(jìn)了其穩(wěn)定就業(yè)及定居，順應(yīng)了城鎮(zhèn)化發(fā)展的趨勢(shì)。

圖7-1 標(biāo)準(zhǔn)化BIM圖

圖7-2 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制內(nèi)剪力墻BIM圖

圖7-3 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制外剪力墻BIM圖

圖7-4 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制飄窗BIM圖

圖7-5 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制陽(yáng)臺(tái)BIM圖

圖7-6 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制樓梯BIM圖

環(huán)境效益

從環(huán)境角度考慮，本項(xiàng)目采用裝配式建造方式，一方面，節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)用水量。裝配式建筑是在工廠生產(chǎn)PC預(yù)制構(gòu)件，避免了濕作業(yè)，減少了現(xiàn)場(chǎng)混凝土和設(shè)備用水。此外裝配式建筑采用機(jī)械安裝，減少了工人數(shù)量，便于現(xiàn)場(chǎng)管理，同時(shí)也減少了各種生活用水和浪費(fèi)；另一方面，節(jié)省了建材及能源消耗。裝配式建筑是在工廠制造預(yù)制構(gòu)件，對(duì)其生產(chǎn)方式以及使用的材料和產(chǎn)品質(zhì)量都有著嚴(yán)格的控制和管理，相對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆注最大程度上降低了建筑材料的浪費(fèi)及用電量。

經(jīng)濟(jì)效益

以1號(hào)及9號(hào)樓為例，單體建筑應(yīng)用預(yù)制外墻體層數(shù)為地上4～11層。應(yīng)用預(yù)制外墻體截面積共計(jì)為180.58m2（已扣除需要現(xiàn)澆部分，如邊緣構(gòu)件等）。單體地面以上部分總面積為8508.23m2。此單體根據(jù)《南京市關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》[10]，不計(jì)入容積率核算的建筑面積不應(yīng)超過(guò)相對(duì)應(yīng)地面以上規(guī)劃總建筑面積的2%，即8508.23×2%=170.16m2。該項(xiàng)目申請(qǐng)“第二個(gè)”2%獎(jiǎng)勵(lì)“不計(jì)入容積率核算的建筑面積不超過(guò)相對(duì)應(yīng)地面以上規(guī)劃總建筑面積的2%”，即本項(xiàng)目預(yù)制外墻共有170.16m2不計(jì)入外墻面積核算，為甲方爭(zhēng)取了利益最大化，也意味著降低了裝配式建筑的建安成本。該項(xiàng)目構(gòu)件采用部品庫(kù)中的部件，通過(guò)復(fù)雜構(gòu)件模型的下載及應(yīng)用，減小了深化設(shè)計(jì)的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率，通過(guò)模型數(shù)據(jù)參數(shù)化的調(diào)整，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化。

單純的從單方造價(jià)考慮，現(xiàn)階段采用裝配式建造方式會(huì)增加建造成本，其主要原因還是在于建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，采用裝配式建造的建筑尚未形成規(guī)模效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)化部品部件應(yīng)用不足，無(wú)法發(fā)揮工業(yè)化批量生產(chǎn)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。后期隨著建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的逐步完善，通用產(chǎn)品應(yīng)用比例的逐步提高，從而形成規(guī)?；a(chǎn)，必然能夠降低裝配式建筑的建安成本，其綜合效益也將日益突出。

5.結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑具有能夠有效降低現(xiàn)場(chǎng)施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短工期、節(jié)能環(huán)保，提高建筑質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)。本文以南京市裝配式建筑商業(yè)項(xiàng)目為例，通過(guò)建筑平面標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)部品部件標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件的拆分優(yōu)化以及所帶來(lái)的綜合效益等方面，分析研究了標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化設(shè)計(jì)的方法和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)建筑主體、建筑內(nèi)裝及部件部品等相互間的尺寸協(xié)調(diào)，減少了構(gòu)件類(lèi)型，降低開(kāi)模數(shù)量，降低PC 成本，取得了較好的社會(huì)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益，為同類(lèi)裝配式建筑項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了參考。