建筑工業(yè)化產(chǎn)品的系統(tǒng)論與裝配式住宅設(shè)計(jì)

伍止超 秦姍 劉赫 程鵬

1 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 中國(guó)建設(shè)科技集團(tuán)中央研究院裝配式建筑與百年住宅研究中心

1 基于建筑工業(yè)化產(chǎn)品系統(tǒng)論的建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新的思考

目前我國(guó)正進(jìn)入社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的新階段。裝配式建筑在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了一系列創(chuàng)新性研究和實(shí)踐，但同時(shí)也暴露出對(duì)裝配式建筑基本認(rèn)識(shí)與頂層設(shè)計(jì)較片面、新型建筑設(shè)計(jì)與建造理論方法及其建筑集成體系不完善等一系列問題。就建筑師而言，問題的關(guān)鍵在于對(duì)裝配式建筑設(shè)計(jì)集成思想和方法認(rèn)識(shí)不全面、不系統(tǒng)，從而阻礙了建筑師充分發(fā)揮裝配式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

隨著建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展，其設(shè)計(jì)建造理論體系日趨完善，工業(yè)化產(chǎn)品與建筑、生產(chǎn)和性能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論十分重要，旨在引導(dǎo)創(chuàng)新性策略，解決產(chǎn)品問題?；诮ㄖI(yè)化產(chǎn)品系統(tǒng)論的建筑設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)論合理地運(yùn)用到裝配式建筑設(shè)計(jì)中的新方法，可系統(tǒng)性地解決裝配式建筑設(shè)計(jì)過程中的多樣性問題。在裝配式建筑設(shè)計(jì)過程中合理運(yùn)用建筑工業(yè)化產(chǎn)品系統(tǒng)思維，整合整體與部分之間的聯(lián)系與制約關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)裝配式建筑系統(tǒng)集成建造的最優(yōu)化目標(biāo)。

1.1 建筑工業(yè)化產(chǎn)品的集成化設(shè)計(jì)理念

裝配式建筑以建筑工業(yè)化生產(chǎn)建造為基礎(chǔ)，以建筑產(chǎn)品為最終形態(tài)，需要以產(chǎn)品化思維統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，從產(chǎn)業(yè)整合和技術(shù)集成的角度思考，實(shí)現(xiàn)以用戶體驗(yàn)為中心的高質(zhì)量成品交付。與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)不同，裝配式建筑的功能與形式只是設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，不占據(jù)重要地位，這也決定了裝配式建筑的建設(shè)流程不再以設(shè)計(jì)思維主導(dǎo)，而是以設(shè)計(jì)集成策略主導(dǎo)。設(shè)計(jì)集成中系統(tǒng)性的思考方法十分重要，通常采用一個(gè)開放性的建筑體系，體系內(nèi)部各系統(tǒng)隨設(shè)計(jì)進(jìn)程優(yōu)化、梳理和整合，實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)的升級(jí)。這一過程需要協(xié)同建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備與管線、內(nèi)裝修等專業(yè)，涵蓋建筑設(shè)計(jì)、部件/部品生產(chǎn)運(yùn)輸、裝配施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各個(gè)階段。此外，對(duì)于裝配式建筑集成設(shè)計(jì)來說，技術(shù)集成的支撐作用更為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)伊始就應(yīng)高度重視。

1.2 建筑工業(yè)化產(chǎn)品的生產(chǎn)化設(shè)計(jì)理念

建筑產(chǎn)業(yè)化的核心是工廠化生產(chǎn)，工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還是部品/部件通用性和互換性的關(guān)鍵，而部品/部件的通用可換是保證裝配式建筑長(zhǎng)久居住和綠色可持續(xù)的基礎(chǔ)。模數(shù)和模數(shù)協(xié)調(diào)是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)，貫穿于建造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，沒有模數(shù)和尺寸協(xié)調(diào)就不可能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)工業(yè)化建筑的模數(shù)應(yīng)用主要是確定預(yù)制構(gòu)件的尺寸和定位，以及擴(kuò)大模數(shù)網(wǎng)格對(duì)建筑開間、進(jìn)深、層高等數(shù)值的控制。而新型工業(yè)化建筑的部件種類更多、構(gòu)造復(fù)雜，在設(shè)計(jì)階段就要解決各種部件之間的模數(shù)協(xié)調(diào)關(guān)系。同時(shí)，模塊化的內(nèi)裝、外裝也需要通過模數(shù)協(xié)調(diào)提高建筑綜合品質(zhì)。因此，裝配式建筑的模數(shù)協(xié)調(diào)應(yīng)通過層級(jí)建立，實(shí)現(xiàn)多層次、多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

1.3 建筑工業(yè)化產(chǎn)品的性能化設(shè)計(jì)理念

1 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

2 裝配式混凝土建筑技術(shù)策劃要點(diǎn)

3 裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)流程比較

4 模數(shù)協(xié)調(diào)基本概念關(guān)系

當(dāng)前，我國(guó)大量的住宅設(shè)計(jì)和施工忽略內(nèi)裝部品的后期維護(hù)和檢修更換問題，家庭全生命周期的適應(yīng)性更是無從談起。裝配式建筑注重家庭生命周期的適應(yīng)性，考慮到居住家庭在五個(gè)階段的不同特征，滿足居住者對(duì)使用空間的改造和功能布局的變動(dòng)，在設(shè)計(jì)之初就將部件/部品的維修與更換方法根植于心。

2 裝配式建筑的設(shè)計(jì)方法與策略

2.1 建筑集成化設(shè)計(jì)

2.1.1 協(xié)同設(shè)計(jì)

協(xié)同設(shè)計(jì)有多種方法，可以通過協(xié)同工作軟件和互聯(lián)網(wǎng)等手段提高協(xié)同的效率和質(zhì)量，如運(yùn)用BIM技術(shù)，從項(xiàng)目技術(shù)策劃階段開始，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)，保證建筑信息在全過程的有效銜接。

2.1.2 體系集成設(shè)計(jì)

體系集成主要解決裝配式建筑部品生產(chǎn)、施工安裝等全過程實(shí)施的系統(tǒng)性問題，通常采用建筑通用體系來整合設(shè)計(jì)與集成技術(shù)，通過各階段的設(shè)計(jì)協(xié)同，保證設(shè)計(jì)和施工相互銜接，保障建筑的性能與品質(zhì)。SI建筑的體系集成基于長(zhǎng)壽化可持續(xù)建設(shè)設(shè)計(jì)方法，在全生命期內(nèi)提升建筑的資產(chǎn)價(jià)值和使用價(jià)值，是今后集成設(shè)計(jì)的重要方向。

2.1.3 技術(shù)集成設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)集成的系統(tǒng)性策略和開放性體系落實(shí)到實(shí)踐中，都需要轉(zhuǎn)化為對(duì)技術(shù)集成的創(chuàng)造和應(yīng)用，利用創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)綜合解決設(shè)計(jì)問題。比如，裝配式內(nèi)裝以工業(yè)化生產(chǎn)方式為基礎(chǔ)，采用工廠制造的內(nèi)裝部品，部品安裝采用干式工法與施工工藝，其技術(shù)集成的作業(yè)場(chǎng)沒有泥沙塵埃，既干凈又獨(dú)立。整體工作環(huán)境得到改善，可大力提升建筑產(chǎn)品的工程質(zhì)量與品質(zhì)。

2.2 建筑流程化設(shè)計(jì)

2.2.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與裝配式建筑設(shè)計(jì)流程對(duì)比

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)流程主要分為方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段，裝配式建筑設(shè)計(jì)增加了技術(shù)策劃和部件/部品深化設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)。技術(shù)策劃是整個(gè)裝配式建筑的核心，是產(chǎn)品化思維控制的重點(diǎn)，可以統(tǒng)籌規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)、部件/部品生產(chǎn)運(yùn)輸、施工安裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等環(huán)節(jié)，保證裝配式建造順利實(shí)施。而部件/部品深化設(shè)計(jì)是裝配式建筑設(shè)計(jì)流程的特色環(huán)節(jié)，也是裝配式建筑產(chǎn)品實(shí)施的基本點(diǎn)。

2.2.2 裝配式建筑設(shè)計(jì)流程的基本階段

裝配式建筑設(shè)計(jì)流程分為五個(gè)階段：1）技術(shù)策劃階段是對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)選型與技術(shù)研發(fā)的合理性、經(jīng)濟(jì)性與施工安裝可行性進(jìn)行分析評(píng)估，從而選定執(zhí)行方案。技術(shù)策劃要考慮到項(xiàng)目定位、建設(shè)規(guī)模、裝配化目標(biāo)、成本限額以及各種外部因素，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)原則制定合理的建設(shè)方案，為后續(xù)階段提供設(shè)計(jì)依據(jù)。2）方案設(shè)計(jì)階段是根據(jù)技術(shù)條件與目標(biāo)，秉承標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，采用系統(tǒng)集成的方法。在建筑方案之初，就應(yīng)在各個(gè)環(huán)節(jié)中充分考慮裝配式建筑與傳統(tǒng)項(xiàng)目的差異性，協(xié)同結(jié)構(gòu)、設(shè)備和內(nèi)裝等專業(yè)，與建設(shè)方共同完成方案設(shè)計(jì)。3）初步設(shè)計(jì)階段是在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上深化解決總圖、建筑功能、四大系統(tǒng)之間的集成技術(shù)問題，加強(qiáng)各專業(yè)之間的配合度。4）施工圖設(shè)計(jì)階段是增加裝配式建筑設(shè)計(jì)專篇，包括技術(shù)體系、部品/部件應(yīng)用部位、一體化設(shè)計(jì)情況、保溫技術(shù)選用、BIM技術(shù)應(yīng)用等，所有部品/部件連接節(jié)點(diǎn)與接口大樣圖應(yīng)詳細(xì)標(biāo)注構(gòu)件安裝的細(xì)部要求和尺寸。5）部品/部件深化設(shè)計(jì)階段是對(duì)部品/部件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

2.3 建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)

2.3.1 模數(shù)協(xié)調(diào)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)是建立一套適應(yīng)性的模數(shù)與模數(shù)協(xié)調(diào)原則，通過協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)部件、外圍護(hù)部品、內(nèi)裝部品、設(shè)備與管線部品之間的模數(shù)關(guān)系，優(yōu)化部品/部件的尺寸，保證其標(biāo)準(zhǔn)化，滿足通用性與互換性的要求，并通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)部品/部件的組合與互換，從而進(jìn)行大規(guī)模的工廠化生產(chǎn)。

2.3.2 模數(shù)網(wǎng)格

5 支撐體空間網(wǎng)格

6 單元空間網(wǎng)格

7 內(nèi)裝及外裝部品的平面網(wǎng)格

8 模塊組合與住棟可變平面

9，10 外圍護(hù)系統(tǒng)（北京實(shí)創(chuàng)青棠灣公租房項(xiàng)目）

在裝配式建筑模數(shù)協(xié)調(diào)體系中，有三個(gè)體系的模數(shù)網(wǎng)格：1）支撐體空間網(wǎng)格，當(dāng)把建筑看作三維坐標(biāo)空間中三個(gè)方向均為模數(shù)尺寸的模數(shù)空間網(wǎng)格，這一空間網(wǎng)格在新型工業(yè)化建筑中可被設(shè)定為模數(shù)協(xié)調(diào)體系的第一層級(jí)；2）單元空間網(wǎng)格，支撐體空間網(wǎng)格可以分解為數(shù)個(gè)獨(dú)立的單元，這些單元可被設(shè)定為模數(shù)協(xié)調(diào)體系的第二層級(jí)；3）內(nèi)裝及外裝部品的平面網(wǎng)格，新型工業(yè)化建筑需要在支撐體最外層的框架上裝配外裝部件，形成建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而在單元空間內(nèi)部，內(nèi)裝部品需裝配于各空間界面。安裝內(nèi)裝或外裝部件都需要在相應(yīng)的二維模數(shù)網(wǎng)格中進(jìn)行，這些二維模數(shù)網(wǎng)格可被設(shè)定為模數(shù)協(xié)調(diào)體系的第三層級(jí)。

2.4 建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.4.1 建筑模塊化與系列化

對(duì)于裝配式建筑而言，根據(jù)不同的功能空間，可以將建筑劃分為不同的空間單元，將相同屬性的空間單元按照一定的邏輯組合在一起，就形成了建筑模塊；單個(gè)模塊或多個(gè)模塊再經(jīng)過組合，就構(gòu)成了完整的建筑。模塊和模塊組合的設(shè)計(jì)方法將標(biāo)準(zhǔn)化與多樣化巧妙結(jié)合并協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，滿足使用者多樣化的需求。

2.4.2 平/立面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)首先要減少平面的凸凹變化，避免不規(guī)則和不均勻布局，使平面規(guī)整；其次要盡可能采用大開間、大進(jìn)深的布置方式，提高空間的靈活性、可變性；最后可以發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化模塊的多樣性，進(jìn)行多樣的組合設(shè)計(jì)。裝配式建筑立面標(biāo)準(zhǔn)化則是在平面標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，將建筑外圍護(hù)系統(tǒng)中重要的組成要素標(biāo)準(zhǔn)化，主要涉及外墻板、門窗構(gòu)件、陽臺(tái)和空調(diào)板等。

2.5 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

2.5.1 建筑結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

裝配式建筑結(jié)構(gòu)主要有裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系和裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系兩種，設(shè)計(jì)過程包括結(jié)構(gòu)體系選型、構(gòu)件及其連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和成套施工技術(shù)設(shè)計(jì)（包括安裝工藝和工序、配套設(shè)備設(shè)施和機(jī)具、質(zhì)量控制措施、檢驗(yàn)驗(yàn)收方法等）。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括平面、層高、墻板、樓蓋、樓梯、地下室等。

2.5.2 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

外圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)化與模數(shù)協(xié)調(diào)的要求，在遵循模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化原則的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持“少規(guī)格多組合”，實(shí)現(xiàn)立面形式的多樣化。選用在工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化系列部品，對(duì)外墻板、外門窗、幕墻、陽臺(tái)板、空調(diào)板及遮陽部件等進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，使其成為具有裝飾、保溫、防水、采光等功能的集成式單元墻體。

2.5.3 設(shè)備及管線的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

設(shè)備與管線系統(tǒng)應(yīng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)先選用符合模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化部品，與結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、內(nèi)裝系統(tǒng)以及部品/部件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等各環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)遵從設(shè)備管線與主體結(jié)構(gòu)相分離的原則，管線設(shè)置在架空層或吊頂內(nèi)。管線綜合設(shè)計(jì)時(shí)，注重部品的通用性和互換性，盡量與建筑空間模數(shù)相協(xié)調(diào)。

2.6 部品化設(shè)計(jì)

2.6.1 部品標(biāo)準(zhǔn)化與接口標(biāo)準(zhǔn)化

11 輕鋼龍骨墻管線敷設(shè)示意圖

12 裝配式樓地面節(jié)點(diǎn)示意圖

13 裝配式住宅建筑分離體系

14 空間靈活可變

內(nèi)裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、通用化的要求，使其系列化和多樣化。在建筑設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌下，與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備與管線系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，綜合考慮與相關(guān)專業(yè)的協(xié)同關(guān)系并采用一體化裝修。裝配式內(nèi)裝修技術(shù)主要包括項(xiàng)目定位、成本目標(biāo)、技術(shù)和部品配置、部品/部件供應(yīng)、施工安裝組織等。內(nèi)裝設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模數(shù)協(xié)調(diào)的原則，設(shè)置模數(shù)網(wǎng)、采用界面定位法和標(biāo)準(zhǔn)化接口。節(jié)點(diǎn)接口的性能、形式和尺寸是標(biāo)準(zhǔn)化接口的三要素，彼此之間相互影響、相互制約。部品的選型作為非常重要的環(huán)節(jié)，需要在圖紙深化設(shè)計(jì)之前進(jìn)行，并在設(shè)計(jì)中與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和外圍護(hù)系統(tǒng)配合，明確構(gòu)件的開洞尺寸及定位。

2.6.2 部品集成化與模塊化

集成化部品主要包括裝配式墻面與隔墻、裝配式吊頂、裝配式樓地面，設(shè)計(jì)的核心在于解決其構(gòu)造問題并處理好架空層與其他系統(tǒng)的關(guān)系，特別是設(shè)備管線之間的關(guān)系。模塊化部品主要包括整體衛(wèi)浴、集成廚房和系統(tǒng)收納，三者都需要精細(xì)化的設(shè)計(jì)，特別是整體衛(wèi)浴的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化和整體廚房的管線、設(shè)備集成等。

2.7 可持續(xù)化設(shè)計(jì)

2.7.1 建筑長(zhǎng)壽化

建筑體系是實(shí)現(xiàn)建筑長(zhǎng)壽化的基礎(chǔ)，SI體系在提高建筑支撐體的物理耐久性、延長(zhǎng)建筑壽命的同時(shí)，通過建筑支撐體和建筑填充體的分離來提升建筑性能，提高建筑全生命期內(nèi)的綜合價(jià)值。若要建筑長(zhǎng)壽化，其內(nèi)裝系統(tǒng)和設(shè)備管線則應(yīng)具有耐久性，還要易于維修和更換。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1）分類集中設(shè)置；2）位置隱藏設(shè)置；3）設(shè)備接口充分性設(shè)置。

2.7.2 建筑全生命期適應(yīng)性與靈活性

采用大空間結(jié)構(gòu)體系和可實(shí)現(xiàn)空間靈活分割的輕質(zhì)隔墻體系，可以適應(yīng)未來空間的改造和功能布局。靈活性與適應(yīng)性主要體現(xiàn)在空間的自由可變和管線設(shè)備的可維修更換層面，表現(xiàn)為可進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)的套型平面、設(shè)備的自由選擇、輕質(zhì)隔墻與家具、設(shè)備管線易維護(hù)更新等。

2.7.3 建筑全生命期的耐久性和維修維護(hù)性

在一定程度上，建筑耐久性等同于結(jié)構(gòu)耐久性。對(duì)于裝配式建筑而言，耐久性在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)四個(gè)方面均有體現(xiàn)，不再局限于對(duì)結(jié)構(gòu)主體的判斷。裝配式住宅建筑的部品連接與設(shè)計(jì)可根據(jù)部品使用年限和權(quán)屬進(jìn)行分類，并遵循以下原則：1）應(yīng)以使用年限較短部品的維修和更換、不破壞使用年限較長(zhǎng)部品為原則；2）應(yīng)以住戶專用部品的維修與更換、不影響共用部品為原則；3）應(yīng)以住戶專用部品的維修和更換、不影響其他住戶為原則。

3 結(jié)語

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與生產(chǎn)建造方式升級(jí)轉(zhuǎn)型涉及理念的轉(zhuǎn)變、模式的轉(zhuǎn)型和路徑的創(chuàng)新，在裝配式建筑的集成設(shè)計(jì)工作中，建筑師應(yīng)該創(chuàng)新思路，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段整體考慮預(yù)制與建造裝配等環(huán)節(jié)的技術(shù)措施；在方案設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌集成化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化與系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并在可持續(xù)設(shè)計(jì)方面充分考慮建筑長(zhǎng)壽化設(shè)計(jì)方案。將建設(shè)全過程的策劃設(shè)計(jì)、工廠生產(chǎn)和裝配建造等環(huán)節(jié)打造為一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建造全產(chǎn)業(yè)鏈的整合，推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，促進(jìn)生產(chǎn)建造方式升級(jí)轉(zhuǎn)型，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展助力。

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