裝配式設(shè)計方法應(yīng)用研究

劉 鴻

（中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665）

1 裝配式設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國建筑行業(yè)高速發(fā)展，裝配式建筑以其優(yōu)點和發(fā)展前景獲得行業(yè)青睞，國家從2013年開始倡導(dǎo)大力發(fā)展工業(yè)化建筑。目前，我國研究和應(yīng)用裝配式建筑的企業(yè)及人員越來越多，裝配式設(shè)計在建筑及結(jié)構(gòu)專業(yè)方面取得不少成績，并完成了很多優(yōu)秀的作品。

以三維模型進(jìn)行方案設(shè)計，并依托三維模型進(jìn)行匯報成為當(dāng)前設(shè)計的主流，行業(yè)內(nèi)較能接受三維模型的方案展示，也方便給行業(yè)外的人員進(jìn)行直觀的溝通和交流，提高溝通效率。而在施工圖設(shè)計階段目前則主要應(yīng)用于管線碰撞，其設(shè)計真正應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工、工廠加工、商務(wù)招采及運營維護(hù)等的案例則較少，尚未完全發(fā)揮裝配式設(shè)計在實際操作中的功能。

2 裝配式設(shè)計行業(yè)現(xiàn)狀原因分析

2.1 人員

完整的裝配式設(shè)計需由各專業(yè)設(shè)計人員把關(guān)和審核規(guī)范、條款方面的內(nèi)容，然后由專門的人員進(jìn)行建模工作，再依據(jù)不同產(chǎn)品的特性進(jìn)行部件分解，最終經(jīng)多方溝通協(xié)調(diào)形成最終圖紙。

根據(jù)裝配式設(shè)計人員要求特點，相關(guān)人員需對各階段的工作內(nèi)容均要有所了解，尤其是對項目負(fù)責(zé)人要求較高，需能統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好各方人員的工作。各專業(yè)設(shè)計人員業(yè)內(nèi)一般是各專業(yè)懂規(guī)范的設(shè)計師，通常除主管方案的設(shè)計師外，其他專業(yè)的設(shè)計師較少具備三維建模及模塊分解能力。專業(yè)設(shè)計人員一般在設(shè)計院，建模人員設(shè)計院和施工單位均有，部件分解人員一般是施工單位和廠家，各方人員在介入項目的時間上存在一定差異，因此，按照現(xiàn)有裝配式設(shè)計模式，在人員方面出現(xiàn)較大困難。

2.2 機械

建筑行業(yè)裝配式構(gòu)件大多尺寸及質(zhì)量較大，其連接節(jié)點在施工時要求精度較高，目前缺乏很好的機械能夠較好地完成此項工作，對這些構(gòu)件的組裝一般還需依托現(xiàn)場人員及機械進(jìn)行配合，這類配合易出現(xiàn)節(jié)點損壞、對接不上等問題。各部件的生產(chǎn)機械也并未大規(guī)模、大范圍普及，行業(yè)內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品大多存在差異，通用性較差。

2.3 技術(shù)

連接節(jié)點處理是當(dāng)前的主要技術(shù)難題。在建筑、結(jié)構(gòu)連接節(jié)點上，如套筒灌漿、等強設(shè)計等的處理尚不成熟；在電氣部分節(jié)點上，連接節(jié)點過多、用電安全、電壓降落等因素也制約著電氣部分的裝配式設(shè)計；在給排水部分，需要焊接的管道如何進(jìn)行預(yù)制，尚無相關(guān)節(jié)點做法；在暖通方面，風(fēng)管連接、焊接管道等都制約該專業(yè)的裝配式設(shè)計等。

目前也尚無有效的工具能夠滿足設(shè)計出圖的需要，無法提供有效、合規(guī)的裝配式設(shè)計施工圖，導(dǎo)致現(xiàn)場及工廠無法進(jìn)行有效的施工和生產(chǎn)，仍需花大量時間和精力進(jìn)行深化和研究。

2.4 環(huán)境

機電部分在常規(guī)住宅、公建等項目中一般資金占比較小，而建筑結(jié)構(gòu)占比較大，且又涉及使用安全，因而目前在建筑結(jié)構(gòu)方面各類研究較多，發(fā)展較快，在機電上則較少，此是導(dǎo)致上述情況的環(huán)境原因之一。

多數(shù)項目存在工期緊張的情況，導(dǎo)致設(shè)計匆忙出圖，圖紙質(zhì)量不佳；現(xiàn)場匆忙施工，施工質(zhì)量不佳；這與裝配式設(shè)計的應(yīng)用背道而馳，無法有效應(yīng)用裝配式設(shè)計與施工。

3 案例分析

3.1 項目概況

某項目總建筑面積193 954.17m2，總投資額為21.85億元，其中地上部分面積為124 782.87m2，地下面積為69 171.30m2，地上部分分為5個區(qū)，分別由不同使用單位使用。建筑外立面為異形多曲面，建筑結(jié)構(gòu)體系為鋼骨混凝土-鋼管混凝土混合框架結(jié)構(gòu)，機電系統(tǒng)繁多，凈高要求較高。

3.2 裝配式設(shè)計方法應(yīng)用

地方住建部門對本項目有裝配式建筑試點的要求，要求項目裝配率不得低于50%，項目股東對本項目有BIM技術(shù)應(yīng)用的要求，應(yīng)用的范圍為全專業(yè)深化設(shè)計及施工指導(dǎo)。因此，項目在裝配式建筑方面考慮鋼結(jié)構(gòu)體系的裝配式設(shè)計制造安裝、制冷機房裝配式設(shè)計制造安裝、管線分離，在建設(shè)初期便選定了BIM單位，定下模型精細(xì)度為LOD400的全專業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)。

1）應(yīng)對人員方面的困難，項目建立了以業(yè)主專業(yè)工程師牽頭，聯(lián)合設(shè)計院、總包、分包、廠家技術(shù)人員的組織架構(gòu)，由業(yè)主單位派專業(yè)工程師，設(shè)計院派負(fù)責(zé)人、總包、分包及廠家派設(shè)計總監(jiān)、技術(shù)人員在現(xiàn)場進(jìn)行會議，同時在線上聯(lián)合各自后臺人員參會，共同推進(jìn)和解決從設(shè)計、深化到分解加工的協(xié)同設(shè)計和一體化設(shè)計。

經(jīng)過多方人員的長期投入，項目形成會議結(jié)束便由設(shè)計院出具對應(yīng)變更，總包與分包出具深化設(shè)計圖紙，工廠即按深化設(shè)計圖紙加工的模式，三方圖紙互相匹配吻合，縮短了出圖周期，提高了出圖質(zhì)量和生產(chǎn)精度。

2）應(yīng)對施工機械困難，主要是依靠現(xiàn)場協(xié)同指揮完成，并未突破現(xiàn)有的機械。

3）應(yīng)對技術(shù)方面的困難，分專業(yè)論述。在鋼結(jié)構(gòu)方面，主要依托設(shè)計院的規(guī)范把關(guān)能力、總包與分包較強的深化設(shè)計能力、施工能力及高精度加工能力完成，其深化設(shè)計圖紙節(jié)點設(shè)計較為精細(xì)。在幕墻方面，由于項目只有少數(shù)幾塊玻璃/GRC板模數(shù)相同，且多曲面異形大面積構(gòu)造，給幕墻設(shè)計和施工帶來較大困難，項目采用的應(yīng)對方式是以Rhino模型建模進(jìn)行深化設(shè)計，拆分模塊后和設(shè)計院共同確認(rèn)，配合完成，然后由工廠生產(chǎn)，幕墻構(gòu)造模型如圖1所示。

圖1 幕墻構(gòu)造模型

在機電及精裝修方面主要是提前進(jìn)行設(shè)計，然后利用BIM模型綜合建筑、結(jié)構(gòu)、機電、精裝修，嚴(yán)格定義各層層高要求，在施工之前與各方開會討論確定各區(qū)域?qū)痈?、主要管線排布等，經(jīng)過總包、分包提資，設(shè)計院確認(rèn)，業(yè)主下發(fā)的流程，要求總包、分包嚴(yán)格根據(jù)模型施工，真正做到了BIM設(shè)計指導(dǎo)施工，也利用裝配式設(shè)計方式，指導(dǎo)了局部機電管線的預(yù)制，并申報兩項工法，分別為管道保溫耐磨抗壓彩色外護(hù)施工工法和抗扭曲變形風(fēng)量可調(diào)節(jié)連接套筒施工工法。其模型如圖2所示，施工效果如圖3所示。

圖2 機電管線模型

圖3 施工效果

4 基于使用功能的裝配式設(shè)計方法設(shè)想

基于對項目案例的總結(jié)，結(jié)合過往工程研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、管理經(jīng)驗，提出裝配式設(shè)計方法的設(shè)想，即裝配式設(shè)計需要基于使用功能而設(shè)置，設(shè)計出來的產(chǎn)品能夠滿足規(guī)范、安全要求的同時，滿足使用功能，并可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化和智能化，具備完整成熟的理論和實現(xiàn)實操應(yīng)用的方法。

4.1 具體設(shè)想

1）標(biāo)準(zhǔn)化 可形成各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和構(gòu)件，在建筑方面也形成對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，如梁、柱、墻板等，并附有配套裝飾、機電管線等，可根據(jù)客戶選定功能，直接由設(shè)計師出圖，只需購買“配件”組裝即可。

2）規(guī)?；?裝配式設(shè)計及應(yīng)用形成一定規(guī)模，從而產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。

3）產(chǎn)業(yè)化 形成相關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，從上游到下游均有各類成熟的工廠配置及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)，大幅提高生產(chǎn)效率。

4）智能化 設(shè)計單位根據(jù)使用單位功能要求可迅速出施工及生產(chǎn)圖紙，而根據(jù)圖紙，廠家可迅速購買或生產(chǎn)對應(yīng)產(chǎn)品，施工單位可熟練操作對應(yīng)機械進(jìn)行組裝。

4.2 實現(xiàn)模式

1）第1個階段 利用現(xiàn)有條件能夠在建筑各專業(yè)、各部位實現(xiàn)模塊化設(shè)計，設(shè)計圖紙能夠滿足工廠生產(chǎn)需要并符合使用功能，能夠在建筑各階段發(fā)揮作用。

2）第2個階段 已初步解決上述人、機、技、環(huán)問題，應(yīng)用較為成熟，已有新生代的設(shè)計師和施工機械，逐步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化。

3）第3個階段 實現(xiàn)智能化，如充分應(yīng)用3D打印技術(shù)，出圖即可打印生產(chǎn)、安裝、維護(hù)等，并向更高、更廣的空間延伸。