裝配式建筑設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計流程及方法

朱雅卉

（太原市建筑設(shè)計研究院， 山西 太原 030002）

過去十幾年是我國裝配式建筑行業(yè)的快速發(fā)展階段， 裝配式建筑獲得了行業(yè)的一致認(rèn)可， 其應(yīng)用范圍也在不斷拓展。 我國對裝配式建筑的發(fā)展極為重視，并且在2015 年推出了 《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》， 促進了裝配式建筑行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。 這一標(biāo)準(zhǔn)也對相關(guān)企業(yè)提出了更高要求， 相關(guān)企業(yè)應(yīng)在全面了解裝配式建筑基礎(chǔ)上， 持續(xù)開展對各個環(huán)節(jié)的優(yōu)化， 以此進一步推動裝配式行業(yè)的發(fā)展。

但當(dāng)前很多因素都在制約著裝配式建筑行業(yè)的進一步發(fā)展， 而且行業(yè)競爭壓力也在不斷提升， 企業(yè)在這樣背景下應(yīng)積極采用更為有效的發(fā)展策略。 對此，筆者覺得相關(guān)企業(yè)應(yīng)從裝配式建筑的設(shè)計入手， 通過不斷優(yōu)化設(shè)計流程、 加強對各種現(xiàn)代科技手段的應(yīng)用促進產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新， 真正做到提升裝配式建筑的質(zhì)量、 效率， 并將節(jié)能環(huán)保理念充分落實， 以此才能推動裝配式建筑的進一步發(fā)展， 同時也促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 裝配式建筑概述

所謂裝配式建筑指的就是在工廠預(yù)制建筑構(gòu)件，比如柱、 梁、 內(nèi)外墻、 空調(diào)板等， 然后將預(yù)制構(gòu)件運至施工現(xiàn)場并進行組裝。 裝配式建筑可分為多種類型， 比如高層、 多層和低層混凝土裝配式建筑， 剪力墻、 框架核心筒、 框架 -剪力墻結(jié)構(gòu)的裝配式建筑等。 當(dāng)前我國的裝配式建筑應(yīng)用較為廣泛， 剪力墻結(jié)構(gòu)主要用于住宅建筑， 框架結(jié)構(gòu)通常用于商場或者廠房的建設(shè)中。

裝配式建筑的優(yōu)勢有以下幾個方面。 第一， 建筑質(zhì)量有保障。 裝配式建筑的各種預(yù)制構(gòu)件都是按照標(biāo)準(zhǔn)模板以及規(guī)格提前制作完畢的， 只需要將構(gòu)件運至現(xiàn)場對應(yīng)安裝， 而無需在現(xiàn)場環(huán)境中進行構(gòu)件施工，在制作各種預(yù)制構(gòu)件時可有效控制環(huán)境因素影響， 更減少了很多中間環(huán)節(jié)。 第二， 有利于節(jié)能環(huán)保理念的落實。 裝配式建筑的循環(huán)經(jīng)濟特點十分明顯， 這是因為很多在裝配式建筑中的材料都可以循環(huán)應(yīng)用， 如鋼模板， 這樣就不需要在鋼模板的施工上投入過多資源， 由于構(gòu)件需要在工廠中提前制作， 不需要在施工現(xiàn)場使用過多的機械設(shè)備和各種材料， 可明顯減輕對周圍環(huán)境的影響。 第三， 安全隱患明顯降低。 在傳統(tǒng)建筑模式中， 高空作業(yè)、 露天作業(yè)等非常普遍， 因此安全隱患也比較多， 而在裝配式建筑施工中， 將預(yù)制構(gòu)件運到施工現(xiàn)場以后， 可直接吊裝、 組裝， 整個過程由專業(yè)團隊來完成， 這種方式施工周期短， 操作面小， 可實現(xiàn)對安全隱患的有效控制。 第四， 促進施工效率的顯著提升。 構(gòu)件的施工、 成型在整個建筑工程當(dāng)中是占用時間最長的環(huán)節(jié)， 在施工中還需要考慮安全、 成本等多項內(nèi)容， 不利于提升施工效率。 而裝配式建筑的構(gòu)件已經(jīng)提前制作完成， 在現(xiàn)場只需要按照標(biāo)準(zhǔn)流程進行安裝， 現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)明顯縮減， 極大提升了施工效率。 標(biāo)準(zhǔn)化、 模數(shù)化、 集成化、 少規(guī)格多組合是裝配式設(shè)計的基本原則。

2 裝配式建筑設(shè)計流程優(yōu)化

2.1 工程簡介

以某小區(qū)為例， 本裝配式建筑工程項目為居民小區(qū)建筑， 項目總建筑面積 221773.33m， 共有8 個住宅單體， 裝配式建筑實施面積179565.24m。 本項目各樓座全部采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)， 單體的結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。 按照2020 年4 月13 日市住建局頒布《關(guān)于進一步加強大原市裝配式建筑工作的通知》 (并住建字 (2020) 82 號)， 山西省 《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》 (DBJ04/T396—2019) 進行評價。 本項目豎向構(gòu)件應(yīng)用高精度鋁模， 樓板采用裝配式疊合板，

預(yù)制疊合樓板由鋼筋、 鋼筋桁架和混凝土組成，其中預(yù)制層60mm厚的鋼筋混凝土地和樓板， 安裝完成后綁扎上鐵鋼筋， 再澆注現(xiàn)澆混凝土。 地和樓板采用國際圖集 《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造》 (樓蓋和樓梯) (15G310 -1) 推薦的連接方式。

圍護墻和內(nèi)隔墻采用ALC條板， ALC條板是以粉煤灰 (或硅砂)、 水泥、 石灰等為主原料， 內(nèi)含經(jīng)過處理的增強鋼筋、 經(jīng)過高壓蒸汽養(yǎng)護而成的多氣孔混凝土成型板材， 是一種性能優(yōu)越的新型建筑材料，具有高強輕質(zhì)、 保溫隔熱、 阻燃耐火、 吸聲隔音、 施工便捷、 經(jīng)濟節(jié)約等優(yōu)點。 以2 號樓為例， 裝配率統(tǒng)計如表1。

表1 裝配率統(tǒng)計表

在設(shè)計施工方案時， 由于需要和業(yè)主進行反復(fù)核對， 導(dǎo)致方案被多次修改， 在施工圖紙和設(shè)計中由于多次修改施工方案， 因此施工圖紙也隨著方案多次修改， 令施工圖紙出現(xiàn)了很多問題。 在拆分設(shè)計階段，更要求相關(guān)人員結(jié)合生產(chǎn)制造、 施工工藝等進行拆分設(shè)計， 否則會導(dǎo)致返工、 構(gòu)件報廢等情況出現(xiàn)， 設(shè)計竣工圖紙時由于前幾個階段的設(shè)計中浪費了大量時間， 不僅造成了施工延誤， 而且極大增加了竣工圖紙的設(shè)計難度和工作量。 結(jié)合該工程在設(shè)計階段出現(xiàn)的各種問題， 應(yīng)分別從相應(yīng)設(shè)計階段角度入手開展優(yōu)化。

2.2 方案設(shè)計的優(yōu)化

方案設(shè)計對整個工程的進度、 質(zhì)量、 成本控制等都具有直接影響， 因此在裝配式建筑的設(shè)計階段必須提高重視， 一方面保證整個工程的順利進行， 另一方面也為后續(xù)的施工提供準(zhǔn)確參考。

因此在方案設(shè)計中需要采用標(biāo)準(zhǔn)的流程， 從方案設(shè)計任務(wù)開始， 依次執(zhí)行總平面規(guī)劃布局、 主體設(shè)計、 能源利用方案等， 這是一種串行方式的方案設(shè)計流程， 同時還可以采取并行方式對方案中的各項任務(wù)做進一步優(yōu)化， 即同時在方案中明確各任務(wù)之間的關(guān)系， 這種方案設(shè)計方式的優(yōu)勢是可以縮減設(shè)計時間，將一些可以同時開展的工序流程集中到一起， 這樣在后續(xù)真正開始施工時就可以有效縮短施工進度。 這種設(shè)計施工方案的流程是先輸入設(shè)計任務(wù)， 然后規(guī)劃平面布局并進行主體設(shè)計， 在平面布局和主體設(shè)計中，可同時分析能源利用方案， 最后再輸出方案。 并行方案提前了能源分析環(huán)節(jié)， 通過能源設(shè)計可以為平面布局以及主體設(shè)計的提供準(zhǔn)確參考， 讓主體設(shè)計和平面布局更加合理。 相關(guān)企業(yè)在具體的方案設(shè)計中可以同時采用串行和并行的方案設(shè)計方式， 然后結(jié)合工期要求擇優(yōu)選用。

2.3 施工圖紙設(shè)計的優(yōu)化

在整個裝配式建筑的設(shè)計周期中， 施工圖紙是占用時間最長的一個環(huán)節(jié)， 在這一環(huán)節(jié)中需要所有專業(yè)的設(shè)計人員共同參與， 保證圖紙設(shè)計的合理性、 經(jīng)濟性。 圖紙設(shè)計環(huán)節(jié)擁有較多的內(nèi)部任務(wù)， 各任務(wù)之間存在著交叉關(guān)系， 傳統(tǒng)施工圖設(shè)計中采用的是串行的設(shè)計模式， 即各專業(yè)依次進行每一個圖紙的設(shè)計步驟， 比如設(shè)計設(shè)備施工圖紙前， 一般已完成建筑設(shè)計圖紙和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙， 設(shè)備施工圖紙設(shè)計完成后，再向建筑設(shè)計專業(yè)反向提出條件。 因本項目采用的結(jié)構(gòu)形式為剪力墻， 要求建設(shè)工期短， 因此如果采用串行的方式設(shè)計施工圖紙， 可能出現(xiàn)設(shè)計用時較長， 從而延誤工期， 而且在上一設(shè)計環(huán)節(jié)存在的問題如果沒有及時發(fā)現(xiàn)， 就很容易導(dǎo)致下一階段的設(shè)計也會出現(xiàn)問題， 這種問題將導(dǎo)致施工無法順利進行。 比如在剪力墻的施工中， 如果在施工過程中發(fā)現(xiàn)門洞口無法通過設(shè)備， 那么就不能順利完成結(jié)構(gòu)安裝， 需要擴大門洞口， 但擴大洞口會令后續(xù)的一系列結(jié)構(gòu)尺寸都需要隨之調(diào)整。 因此此次在施工圖紙的設(shè)計中應(yīng)采用了并行方式， 即利用協(xié)同技術(shù)實現(xiàn)各專業(yè)同時對圖紙進行綜合分析， 從而及時發(fā)現(xiàn)圖紙中的不合理之處， 并進行整改。 這樣所有和圖紙設(shè)計有關(guān)的人員都能夠有效配合， 一方面可顯著縮減圖紙設(shè)計時間， 另一方面也避免了因為圖紙設(shè)計失誤而導(dǎo)致施工中出現(xiàn)臨時整改的情況。

2.4 構(gòu)件拆分設(shè)計的優(yōu)化

有效的構(gòu)件拆分設(shè)計， 可以提升構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量和安裝質(zhì)量， 如果構(gòu)件拆分設(shè)計不夠合理， 不僅會導(dǎo)致構(gòu)件生產(chǎn)過程中的廢件率顯著提升， 而且即使能夠完成構(gòu)件的生產(chǎn)也無法在現(xiàn)場順利安裝。 該工程項目的設(shè)計人員在構(gòu)件拆分設(shè)計階段所采用的方式依然為串行模式， 在這種模式下， 構(gòu)件生產(chǎn)的排布作業(yè)模型、拆分設(shè)計、 構(gòu)件尺寸大小、 連接工藝等完全依次進行， 每個環(huán)節(jié)之間幾乎沒有任何聯(lián)系， 這就很容易導(dǎo)致如果上一個環(huán)節(jié)的設(shè)計出現(xiàn)了問題， 只有在開始下一個環(huán)節(jié)時才能發(fā)現(xiàn)， 一旦設(shè)計結(jié)果無法滿足實際要求， 那么必然會出現(xiàn)設(shè)計失誤， 導(dǎo)致整個構(gòu)件制作無法順利開展， 也無法在現(xiàn)場有效安裝， 進而導(dǎo)致施工延誤， 并降低整個工程的質(zhì)量。 另外構(gòu)件的制作、運輸、 安裝等都涉及到了成本問題， 因此如果拆分設(shè)計不合理， 那么必然會造成成本浪費， 因此應(yīng)在傳統(tǒng)的設(shè)計模式基礎(chǔ)上做進一步優(yōu)化， 優(yōu)化之后將拆分設(shè)計模式變?yōu)橛啥鄠€人員共同開展的并行模式， 這種模式的優(yōu)勢是一方面可以加快設(shè)計進度， 而且通過多個人員的共同分析， 能夠在設(shè)計過程中及時發(fā)現(xiàn)不合理之處并及時整改。 比如在該裝配式建筑工程的拆分設(shè)計中， 可以同時使用兩名設(shè)計人員， 在設(shè)計過程中先輸入施工圖紙， 接下來同時開展優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)模型和拆分專業(yè)模型的設(shè)計， 完成以后再設(shè)計各構(gòu)件的尺寸和連接方式， 最后再輸出構(gòu)件拆分設(shè)計圖紙。

2.5 竣工圖紙設(shè)計的優(yōu)化

結(jié)合前文的分析可以得知， 本次對裝配式建筑設(shè)計流程優(yōu)化的分析都采用了并行設(shè)計理念， 在這一理念下， 上一階段設(shè)計和下一階段設(shè)計可充分關(guān)聯(lián)， 既保證了整個工程的順利開展， 又能夠避免因為上一階段設(shè)計出現(xiàn)失誤， 而導(dǎo)致下一階段設(shè)計無法順利完成的情況。 設(shè)計過程中可通過CAD繪制圖紙， 然后通過協(xié)同技術(shù)平臺對整個工程進行闡述和分析， 然后通過操作修改圖紙中的相關(guān)數(shù)據(jù)等對設(shè)計加以優(yōu)化， 以此可以給出最科學(xué)、 合理的設(shè)計方案。

另外在施工過程中， 也可以通過同步修改BIM模型保證工程的順利進行， 這樣工程完成的同時即可生成竣工模型， 接下來相關(guān)人員再結(jié)合實際情況對竣工圖紙加以合理調(diào)整， 這樣整個竣工圖紙的設(shè)計就不需要消耗過多時間， 再一次縮短了工期。 根據(jù)表2 給出了結(jié)果可以得知， 原本的規(guī)劃中方案、 施工圖紙、構(gòu)建拆分、 竣工設(shè)計等都和實際完成時間有較大的差距， 而且不能保證質(zhì)量， 而優(yōu)化之后的流程明顯改善了這種情況， 實際完成設(shè)計的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計劃時間， 真正達到了縮短施工周期和提升施工質(zhì)量的目的。

表2 優(yōu)化流程對比 (天)

3 設(shè)計流程優(yōu)化的反思

在整個裝配式建筑設(shè)計流程的優(yōu)化中， 除了改變設(shè)計方式， 同時還應(yīng)用了現(xiàn)代信息技術(shù)手段， 比如協(xié)同技術(shù)平臺設(shè)計， 從而提升設(shè)計的有效性， 對此相關(guān)企業(yè)開展裝配式建筑設(shè)計和施工過程中應(yīng)充分做到以下幾點。 第一， 構(gòu)建信息管理平臺。 通過這一平臺充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)， 然后在現(xiàn)在信息技術(shù)的幫助下要開展設(shè)計， 并實現(xiàn)對設(shè)計的優(yōu)化， 而且企業(yè)可以在平臺上建立關(guān)于裝配式建筑設(shè)計的數(shù)據(jù)庫， 這樣后續(xù)再次開展相應(yīng)設(shè)計時可以將數(shù)據(jù)庫作為參考。 第二，應(yīng)促進企業(yè)內(nèi)部各部門之間的信息共享。 開展裝配式建筑施工應(yīng)將構(gòu)件制作、 運輸、 安裝等各個環(huán)節(jié)充分關(guān)聯(lián)， 保證各個環(huán)節(jié)之間順暢運行， 另外設(shè)計環(huán)節(jié)和施工環(huán)節(jié)也要充分關(guān)聯(lián)， 這要求企業(yè)應(yīng)促進內(nèi)部的信息共享， 實現(xiàn)設(shè)計信息在內(nèi)部的順暢流通， 這樣各部門以及設(shè)計、 施工等都可以通過參考相應(yīng)信息而促進工程的順利開展。 第三， 應(yīng)針對裝配式建筑設(shè)計流程建立一個標(biāo)準(zhǔn)框架， 然后對框架進行動態(tài)優(yōu)化， 這樣就后續(xù)開展設(shè)計工作時也可以充分利用這一框架， 保證設(shè)計的有效進行， 從而提升整個工程的質(zhì)量。 第四， 做好內(nèi)部人員培訓(xùn)。 導(dǎo)致裝配式建筑設(shè)計出現(xiàn)不合理之處的主要原因是， 相關(guān)人員的專業(yè)能力尚不能充分滿足這項工作的要求， 因此相關(guān)企業(yè)應(yīng)積極開展內(nèi)部人員培訓(xùn)， 鼓勵設(shè)計人員學(xué)習(xí)新的理念和技術(shù)，令其能夠全面看待裝配式建筑設(shè)計， 保證所有設(shè)計環(huán)節(jié)之間的順暢連接， 從而促進設(shè)計有效性的不斷提升。 第五， 明確裝配式建筑的設(shè)計要點。 在裝配式建筑設(shè)計中， 包含方案、 圖紙、 構(gòu)件拆分、 竣工圖等多個環(huán)節(jié)， 每一個環(huán)節(jié)對整個工程的進度、 成本控制以及質(zhì)量等都具有直接影響， 因此企業(yè)開展裝配式建筑設(shè)計過程中應(yīng)明確相關(guān)要點， 真正做到細(xì)化所有設(shè)計環(huán)節(jié)， 從而提升施工質(zhì)量和效率， 并有效控制成本投入。

4 結(jié)語

綜上所述， 近年來我國的裝配式建筑行業(yè)發(fā)展態(tài)勢愈發(fā)良好， 為整個建筑行業(yè)的發(fā)展提供了強大動力， 相關(guān)企業(yè)應(yīng)持續(xù)推動裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展， 將裝配式建筑的社會效益、 經(jīng)濟效益等充分發(fā)揮。 本文首先對裝配式建筑作出了簡單介紹， 隨后分析了關(guān)于裝配式建筑的設(shè)計流程優(yōu)化， 最后提出關(guān)于設(shè)計流程優(yōu)化的反思， 希望可以與相關(guān)企業(yè)提供一些有價值的參考， 最終達到不斷提升裝配式建筑設(shè)計水平， 推動裝配式建筑行業(yè)良好發(fā)展的目的。