新型工業(yè)建筑設(shè)計探析
——以工業(yè)4.0下智慧工廠的規(guī)劃與建設(shè)為例

廖小明

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上，德國率先提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，隨后，在2015年5月，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，部署全面推進(jìn)實施制造強國戰(zhàn)略[1]。我國制造業(yè)規(guī)模已連續(xù)多年保持世界第一，在驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展、參與國際競爭中發(fā)揮著不可替代的重要作用[2]。因此在發(fā)展工業(yè)4.0的時代背景下如何提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適用性、效率性及自我學(xué)習(xí)性的新型工業(yè)建筑（智慧工廠）就顯得至關(guān)重要。

1 新型工業(yè)建筑（智慧工廠）設(shè)計要點

新型工業(yè)建筑與傳統(tǒng)工業(yè)建筑在設(shè)計要點上雖有相似但又不盡相同，傳統(tǒng)工業(yè)建筑多為勞動密集型，即人為第一生產(chǎn)力，所涉及的空間布局及生產(chǎn)要素大多圍繞人而展開，工人是設(shè)計開展的核心。而以智慧工廠為首的新型工業(yè)建筑則是以科學(xué)技術(shù)為第一生產(chǎn)力，采用整套智能化設(shè)備代替人工進(jìn)行生產(chǎn)活動。因此需要在建筑設(shè)計過程中要充分考慮能智能化生產(chǎn)設(shè)備的兼容性與靈活性。

2 總平面及場地設(shè)計原則

在廠區(qū)總平面布局中首先要明確工廠的組成內(nèi)容（建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)施等），總平布局可分為有機分散與綜合緊湊兩種。分別以南方兩工業(yè)項目為例，案例一為佛山國星光電吉利產(chǎn)業(yè)園項目（圖1），園區(qū)位于城郊，用地面積5.5萬m2總建筑面積19萬m2。主要建筑單體為研發(fā)辦公樓（兼顧生產(chǎn)）、餐廳及員工宿舍、生產(chǎn)車間及相關(guān)設(shè)備用房。建筑群呈東西向排布，場地由南北向市政道路分為東西兩塊，東邊設(shè)置科研辦公及配套宿舍，西區(qū)為生產(chǎn)車間，建筑間通過二層連廊相連。在總平面上形成了東部辦公/生活公建組團和西部生產(chǎn)/設(shè)備工業(yè)組團的平行式規(guī)劃布局結(jié)構(gòu)模式。兩大組團長邊相連，既能相對獨立又互有聯(lián)系，通過在組團間設(shè)置環(huán)形車道結(jié)合二層人行連廊形成的立體式水平交通有機的實現(xiàn)了人車分流（車下人上）?？傮w而言，平行式平面布既能體現(xiàn)建筑的獨立運營和又能滿足使用者間的有機聯(lián)系，屬于合理的分散式布局工業(yè)園區(qū)。

圖1 佛山國星光電吉利產(chǎn)業(yè)園項目

案例二為某智能基地制造項目（圖2），項目位于城市近郊，用地面積1.9萬m2總建筑面積12萬m2，建筑主要功能為智能設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)。該工業(yè)項目用地緊湊且容積率較高（4.5），因此在總平布局上采用了商業(yè)綜合體設(shè)計手法，東塔科研辦公西塔生產(chǎn)制造，兩塔樓通過裙樓組合坐落在場地中心?；厮闹茉O(shè)置環(huán)形車道，人行出入口設(shè)在西南側(cè)，貨物出入口設(shè)在東南側(cè)，該處理能在用地緊湊的條件下實現(xiàn)較好的人車分流效果。

圖2 智能基地制造項目

因此，總圖規(guī)劃布局結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)用地條件及生產(chǎn)工藝來確定，同時對于新型智慧工廠除了原有的產(chǎn)業(yè)工人外更多的是引入了大量的科研辦公人員，即在工業(yè)功能外賦予了額外的辦公屬性，因此設(shè)計上應(yīng)充分考慮人車分流。

3 水平空間設(shè)計原則

工業(yè)建筑平面布局應(yīng)優(yōu)先滿足工藝生產(chǎn)及相關(guān)研發(fā)辦公需求，與傳統(tǒng)廠房相比，智慧工廠在運營上不僅具有傳統(tǒng)工業(yè)建筑功能，同時還兼?zhèn)涔ā⒕W(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等功能，提供全方位的信息交互功能，創(chuàng)造更為舒適和智慧化的生產(chǎn)、研發(fā)等空間[3]。因此在方案設(shè)計階段應(yīng)首先和建設(shè)單位落實生產(chǎn)規(guī)模需求。正常生產(chǎn)運營中所需的建設(shè)面積常占比為80%～90%，交通及輔助空間則占比約為10%～20%，且交通及輔助空間占比會隨每層建筑面積增大而減少。同時應(yīng)將每層平面建筑面積控制在6000m2內(nèi)，則較為經(jīng)濟合理（參考丙類高層廠房最大允許防火分區(qū)面積）。在國星光電項目中，生產(chǎn)車間（101#）功能定義為生產(chǎn)車間+科研辦公，因此在平面布局上就需同時滿足生產(chǎn)線對大空間的要求及研發(fā)辦公空間對靈活分隔的要求。在設(shè)計上采用了正方形平面，該經(jīng)典建筑形態(tài)呈四平八穩(wěn)格局，并讓使用者從空間中心到任意一邊的距離接近等長，有較優(yōu)的通達(dá)性，同時規(guī)避了不規(guī)則空間及流線迂回，規(guī)整了生產(chǎn)設(shè)備的有序陳列及提高辦公人員水平移動效率。

在功能分區(qū)上建筑存在三種形態(tài)，以生產(chǎn)部門為主的生產(chǎn)車間，生產(chǎn)部門和研發(fā)部門共同配合協(xié)調(diào)的生產(chǎn)研發(fā)空間（圖3），及全為研發(fā)部門的辦公空間。考慮到生產(chǎn)設(shè)備的運輸及荷載，因此將生產(chǎn)車間布置在建筑的低區(qū)，生產(chǎn)研發(fā)空間布置在中區(qū)，高區(qū)則為辦公區(qū)，低中高三段區(qū)間通過兩側(cè)交通服務(wù)核形成垂直串聯(lián)關(guān)系。在布置垂直交通時應(yīng)注意，對于大多新型智能工廠，項目中使用的原材料、生產(chǎn)中產(chǎn)生的全部中間產(chǎn)物、生產(chǎn)的最終產(chǎn)品及其副產(chǎn)品的火災(zāi)危險性類別一般為丙類（應(yīng)與建設(shè)方明確），在此基礎(chǔ)之上確認(rèn)高層廠房內(nèi)任一點至最近安全出口的直線距離不大于40m，同時，防煙樓梯間的疏散寬度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)業(yè)人數(shù)計算且最小凈寬度不宜小于1.10m。

圖3 交通服務(wù)核兩端布置，室內(nèi)便可靈活劃分

生產(chǎn)車間（101#）同時具有生產(chǎn)及辦公性質(zhì)，因此在柱網(wǎng)上選擇了8.4m×8.4m等距式柱網(wǎng)，該跨度的柱網(wǎng)優(yōu)點在于地上能取得較大的開敞空間，同時在地下單個柱跨內(nèi)又能布置三個機動車停車位。停車位、設(shè)備房、人防設(shè)施是地下室的主要構(gòu)成部分。其中機動車位是功能的核心，普通帶人防地下室一般可通過單位面積停車指標(biāo)來估算地下室面積。按大多設(shè)計參考數(shù)據(jù)地下車庫車位按35m2/位估算，此參數(shù)可能略為失真，由于車位位均指標(biāo)不僅僅為每輛機動車自然停車面積，還包括行車通道、人行通道等停車基本設(shè)施，還包括人防及相應(yīng)設(shè)備用房等輔助設(shè)施的面積。同時，車庫車位位均建筑面積受項目所處地塊形狀、大小、柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)、停車方式影響較大，考慮地下車庫作為永久性建筑，建設(shè)完成后規(guī)模不易調(diào)整，其設(shè)計應(yīng)為地下室各項功能預(yù)留足夠空間。因此結(jié)合筆者項目經(jīng)驗，45m2/位是一個存有安全邊際的參數(shù)值，方案設(shè)計階段可參考此參數(shù)對地下室面積進(jìn)行估算。

智能制造是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線，以智能服務(wù)為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題[4]，因此智慧工廠呈現(xiàn)動態(tài)式發(fā)展。在智能基地制造項目中為契合動態(tài)發(fā)展的工藝流程，在生產(chǎn)區(qū)平面布局中采用了較大跨度柱網(wǎng)（9m×9m橫縱柱網(wǎng)）。從車間空間適用性角度出發(fā)，該柱跨能在一跨內(nèi)布置一條生產(chǎn)線，同時環(huán)繞產(chǎn)線四周能設(shè)置2m寬的AGV智能搬運車物流通道（圖4），智能搬運車是智慧工廠中的重要交通元素，在設(shè)計中應(yīng)充分考慮。生產(chǎn)區(qū)布局除了考慮生產(chǎn)線外，輔助部分亦是同樣重要的空間。這一部分主要包括但不限于樓電梯間、茶水衛(wèi)生間、輔助性辦公及設(shè)備房等。這些輔助單元常呈組團式布局，通過單邊走道連通形成并聯(lián)式空間。由于輔助單元大多需提供通風(fēng)及采光條件，因此常將其沿建筑四邊布置。

圖4 生產(chǎn)線及貨物通道設(shè)置

綜上所述，廠房平面布局核心可大致歸納為以下三點：①采用較大跨度柱網(wǎng)（8～10m），該跨度能滿足大多制造設(shè)備放置同時也能為日后產(chǎn)線擴展提供充足的空間。②以平面中心為起點往四周拓展出足夠大的開敞空間作為生產(chǎn)線放置區(qū)。③輔助空間呈并聯(lián)式組合沿建筑四邊布置。

4 垂直空間設(shè)計原則

智慧廠房的層數(shù)主要取決于生產(chǎn)工藝、城市規(guī)劃、建筑場地、結(jié)構(gòu)形式和經(jīng)濟效益等因素[5]。對于建筑層高的設(shè)定主要有以下影響因素：①滿足生產(chǎn)、設(shè)備運輸?shù)男枰?；②廠房內(nèi)部功能劃分不同；③滿足采光和通風(fēng)要求；④設(shè)備管道高度要求；⑤滿足工藝的基礎(chǔ)上從經(jīng)濟角度分析層高影響。在國星項目生產(chǎn)車間（101#）中，建筑共11層建筑高度50.1m，考慮生產(chǎn)線凈高要求2.7m、梁高0.8m設(shè)備管線0.6m及預(yù)留空間，再結(jié)合科研辦公使用空間綜合考慮后設(shè)定樓層層高為4.5m。首層考慮有展示大廳及會議等公共區(qū)域因此將該層高設(shè)置為5.1m，配合主入口的落地大幕墻可將更多的室外光線引入室內(nèi)，減少燈具使用節(jié)能經(jīng)濟。在智能基地制造項目中層高設(shè)定也應(yīng)用相似邏輯，結(jié)合廠房樓層層高擴大模數(shù)3m數(shù)列和當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃管理容積率指標(biāo)計算辦法得出生產(chǎn)區(qū)層高4.5m建筑共10層高度為45.0m。

智慧工廠產(chǎn)線布局不僅在同層平面中要有緊密聯(lián)系在垂直樓層中也同樣存有進(jìn)階關(guān)系。將建筑樓層按生產(chǎn)工序及生產(chǎn)資料分為低中高區(qū)，樓層功能從高到低可依次布置：研發(fā)設(shè)計→調(diào)解測試→產(chǎn)品制作→原料堆放→產(chǎn)品組裝→包裝運輸（圖5）。在生產(chǎn)工藝允許的條件下，把一些質(zhì)量重、體積大和運輸頻繁的設(shè)備布置在底層，中間層為生產(chǎn)加工區(qū)，低、中區(qū)滿足生產(chǎn)資料密集型需求，高區(qū)則是知識密集型區(qū)域，該區(qū)通過研發(fā)辦公等行為突出人的活動。各樓層通過垂直交通設(shè)施聯(lián)系，廠房建筑常用的垂直交通包括樓梯及電梯，其中電梯包括客梯、專用貨梯和提升機（物料電梯）。專用貨梯起重常用3T，提升機或物料電梯屬于非載人電梯，此類電梯常設(shè)置于低中區(qū)配合生產(chǎn)過程使用，投入成本低利用效率高，因此在設(shè)計中應(yīng)加以考慮。

圖5 樓層功能定位

5 結(jié)語

隨著工業(yè)發(fā)展快速進(jìn)入“工業(yè)4.0”時代，越發(fā)多的傳統(tǒng)制造工廠尋求智慧化轉(zhuǎn)型。本文通過對新型智慧廠房的案例分析，淺略提煉出該類建筑的主要設(shè)計原則，以期能夠為相關(guān)建筑設(shè)計從業(yè)者提供設(shè)計參考。