装配式建筑标准化设计方法工程应用研究

叶浩文樊则森周冲刘程炜

(中建科技有限公司,北京100070)

0 引言

中国建筑业已进入绿色化、工业化、信息化发展时期,标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理等是新型工业化建造方式。装配式建筑是实现建筑工业化的重要途径之一,可以有效促进节能减排、全面提升建筑品质、缩短工期、提高建筑工业化水平。发展装配式建筑是落实国家创新、协调、绿色、开放、共享发展理念的需要,是全面提升建筑工程的质量、安全和品质的需要,也是驱动建筑业转型升级,实现建筑产业现代化的需要。标准化设计是建筑工业化的核心,是工厂加工生产的前提和工业化发展的重要特征,是实现装配式建筑品质提升、效益效率提高、工期节约和成本节省的重要方法和措施,有利于将建筑业各个分散的环节整合为一个整体。标准化设计是实现标准化生产工艺和标准化装配工法的前提,有利于实现工业化、社会化的大生产。由于对标准化设计认识不深刻及善于运用标准化设计原理、能提出创造性的方案切实地做到少规格多组合的装配式建筑设计师还有待于培育,行业标准化设计还未形成等原因,目前装配式建筑的标准化程度不够、自动化水平不高,市场上还未形成装配式建筑的规模化、批量化发展,标准化程度得不到充分体现,研究标准化设计方法和技术对于装配式建筑的发展具有重要意义。

专家学者已对装配式建筑标准化设计做了一定研究,指出国内装配式建筑发展缺乏标准体系,在设计建筑产品时需要利用系列化、标准化的设计方法,并配套现代化施工技术及一体化装修等,建立以标准化审查为核心的设计审查机制,提高住宅质量、降低成本,促进装配式建筑结构体系发展[1-3]；叶浩文等认为装配式建筑设计技术系统集成不够、创新能力不足,要研发并优化利于现场简易化、高效化装配的标准化设计、全装配式结构体系及连接节点设计,并提出装配式建筑设计关键技术,包括结构设计、节点连接设计、构造设计等创新设计方法[4-5]；周建强等提出住宅建筑设计呈现出标准化发展趋势,并从住宅户内、公共空间设计及建筑构配件标准化设计等方面,阐述了标准化设计可确保后续装配式构件及建筑的标准化、规范化,同时提出在探索标准化设计的工程中可以引入模块化或参数化,寻求批量和个性较好的结合[6-9]；刘东卫等分析了标准化设计与技术革新对公租房可持续发展与建设模式转型的推动作用,提出了公租房可持续课题与标准化设计的目标、基本原则及其技术路线[10]；张守峰阐述了标准化设计在建筑工业化中的重要性,并指出将构配件工厂化生产、装配化建造等都纳入设计内容,在公租房设计过程中注重要点及细节把控,实现户型标准化、厨卫标准化、管井标准化等[11]；李强等就现代钢结构建筑的特点及设计,讨论了其在工业建筑中的标准化设计[12]；张颖杰基于工作实践,从住宅的功能定位、空间组织设计及户型设计出发,提出了建筑标准化设计的措施[13]；蔡恩健等从建筑设计过程中的模数化、精细化、构件标准化等方面进行了研究[14]；樊则森等介绍了装配式建筑通过BIM方法进行技术集成,贯穿包括设计、生产、施工、装修和管理的建筑全生命周期,分析探讨了BIM技术实现装配式建筑深化设计的方法与手段[15]。

标准化设计不等于标准设计,不是千篇一律,而是将一系列标准的基本单元通过模数协调、模块组合、通用接口、空间协调、无限拓展,形成形式多样的个性化建筑产品,需建立在规模化、批量化的基础之上,是大样本数据下的统计与优化。目前对装配式建筑标准化设计的具体研究仍较少,标准化设计尚不成熟,创新能力不足,需要大力研发并优化利于现场简易化、高效化装配的标准化设计。文章概述了装配式建筑标准化设计,研究了标准化设计方法的工程应用,并结合工程实例进行了分析,从而促进装配式建筑品质提升、效益提高和成本节约,实现工业化、社会化的大生产。

1 装配式建筑标准化设计概述

装配式建筑标准化设计的基本原则是建筑、结构、机电、装修一体化和设计、加工、装配一体化,具体原则是模数统一、模块协同、少规格、多组合,各专业一体化考虑。遵循建筑、结构、机电、装修一体化的原则,在技术策划、方案设计、初步设计、施工图设计和预制构件加工图设计5个阶段进行协同设计。遵循设计、生产、装配全过程一体化的原则,构建设计产品利于工厂规模化生产、利于现场高效化装配的关键技术协同机制。建立并规范建筑、结构模数协调准则,坚持少规格、多组合原则,以标准化设计为基础,通过模数协调和系列组合实现个性化产品。标准化设计体现在平面标准化设计、立面标准化设计、构件标准化设计、部品部件标准化设计。其中,平面标准化的组合实现各种功能的户型,立面标准化通过组合来实现多样化,构件标准化要少规格、多组合,部品部件标准化要模块化、精细化。

2 装配式建筑标准化设计方法

2.1 平面标准化设计

2.1.1 确定平面标准化协调模数和规则

相同基本户型下,开间不变、进深在一定基础上,以200 mm或其他模数进行延伸扩展,如图1(a)所示。不同基本户型下,确定相同尺寸的通用边界,便于模块间的协同拼接,如图1(b)所示确定了8800 mm的协同组装接口,其中,x代表房间隔断可以是任意尺寸。

图1 平面标准化协调模数图

2.1.2 接口通用的模块组合户型标准化设计

户型标准化设计通过模块化的设计方法,采用标准化的户型模块。户型模块包括卫生间、厨房、餐厅、客厅、卧室等基本模块。整体方案采用标准化的设计整合,通过基本户型模块的通用化接口,使各户型可进行多样化的组合,建立形成标准化住宅套型系列。如图2所示,由卧室、厨房、卫生间等基本模块组合而成的60、90 m2等2种户型。

2.1.3 边界协同的系列基本户型平面标准化设计

通过基本户型模块之间按照通用协同边界(如8800 mm)进行组合,与公共空间模块(包括走廊、楼梯、电梯等基本模块)进行组合,确定多种基本平面形状,形成不同的个性化平面,实现楼栋组合的无限生长,如图3所示。

图2 标准模块组合不同户型图

图3 基本户型模块协同边界组合图

2.1.4 有限模块、无限生长的方法

建立标准化的建筑产品的基本构件和部品部件库,如图4(a)所示,摈弃先设计后拆分的“等同现浇”设计思维,由基本构件及部品部件组成有限的系列模块单元,如图4(b)所示,再由模块单元按照居住功能的需要无限拓展。可建立各种住户需求户型图,如单身贵族(两口)、三口之家、三代同堂、老人安享等标准户型,如图4(c)所示,实现由有限的元素组成千变万化的大千世界。

图4 有限模块，无限生长模式图

2.2 立面标准化设计

2.2.1 饰面多样、模数化的外围护墙板标准化设计

通过预制外墙板不同饰面材料展现不同肌理与色彩的变化,饰面运用装饰混凝土、清水混凝土、涂料、面砖或石材反打,通过不同外墙构件的灵活组合,基本装饰部品可变组合,实现富有工业化建筑特征的立面效果,如图5(a)所示。

2.2.2 窗墙比、门窗比控制下立面分格、排列有序的门窗标准化设计

在采光、通风、窗墙比控制条件下,调节立面分格、门窗尺寸、饰面颜色、排列方式、韵律特征,呈现标准化、多样化的门窗围护体系,如图5(b)所示。

2.2.3 凹凸有致、错落有序、等距控制的预制空调板、阳台组合设计

通过一形、L形、U形等标准化阳台形式,进行基本单元的凹凸扩展、组合扩展,形成丰富多样的空调板、阳台的立面设计,如图5(c)所示。

图5 立面标准化设计图

2.3 构件标准化设计

2.3.1 一边尺寸不变,另一边模数化延展的系列构件标准化设计

如预制外墙,一边固定尺寸2600 mm,另一边以100 mm为模数,可设计成1600～5700 mm；预制叠合楼板,一边固定尺寸6400 mm,另一边以100 mm为模数,可设计成1400～2600 mm等。如图6所示红色为预制构件固定边模,蓝色可移动边模以一定模数延展。

图6 一边模数化延展的系列构件图

2.3.2 基于功能单元的构件尺寸模数协调设计

针对客厅、卧室、厨房、卫生间的功能单元模块,运用最大公约数原理,按照模数协调准则、通过整体设计下的构件尺寸归并优化设计,实现构件的标准化设计,便于模具标准化以及生产工艺和装配工法标准化,如图7所示。

2.3.3 构件钢筋笼的标准化深化设计技术

在构件外形尺寸标准化基础上进行钢筋笼标准化设计,统一钢筋位置、钢筋直径和钢筋间距,如图8所示；建立系列标准化、单元化、模块化钢筋笼,实现标准化加工。

图7 标准化构件图

图8 钢筋笼标准化构件图

2.3.4 构件连接区域的标准化设计技术

统筹构件标准化和连接节点后浇区标准化,提出标准优先、异型优化的节点区标准化设计,便于现场模板标准化。按照模数协调、最大公约数原理,以结构平面尺寸模数和构件尺寸模数的协调要求,确定构件连接区标准化模数。如按照100 mm的平面模数和100/200 mm的构件模数协调以n代表数量,确定n×200以及100 mm×100 mm标准转角模数,可组合成满足需要的一形、L形、T形不同截面的布置需要。

2.4 部品标准化设计

以功能需求为基础,协调部品模数和建筑模数,进行标准化功能模块的集成化设计。

2.4.1 厨房部品标准化设计

以烹饪、备餐、洗涤和存储厨房标准化功能单元模块为基础,通过模数协调和模块组合,满足多种户型的需求,实现厨房部品的标准化设计,如图9所示。

图9 厨房部品标准化图

2.4.2 卫生间部品标准化设计

以洗漱、淋浴、盆浴、如厕卫生间标准化功能单元模块为基础,通过模数协调和模块组合,满足多种户型的需求,实现卫生间部品的标准化设计,如图10所示。

图10 卫生间部品标准化图

2.5 BIM族库大数据支撑标准化设计

建立基于装配式建筑标准化产品、平面户型库、立面围护库、构件库、部品部件等系列BIM标准化族库如图11所示,通过参数化查找和组合设计,以大数据为支撑,实现标准化设计。在规模化发展的同时,通过BIM大数据可以统计使用次数最多的族库,不断迭代优化最优户型、最优模数和最优部品。

3 工程应用实例

某工程项目共有标称65、80、100及150 m2等4种面积的户型。进行户型设计时,采用标准化设计方法,选取标准化的开间进行排列组合,最大限度地减少户型种类,组合出4个面积的户型,如图11所示。

户型模块组合出品字形、蝶形、双拼和Y字形4种共7类组合楼栋,如图12所示,实现了模块组合的无限生长；在总平面规划中满足了多种形式和高度要求,实现了空间组合丰富、形态优美的住区空间,彰显了标准化设计成果的先进性、适应性和可复制推广性。

通过预制外墙板不同饰面材料、通过不同外墙构件的灵活组合,通过立面分格、排列有序的门窗标准化设计实现富有工业化建筑特征的多样化立面效果,如图13所示。

图11 标准化户型图

图12 组合楼栋图

图13 标准化、多样化立面效果图

项目按装配式建筑标准化、模块化的设计原则,充分考虑预制构件生产工艺、模板利用,以少规格、多组合的理念,进行结构组合设计,预制构件仅为56种,种类少、可复制,使预制构件的生产、装配达到了较高的工业化水平,有效地降低构件生产成本。项目采用标准化设计生产的预制阳台、预制飘板、预制楼梯、预制复合内墙、预制剪力墙等预制构件具有一定通用性,不仅可以满足自身需求,而且可在其它项目中广泛使用。建设了基于企业云的装配式建筑协同平台,设定了设计资源标准、设计行为标准和设计交付标准。实现方案设计全员、全专业、全过程的三全BIM应用。

4 结语

标准化设计是推进装配式建筑的产业化发展的核心和前提,必须通过标准化设计实现标准化生产和标准化装配。标准化设计中,遵循建筑、结构、机电、装修一体化和设计、生产、装配全过程一体化的原则,通过平面标准化、立面标准化、构件标准化、部品部件标准化的设计方法以及BIM技术,并协同利于工厂规模化生产、利于现场高效化装配的关键技术,形成一系列既满足功能要求,又符合装配式建筑要求的多样化的住宅产品,可促进装配式建筑品质提升、效益提高和成本节约等,从而实现工业化、社会化的大生产。