关于装配式建筑设计路线的探索

2020-04-07任乐民谢合舜陈帅光周裕利

广东土木与建筑 2020年3期

关键词：部品装配式管线

任乐民，谢合舜，陈帅光，周裕利，邹毅

（1、广州建筑产业研究院有限公司广州510663；2、广州建筑股份有限公司广州510030）

0 引言

一般意义来讲，装配式建筑是结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。其主要特征是形成以标准化设计为中心的装配式建筑产品的工业化建造体系。为此，就标准化设计理念基础上的装配式建筑设计路线作以探讨。

1 基本思考

标准化设计是保证装配式建筑大规模、高效率建造的前提，它必须符合建筑产业现代化和民众生活水平的时代要求。参照《装配式混凝土建筑技术标准：GB/T 51231-2016》指导思想，装配式建筑设计“应按照通用化、模数化、标准化的要求，以少规格、多组合的原则，实现建筑及部品部件的系列化和多样化”［1］。少规格可以保证高效的工业化生产和建造，多组合能够实现建筑风格、功能和舒适度等多样性需求。以此，作为装配式建筑设计的出发点。

标准化设计的基础是模数化设计，通过确定合理的模数标准系列，能够保证建筑部品构件及其接缝接口规格的通用性，精准协调构成建筑功能单元、结构体系和系统空间之间的尺寸关系，实现多组合的标准化设计。

装配式建筑设计过程中，要强调各相关专业的协同设计，通过模数协调，完成建筑结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装修系统之间一体化设计成果，为建筑模块化集成和建筑部品构件深化设计创造必要条件。

装配式建筑建造过程也是系统工程，在设计前期，要充分考虑到部品构件生产、运输和安装的可行性。综合分析建造过程各阶段关键环节和工况的实际要求，结合EPC 项目管理机制，通过设计方案阶段的技术策划，使得标准化设计成果能够满足装配式建筑工程建造全过程的实际需要，充分发挥其速度、质量、成本控制和绿建水平等方面的优势［2］。

装配式建筑设计应采用建筑信息模型（BIM）技术，以利于方案分析和技术策划，有效平衡专业协同设计，合理进行建筑单元和系统模块的拆分和集成，实现工程项目标准化设计全过程的信息化管理。

在设计过程中，应贯彻“适用、安全、经济、美观和绿色”的主导思想，通过系统性的合理的技术策划，以建筑部品构件的标准化拆分，实现功能单元和系统模块的精准集成。

2 设计程序

与常规的工程设计观念相比，装配式建筑标准化设计相对增加了符合工程项目全过程工业化建造的系统性要求，把工程项目建设全寿命期的综合效益同设计思想有机地融合成一体。由此，要在建筑方案设计环节嵌入系统性的标准化设计思维，就方案技术选型合理性、经济可行性和易建造性等方面综合分析，进行前置性方案技术策划；随着设计展开，须强化标准化框架内的各专业相互协同的一体化设计，使建筑成为有血有肉的有机整体，并通过系统单元和功能模块分解，将标准化的部品构件及系统管线集成设计为通用型基本元件；最终形成深化设计文件和数据信息，为工厂化生产提供技术依据和标准。将这些强调的设计环节同常规的建筑设计流程结合起来，就构成了具有装配式建筑设计特征的运作程序（见图1）。

图1 装配式建筑设计程序Fig.1 Design Procedures of Prefabricated Building

3 技术策划

建筑方案设计通常主要反映前期规划和投资方功能定位要求，融合了装配式建筑理念之后，同时强调了系统性地进行标准化设计思维，需要综合平衡工程建造全过程的相关要素，科学统筹，合理策划。

⑴ 根据建筑规划、概念和功能要求建立信息模型，结合装配式建筑特点，优先采用大跨度的结构形式，以利于建筑内部空间灵活布置、功能整合和更新改造；平面形状简洁，竖向构件定位规则有序；设备及系统集中平衡设置，管线与结构分离。以此，结合《装配式建筑评价标准：GB/T 51129-2017》相关等极指标［3］，为展开标准化设计创造条件。

⑵ 结合本地区建材业态、建筑部品和构件的生产规模、整合能力、技术水平和物流环境等，综合考虑建筑部品构件生产和运输的可行性，确定建筑模块拆分和集成的技术方案。

⑶ 要结合建筑施工方法和装备情况，包括施工计划安排、塔吊吊装能力、构件堆场和现场环境等，调整部品构件设计的合理性，满足施工便利和易建要求。

⑷ 根据装配式建筑类别，测定工程估算及概算指标，适当确定装配式建筑装配率和部品构件预制率指标。以建筑全寿命期效益为准则，综合平衡设计方案与工程造价关系，既要避免片面追求预制装配率的最大化，又要考虑通过提高建筑标准和耐久性，降低使用期间运营维护费用［4］。

⑸ 保证建筑结构体系安全性和耐久性的前提下，实现建筑内部功能的多样性、拓展性与持续更新性。

4 标准化设计

技术策划框架下的标准化设计主要表现在，通过模数系列协调，以公差定位和通用接口，实现建筑部品构件、系统模块和功能单元等在不同层级上的拆分与组合，从而系统性地设计成满足装配式建造的多样化建筑产品。

⑴ 随着设计程序的展开，方案阶段侧重于既有建筑形式和功能空间的标准化分析，采用建筑信息模型（BIM）技术，对具有相同或相似功能和体量的建筑单元进行分配和布置，如住宅的套型，酒店的客房和学校教室等。同时，将主体结构、围护形式、交通联系和机电系统等结合标准化的建筑单元整体设置，并合理利用环境及地形条件，以灵活的建筑单元组合型式表现楼栋的节地型布局和多样化的建筑风格。

该阶段要确定建筑装配化的范围，量化评估指标和完成预评价程序。

⑵ 初步设计阶段，将标准化设计延伸，针对建筑单元内功能、尺度相同或相似的用房进行通用型模块化设计，如住宅厨房和储物间，酒店卫生间，公共管道竖井等。同时，细化模数协调工作，建立能够传递功能、集结系统的通用性接口，使得建筑单元内的功能性模块可以更替扩充，又能够结合成有机系统。

⑶ 施工图及深化设计阶段要将建筑功能模块构造进一步拆分和细化，对构成建筑模块的部品构件进行标准化设计，如住宅卫生间内部的整体淋浴间、架空地板、复合型隔墙板、管线综合吊架、预制叠合外墙板和叠合楼板等。其间，应结合生产、施工和使用运维等实际情况，持续优化部品构件设计品质，提升标准构件的装配集成度，降低建造成本，保证标准化设计产品的通用性、经济性和易建造性［5］。

在此基础上，结合建筑信息模型（BIM）技术，将定型的建筑功能模块和部品构件信息（包括相关数据、物理信息、构造、接口及技术说明等）录入标准化信息库，统一编码、标准和规则，形成通用部品构件系列，并通过信息化协同平台实现各专业数据信息互通与共享。

5 设计的协同与集成

设计过程的主线是建筑标准化设计，各专业之间的协同设计则是完善建筑功能的整体设计，跟随设计主线平行交互进行，这种一体化设计达到施工图设计深度后，开始系统性集成设计，最终完成建筑部品构件的深化设计。

⑴ 设计协同过程中，一般由建筑专业牵头，提供标准化设计条件和资料给到各相关专业展开设计，每个设计阶段后期，再由各相关设计专业反提设计成果和技术资料给建筑专业整合，并就存在的相互碰撞问题，进行技术分析、磋商及论证，取得一致意见并相互确认后，开始下一阶段设计，不断深化往复。

协同设计要实行严格的校审和协调制度，通过各专业之间有效的交叉与整合机制，持续优化建筑功能和品质；同时，精准确定各专业和系统之间界面、定位和关联，为高复合度的集成设计打好基础。

⑵ 集成设计将结构系统、外围护系统、设备与管线系统和内装系统以建筑功能模块或单元为基础进行深度整合，侧重部品构件的复合性设计和设备管线综合性设计，并确定部品构件以及设备管线之间的连接方式，包括通用型接口、接缝构造以及界面公差设计，以保证连接节点的安全性、通用性和耐久性要求。通过更高程度的部品构件和综合管线的精准集成，表现装配式建筑产业的发展优势［6］。

⑶ 利用建筑信息模型技术和信息管理平台，提增标准化设计过程的协同和集成效率，平衡和优化各专业之间的整体设计，实现建筑部品构件及功能模块的精准集成。

6 专业设计要点

⑴ 结构系统设计以保证建筑的安全性、稳定性和耐久性为原则，根据国家及行业相关设计规范和标准，在建筑标准化设计的基础上，确定建筑的结构形式、高度、跨度、体型、材料等级、构造和连接方式。其中，装配式混凝土结构通过节点连接和构造设计，实现“等同现浇”的效能，给结构安全以最基本保障［7］。

对于各类别装配式构件在制作、运输、堆放和吊装等环节荷载作用下的承载力和变形进行验算，并完成临时支点和吊点设计。

⑵ 外围护系统设计根据地域气候条件，满足建筑的使用功能、建筑效果和建造技术要求。其中，比较其他外墙系统，强调预制混凝土外墙板与主体结构连接的安全性要求，保证在罕见地震时，外墙板不得掉落；连接节点应具有可靠的承载力，并采用柔性连接方式，具备适应主体结构的变形能力；外墙接缝防水构造应防排结合，接缝材料具有可靠的粘接性能和耐久性能［8］。

⑶ 设备和管线系统设计注重与其它系统的集成化设计，强调管线综合平衡、精准定位和通用型接口，应用管线分离、整体卫浴和同层排水技术，公共管井、管廊采用模块化设计。

⑷ 内装系统设计应符合建筑、防火和环保等相关规范要求，结合建筑模块化设计，通过采用建筑信息模型（BIM）技术实现装修与机电系统一体化设计，体现系统之间建筑部品、构件及接口的通用性和集成技术［9］。