五位一体管理模式下的装配式建筑优化设计

王一波 刘东海 何 亮 董 震

1. 杭州钱江新城投资集团有限公司 浙江 杭州 310016；

2. 绿城乐居建设管理集团有限公司 浙江 杭州 310007；

3. 中建科技集团有限公司华东分公司 上海 201109

相对于传统建筑，装配式建筑建造需要经过设计、采购、构件生产、吊装施工等多个环节，这就需要运用一套科学合理的管理模式来进行管理。EPC工程总承包管理模式是近年来使用较多的项目管理模式，具有一定的先进性，这种管理模式有利于实现工程建造组织化、系统化，有利于实现技术集成应用和创新，在推进装配式建筑发展上具有先天的优势[1-3]。虽然装配式建筑的设计、生产、施工等的发展特点与EPC模式具有极强的融合性，但预制构件的生产、吊装环节却制约着项目工程的管理效率，而且传统的装配式建筑设计流程也制约了创新技术的研究与应用，具体体现在组织结构、施工进度控制、成本控制等诸多方面。针对这些弊端，新的装配式建筑一体化发展模式（“科研＋设计＋制造＋采购＋施工”工程总承包管理模式，下称“五位一体模式”）应运而生。

1 五位一体模式介绍

传统的EPC模式是工程总承包，即设计（engineering）、采购（procurement）、施工（construction），指从事EPC工程总承包的企业按照与建设单位签订的合同，对工程项目的设计、采购、施工等实行一体化全过程的承包，并对工程的质量、安全、工期和造价等全面负责的承包方式[4]。

五位一体模式是指在传统EPC模式的基础上，增加了研发（research）和制造（manufacture）。与传统EPC模式相比，五位一体模式的重点是在设计阶段将建筑、结构、机电、精装部品部件的有机集成，与科研有机融合；在建造阶段应用智能化建造平台将制造、采购、施工、成本、科技等有机融合，从而提高装配式建筑全产业链质量、安全管理水平和整体效率、效益。五位一体工程总承包建造模式能有效解决我国在装配式建筑发展初期，项目建造过程中还普遍存在的科研、设计、制造、采购以及工程管理相互间不能有效协同的问题。

不同于专注于某一环节的科研院所、设计院、加工厂和建筑企业，五位一体服务模式将建筑作为最终产品，构筑其在装配式建筑领域的核心竞争力。其中设计是降低装配式建筑成本的核心要素。装配式建筑能否节约成本核心取决于设计环节，如果只是简单的将传统现浇施工方式的设计套用在装配式建筑上，那么一般来说成本都要比传统现浇施工方式高。而通过适用于装配式建筑的优化设计，则成本可以大幅降低，甚至低于传统现浇施工方式。

五位一体模式以科研、设计一体化为技术支撑，以BIM技术为高效工具，以EPC管理为保障手段，切实践行“研发、设计、采购、制造、管理”的装配式建筑管理模式，全面提升工程质量水平[5]。

2 装配式住宅设计优化

2.1 装配式住宅优化设计概述

从装配式建筑结构设计角度出发，装配式结构设计与传统结构设计存在很多不同之处，且装配式结构设计缺乏一个标准化体系，这影响了装配式结构设计的发展。因此，必须要建立一个装配式结构设计体系，使其能够具有标准化的模块设计，让装配式结构的实际应用更加简便。标准化的模块设计只需对结构尺寸等功能进行调整，即可让模块既符合使用者的要求，又满足设计、制作、施工的诉求，同时对结构内部空间进行相应的设计完善，保证装配式建筑结构的自身优化设计。

2.2 优化设计的要点及方法

在对装配式住宅结构设计进行优化设计之前，必须要对整个装配式建筑结构的特点及设计要点进行分析[6]，本文将从装配式住宅设计方案制定、装配式设计过程、装配式节点设计等3个方面进行探讨。

2.2.1 装配式设计方案制定

理论上讲，任何现浇结构都可以做装配式，但传统设计中由于前期方案没有考虑到预制构件的拆分细节，大多数的装配式建筑在拆分时都会出现问题，比如非标构件占比大、施工安装困难等。因此，需要对装配式方案进行经济性、可实施性等方面的比较，选出最优的设计方案，并根据施工图情况不断改进，不断优化设计方案。方案的制定主要包含以下3点：

1）顶层设计。首先，必须要将装配式结构设计方案进行合理性与可行性判定，对设计中的各方面进行综合分析，包括户型、分缝、轴网等一系列的布置等。在装配式方案的确定上，要与其他相关专业人员进行沟通协调，保证实际施工的便捷性、安全性，真正提高装配式建筑的质量，使其达到最大程度的优化。布置预制构件时，不能局限于设计角度，要从全局考虑，比如有些较重的预制构件，如未考虑现场塔吊位置、起吊载重，就有可能导致预制构件生产出来了，运到现场却不能吊装，需要通过其他方式进行吊装，从而造成不必要的支出[7]。

2）标准化控制[8]。除了在前期方案设计的时候需要考虑模数化、标准化外，在深化设计阶段同样需要考虑，从而可以减少预制构件的种类，降低模具摊销，进而降低构件成本。例如在进行叠合梁设计时，初步设计完成后基本定好了梁截面，施工图阶段确定梁配筋，在深化阶段，需要精确定位调整梁纵筋的间距，尽量减少梁两端出筋的形式及间距，以减少梁端端模的种类。

3）拆分要点。拆分要点包括：预制构件尺寸要遵循少规格、多组合的原则，构件节点连接要简单巧妙；长度较大的构件拆分时可考虑对称居中拆开（也就是套用性要高）；单构件质量尽量接近，一般不超过5 t，高度不宜跨越层高；一般模具周转率在100次以上；暗柱应现浇（抗震时墙体受力较大的部位，且暗柱现浇有利于构件交接）；凸窗应一体化预制且重复率高；构件拆分均以楼层划分，不做跨层处理；减少次梁，采用建筑面层降板，减少拼缝；等等。

2.2.2 装配式设计过程

与粗放型现浇结构设计不同，装配式建筑设计是一个集约化、精细化的过程。传统的装配式建筑设计中，只要满足政策要求的预制率或装配率就可以，但在五位一体模式下，特别是融入了研发和制作，就要求项目在前期方案策划和初步设计时就进行多专业协同合作，统筹考虑当地政策、外部资源、业主需求、施工需求、经济性要求、制造要求，以及预制构件在生产、安装、施工中可能产生的各种问题，达到在结构安全前提下降低成本、快速高效施工的目的。同时在初步设计调整阶段还需及时更新预制率或装配率数据以满足项目要求。

设计流程的规范化，预制构件的标准化非常重要。如果预制构件生产工艺复杂，标准化程度低，则无法进行批量生产，从而导致构件生产成本过高，施工超出预算，影响企业利润。如果实际项目中应用了研发的新技术，还需要整合各环节反馈的问题。新技术必须以精细化设计为原则，达到施工简易、成本优化的目的。必要时进行虚拟设计（排除理想化设计）以对产品标准进行迭代。

例如叠合板出筋及支撑问题，在预制构件加工和施工过程中，叠合板少出筋甚至不出筋可以提高制作及安装效率，减小模具成本，在施工过程中叠合板少支撑甚至无支撑一直是施工方追求的目标。这就要求我们在项目进行时充分发挥科研优势，目前解决此类问题的方法有飞筋、大板设计、新型预应力钢管桁架叠合板体系等。

2.2.3 装配式住宅节点设计

影响装配式住宅节点设计的因素包括主体结构、内外维护、设备管线、内装等。节点的设计既要满足结构安全要求，同时还应满足加工方便、施工便捷的特点。因此，在装配式建筑结构的节点设计上，必须不断优化，降低生产成本。在保证建筑安全的基础上，促进建筑工业化的稳定发展，比如卫生间降板做法、飘窗连接节点做法、叠合板出筋问题等，通过应用先进技术对节点进行创新优化，使设计能够更加科学、合理。

PC构件连接节点设计需要多方面考虑，节点过于复杂，会导致工厂生产制造成本过高、现场安装施工困难等问题；节点过于简单，则又可能难以满足连接节点的构造要求。这就需要设计师和各方紧密沟通，从连接的可靠性、生产安装的便利性、节点实现的造价成本等多个方面考虑，确定最合适的节点方案。

比如前面提到的叠合板的出筋问题一直制约着工厂的模具设计及生产效率。为解决这一问题，采用了四边不出筋叠合板[9]，叠合板采用密拼方式，可设计为单向板或双向板，其节点形式如图1～图4所示。

图1 四边不出筋密拼缝连接的单向叠合板示意

图2 四边不出筋密拼缝单向叠合板接缝示意

图3 四边不出筋密拼缝连接的双向叠合板示意

图4 四边不出筋密拼缝双向叠合板接缝示意

2.3 多专业协同

预制构件作为工厂生产出来的工程产品，对设计完成度、精准度远远高于传统建筑工程设计。一个构件出厂时，其内部的钢筋、机电线盒、雨水管洞甚至外部装饰都已经在工厂全部完成，这对深化设计人员提出了更高的要求。深化设计工作早已不是深化设计人员单方面就能够完成全部的专业工作，要想实现高完成度、高精准度的要求，就必须要求建筑、结构、机电、装修等专业在设计前期或设计过程中进行一体化协同设计，即横向协同设计。比如构件的标准化设计，又如线盒、开洞的布置，BIM技术作为一体化集成设计工具，为各专业协同设计提供了可能。

除了设计各专业之间的协同之外，在五位一体模式框架下还有设计方与施工方、设计方与构件生产厂之间的协同，即纵向协同设计。设计方需要从施工现场和构件生产厂那里了解现阶段的一些生产、施工条件，然后合理地利用当前的资源配置进行设计。如构件生产厂里现有的吊装埋件为螺纹套筒，如果设计时采用吊环、吊钉作为吊装埋件，理论上可行，但需要构件厂重新进行埋件招标采购，既浪费了时间，又造成了不必要的成本支出。

3 工程应用实例

某住宅小区采用装配式剪力墙结构体系设计，建设规模为地上140 000 m3、地下60 000 m3，主要楼层控制在15～24F。户型分为60、80、100、120 m2。

此类型住宅产品为目前市场上较为常见的产品，具有非常显著的代表性，主要体现在：体量大、种类繁多；建设速度要求快；交付质量好；节省建设成本。采用传统EPC模式，基本无法满足以上4点要求，而采用五位一体工程总承包服务模式，可从研发、设计源头上进行优化：

1）标准化设计。标准化设计有平面标准化、立面标准化、构件标准化、部品部件标准化等4个方面，通过标准化设计有助于降低采购、模具成本。比如平面标准化可以采用模块化设计实现，模块化应具有迭代性、相互联动性、模数化等特点。同时通过模块错落组合、装饰线脚外挂的方式实现平立面造型的多样可变性。本项目17栋单体仅采用了3种平面规格，为后续施工的部署提供了便利性。

2）类框架简化体系。分户墙隔离，形成主要受力剪力墙，其余必要部位增加结构柱，从而使内部空间自由划分，同时采用轻质装配式内装。对内部预制剪力墙进行合并，增加长墙，减少预制剪力墙规格，同时也提高了预制率。另外，类框架体系还可实现大板体系，本项目对梁体系进行优化，全部采用现浇梁，取消次梁，设计为若干大板，为吊装、运输提供了便捷性。

3）研发新构件。为实现同层排水，通过研发U形槽构件达到免降板施工，简化了施工工序，如图5所示。

图5 U形槽结构同层排水

4）少规格设计。预制构件规格种类的增加会导致模具成本增加，本项目17栋单体仅采用了1个飘窗形式和2个阳台模式、2种梯段板，大大减少了预制构件规格的种类，整个项目17栋单体的模具数为50种左右。通过优化设计，在预制构件每立方米成本中，模具降低370元，人工降低130元，管理费用降低60元，每立方米综合成本降低560元。

4 结语

装配式建筑往往与生产、施工等各方联系紧密，而设计方由于相关经验的缺乏，导致装配式建筑成本较高，施工困难。通过装配式建筑与五位一体工程总承包管理模式的结合，可以实现在项目组织架构、工期、成本管理等方面的有效控制，保证工程项目的顺利进行，实现项目管理的利润目标。

从另一个角度来看，企业为实现项目的利润目标，大力推行企业的内部建筑标准化管理。通过健全各模数标准、部件产品标准，对预制装配式建筑设计进行优化，形成统一而专业的施工工艺、施工方法，进而实现设计、生产、施工的统一协调，有效提高装配式建筑的质量，并节约施工成本，提高施工效率，最终促进装配式建筑行业的快速发展。