新产业，新空间，新营造——高新技术产业高层装配式“摩天工厂”设计实践

樊则森，李文，李新伟/

1 新产业

粤港澳大湾区作为我国重要的制造业基地，在经历了“世界工厂”的历史性辉煌以后，正在逐步进入产业升级和转型的新时代。其主要特征在于从传统的工业企业转变为高新技术驱动，数字化、智能化、高附加值的新型科技创新型工厂。在此背景下，湾区各主要城市纷纷挖掘城市产业空间，为新产业落户发展提供载体平台。深圳在“十三五”时期，抢抓“中国制造2025”和布局“互联网+”、智能制造发展多重机遇，加强了5G、人工智能、网络空间科学与技术、生命信息与生物医药实验室等重大创新载体的建设。

创新载体服务包含3 类制造业务：

（1）智能制造。主动顺应制造业数字化、网络化、智能化趋势，促进新一代信息技术和制造技术深度融合，建设智能工厂、数字化车间，推动传统制造向智能制造跃升。

（2）绿色制造。推行用地集约化、原料无害化、生产清洁化、废物资源化、能源低碳化的绿色制造模式，利用绿色建筑技术建设厂房，优先选用先进清洁生产技术和高效末端治理装备，应用绿色技术、绿色材料、绿色工艺开发生产绿色产品，主动向资源节约、环境友好型企业转型。

（3）新型生物医药产业，以高端医疗器械和生物医药产业为主，集研发、孵化、生产为一体，重点发展高端生物医药领域的研发总部、生产制造、企业孵化和支撑服务等产业功能。

2018 年5 月，深圳出台了产业用地节约集约利用政策《深圳市扶持实体经济发展促进产业用地节约集约利用的管理规定》。按照规定，只通过提高88km2存量产业用地的容积率，就可为深圳增加1.6 亿m2的产业空间，解决产业发展空间紧缺的难题。

新产业的发展带来新的建设需求，给了建筑师新的业务机会，笔者有幸参与设计建造了其中的几个项目，并在实践中形成了一些感悟和体会。

2 新空间

2.1 需求调研

建筑师业务中，一个重要的工作就是摸清业主需求，因此，在设计工作之初，我们主要通过考察、调研、访谈、查找资料等方式，了解“新空间”的基本需求并编制需求表（表1-4）。

表1 生物医药类厂房设计参数

表2 医疗器械类厂房设计参数

表3 新能源汽车相关产业厂房主要设计参数

表4 精密仪器类厂房设计参数

2.2 空间策划

空间策划以需求调研为基础，以整体统筹和系统优化为方法，以建筑空间使用效益最优为目标，通过建筑师的专业归纳，最终形成如下新产业空间的策划要点并得到业主批准，新产业空间的策划要点为：

（1）面积大：标准层面积，以3000 ～4000m2为宜，首层尽量做大面积，宜不小于10,000m2，如果要建设生产线，则生产线长度不小于70m；

（2）空间高：首层净高需求不小于6m，宜做到8m；二层以上产业空间层高宜不小于6m，研发办公楼层层高宜为4.5m；

（3）荷载重：有生产线的楼层荷载要求较高，基本为2 ～2.5t/m2；

（4）流线畅：产业空间必然存在工艺和流程的需求，而这种需求往往通过线性的平面流线来得以满足。因此，从原料卸货到产线，再到产品出货的流线组织对产业空间设计尤显重要。卸货出货建议统一设置装载平台；

（5）立体：不同于传统低多层工业厂房主要在平面范围内布置生产线，新产业用房不仅要考虑平面流线组织，而且要在三维立体空间中组织生产流线。垂直交通需配置货梯，货梯载重一般需要2 ～3t，客梯可参考办公楼客梯相关指标设置；

（6）集中：竖向交通及配套设施宜布置在外侧，留出集中的内部空间便于布置产线；

（7）独立：各层宜独立，宜依据入驻企业权属关系独立分区。无需中央空调，需预留空调位和分区独立空调；

（8）多变：由于此类空间多为政府投资平台持有，主要业务方向确定。但由于入驻企业尚未明确，对于具体的企业空间需求并不确定。为此，需要提供柔性可变空间，使之能够满足多种使用功能的需求；

（9）零排放：入驻企业均应承诺无废水废气排放，少部分有废渣，由企业自行处理；

（10）功能复合：“摩天工厂”并不等于“100m的工厂”。由于大部分制造企业只能接受6 ～7 层以下的楼层，因此，一般在7 层以下安排生产型工厂，7～10 层为实验研究型工厂，10 层以上主要为研发和实验功能，主要功能为科研产业用房；

（11）水电要求：用水量不大，正常供水即可。由于大型仪器较多，用电量较大，正常工业电压380V 即可。但对电压稳定要求较高，最好有备用电路；

（12）防火要求：产业用房对防火等级要求不是特别高，丙级以上即可，少部分企业（如新能源电池）需乙级以上。鉴于国内目前尚无高层工业厂房相关防火规范，建议编制并进一步规范；

（13）装修标准：厂房以毛坯为主，由入驻企业自行装修。公共部分宜采用工业化生产的内装部品，在现场以干法装修的方式进行装修。

2.3 设计应对

建筑师是空间的艺术家，其工作主要就是研究各类空间，并使之适应于各种需求。针对以上特点，为了适应不同类型的产业空间需求，更好地支撑新产业发展，我们提出了“柔性厂房”的概念。高层柔性厂房裙房部分可达10,000m2，标准层面积控制在3000m2以上，满足高层厂房防火规范和疏散距离的要求。柱网尺寸宜选择长短跨配合（本案例为12.6m×8.4m），层高6m 以上，尽量满足高科技工厂生产工艺的空间需求（图1）。最大90m 的垂直折叠生产线需求（图2）。可根据需求，将任意一层改造为高货架仓库，满足个别生产工艺对于来料或成品存储的需求（图3）。

图1 生产空间示意

图2 立体生产线示意

图3 空间扩容示意

柔性厂房还可以在底层裙房部分，通过设置最缓1:15，最大转弯半径12m 的旋转坡道，满足小型货车上楼需求。

3 新营造

新的产业空间楼层高、面积大、荷载重、柱跨长，如果采用传统的现浇混凝土建造方式，需要高支撑、满堂架，还有大量的木模板、外架、抹灰等“拖泥带水”的施工作业等。不仅需要大量的人工作业，而且往往伴随较大的安全风险。应该用少支模、免外架、免抹灰、少焊接的新型建造工艺来代替，从而减少工人劳动强度、减少建筑垃圾排放、提高建造效率、提高工程质量和性能。目前，较为成熟的工业化建造技术有装配式混凝土框架结构、装配式钢-混凝土混合框架结构、装配式预应力混凝土框架结构等。如何进行设计选型，必然是建筑师和结构工程师们面临的一个关键问题。

常规设计中的结构选型，多从工程成本方面来进行判断。往往落在材料用量和价格上，最终以“用钢量”作为关键指标，决定各种技术措施的优劣。在工业化新型建造方式下，必须抛弃固有的“路径依赖”，不能仅仅用单一指标作为决策依据。需要建立完整的指标体系，全面系统分析并得出科学的结论。为此，我们以系统最优为目标，尝试着对结构系统的选型开展对比研究（表5）。

从表5 可知，如果仅依据材料价格，选择现浇混凝土框架最优；而增加施工措施费参数后，则装配式钢-混凝土混合框架选型最优。综合评估与单一指标得出的结论大相径庭。可见，系统分析方法对工程建设的科学决策至关重要。

表5 3 种结构选型对比表

3.1 系统分析

建筑是一个非常复杂的系统，它包括物质和精神、科技和人文、形式和功能等诸多方面。工业化建筑的主要研究对象是建筑的建造方式，需要探究建筑材料、设备等的组合关系，回答这些物质如何建构成一栋建筑 。因此，我们在研究建造时，更多地以“物”为对象。

图4 “汽车上楼”示意

系统工程是研究系统最优化的工程技术，工业化建筑的系统设计仅知道系统构成还远远不够，如何实现“最优化”？是建筑师需要关注并解决的头等大事。我们在研究“摩天工厂”的结构系统时，通过前面的设计应对，已经基本确定了高层新产业空间的构成要素。即钢管混凝土柱、钢梁、预应力空心楼板组成高层厂房的主体结构。但是，尚未研究清楚“新空间”的跨度、高度及装配方式，尚未清晰地判断其优劣。此时，由建筑师牵头进行系统分析和优化设计显得尤其重要。通过多专业紧密协同，采取条件预设、模型计算、对比分析、材料用量、施工成本、综合评价等分析评价方法来辅助决策，力求找到工程建设的“最优解决方案”。通过系统分析，拿出“最优化”的系统设计。不同于结构专业的结构计算，此类基于系统优化需求而进行的计算，主要立足于材料、工艺、人力、效率等的技术经济测算，其目标始终聚焦于“整体最优”。

为了通过系统优化有效控制好建筑成本，我们研发实践了一套“摩天工厂”工业化建造系统解决方案。由于工程尚在实施过程中，且“柔性工厂”的机电和内装两大系统现阶段尚待入驻企业确定之后才能确定，目前的设计工作主要是围绕结构系统和围护系统来开展。因此本研究重点聚焦于结构和围护两大系统。

3.2 结构系统设计及优化

3.2.1 条件预设

“摩天工厂”结构高度一般为100m 以内，为满足各类高科技工业厂房的空间要求，要求为不小于纵向6 跨、跨度8m 的框架结构。结构系统拟选用钢管混凝土柱、钢梁、预应力空心楼板为主要结构构件，进行装配化施工并组合成框架结构体系。预设横向跨度、建筑层高、荷载3 个变量并模拟分析其对结构受力的影响（图5）。

图5 厂房空间跨度分析

变量1，横向跨度，5 种，分别为：8m，12m，13m，14m，15m；

变量2，建筑层高，3 种，分别为：6m、8m、10m；

变量3，荷载取值，2 种，分别为：6.5kN/m2、8kN/m2。

通过计算分析，在3 种控制变量的24 种不同组合条件下，结构位移角、位移比、周期比等指标均可满足规范要求，结构布置在合理区间。随着层高越高，结构刚度越小，层间变形越大。分析表明跨度对结构刚度影响较小（图6），减少跨数，加大跨度能确保总体结构安全。

图6 不同参数对比图

3.2.2 对比分析

3.2.2.1 材料用量

预设了柱网尺寸8.4m×8.4m 和8.4m×12.6m和建筑层高4.5m 和6m 两个变量，并进行模拟分析（图7）。

图7 两种预设的平面轴网及层高对比

通过对比可见，跨度与钢材用量成正比：随跨度增加，钢材用量上升；层高与钢材用量成正比：钢材用量随着层高增加而上升。通过代入工程量信息，计算出不同跨度和高度的建造成本，作为系统优化的依据（图8、9，表6）。

表6 用钢量对比表

图8 基于跨度的用钢量曲线对比

图9 基于层高的用钢量曲线对比

3.2.2.2 施工成本

（1）吊装成本：面积相同情况下跨度较大的模型吊次较少，即吊次随跨数减少而降低，增大跨度可缩减塔吊所涉及的人工费、机械费及相关税金、措施费等；

（2）焊接成本：跨数低时节点减少，相应焊点数量降低，所需人工减少，可降低相应的人工费、材料费、机械费、税金、措施费，并可缩短工期；

（3）运输成本:材料总件数减少可减少相应的材料运输、放置、看管及相应的土地租赁费用。

（4）措施成本：为了实现安全文明施工，需要采取相应的支撑、保护等工程措施，根据设计要求可测算出不同措施的成本。

3.2.3 综合成本

将上述所有成本综合起来，构成综合成本，其内容包含：用钢量、混凝土用量和主要受影响的施工成本（吊次，人工、场地、塔吊及相关措施费及税金）；

（1）长向搁置空心板：经模拟测算，跨度8.4m，层高4.5m 时单价最低，设为A 元；跨度不变，层高变为6m 时为A+170 元；跨度12.6m，层高4.5m时为A+140 元；跨度12.6m，层高6m 时单价为A+270 元 ；标准楼栋跨度12.6m 建造用时138 天；较跨度8.4m 建造节省用时22 天；

（2）短向搁置空心板：跨度8.4m，层高4.5m时单价最低，为A 元；经模拟测算，跨度12.6m，层高4.5m 时为A+170 元；当跨度12.6m，层高6m时单价为A+300 元 ；

3.2.4 运营收入对比

对意向入驻的企业进行调研摸底，80%的意向入驻企业均选择12.6m 跨度，6～10m 层高的新产业空间。并愿意为此多支付10 元/m2的月租金。虽然主体结构建造成本增加270～300 元/m2，但建造效率提升15%，运营收益每月提高10 元/m2。从整体最优的角度来分析，虽然结构跨度增加和层高增加会提高材料用量，提高了造价。但是运营收益较高，能在3 年内实现成本增量的回收。最终，经业主决策，选取了8.4m×12.6m 的柱网和标准层6m 层高作为柔性厂房的推荐尺寸。

通过系统分析及优化，我们可以确定设计选型：采用长向搁置空心楼板方案，短跨8.4m，长跨12.6m，层高6m，单方造价增加270 元，月租金提高10 元/m2。

3.3 围护系统设计及优化

在较早的两个项目中，围护系统更多考虑建筑形式的需要。以生物医药基地项目为例，主要采用“金属幕墙+玻璃幕墙”组合的围护系统，在建造阶段无法实现免外架施工 。新能源汽车产业基地在总结生物医药基地经验教训的基础上，设计了装配式预制PC 外墙，用于代替传统幕墙，不仅实现了免外架施工，而且让建筑外墙更耐久、更经济、更美观。

但是，应该看到，围护系统不仅只有美观功能，功能需求应该是其重要的设计出发点，对新型产业空间而言，围护系统除了隔热、防水和防护等传统功能外，还需要考虑入驻企业加装空调、空气净化和环保设备等的需求，这些都是“柔性厂房”需要考虑的内容。为此，在深港生物医药产业园的设计中，我们建议采取“设备环廊”的方式来应对，所谓“设备环廊”，就是通过了解工厂可能需要的各类设备（如空调室外机等）几何尺寸、设备参数和安装方法。结合设备安装需求提供扩展空间，并结合悬挑外廊，辅之以穿孔铝板及竖向遮阳板等，提高外立面遮阳效果。在不布置室外设备的部位，可设置外立面绿植增强防风及降噪性能，提供适宜的生产环境（图10）。

图10 带“设备环廊”和绿植槽的围护系统设计

4 案例简介

4.1 坪山生物医药加速器项目

该项目位于深圳市坪山新区坑梓街道，东临金联路，南临金辉路，北临聚青路，南临临惠路；项目共有14 栋单体建筑、其中2 栋综合楼研发用房、12 栋无污染厂房（图11-13）。经济指标见表7。

图11 坪山生物医药加速器项目功能分析

图12 生物医药加速器园区鸟瞰

图13 生物医药加速器园区街景

该项目是已有生物医药加速器项目的二期扩建项目，包括医药器械研发生产和生物医药研发制造两大功能，小高层部分为研发厂房；高层及超高层部分为研发办公、职工宿舍及酒店。

4.2 坪山新能源汽车产业园区项目

该项目位于深圳市坪山区金辉路与秋田路交汇处东北角，是深圳坪山吸收、引进国际先进新能源汽车头部研发、制造创新机构的重点工程。其中一栋100m 共计17 层的“摩天工厂”是目前在建最高的工业厂房建设项目（图14-16）。经济指标参见表7。

图14 坪山新能源汽车产业园区鸟瞰

图15 坪山新能源汽车产业园区街景

图16 “摩天工厂”

4.3 深港生物医药产业园

该项目位于深圳市坪山区锦绣东路与荣田路交汇处东北角，是深圳在疫情后，为强化深港两地的生物医药新技术、新工艺、新产品研发创新而打造的联合产业创新空间（图17、18）。经济指标参见表7。

图17 深港生物医药产业园园区立面

图18 深港生物医药产业园园区街景

表7 案例经济指标

图19 构件单元模型

图20 环廊栏板

图21 环廊栏板

图22 环廊栏板

图23 3种环廊栏板组合出多变的立面形式

图24 环廊栏板组合效果（1 -24 图片来源：中建科技集团有限公司EPC工程总承包设计项目）

5 结语

综上所述，智能制造、新能源汽车、生物医药等高新技术产业不同于传统工业，其生产物、生产工艺和供应链特点具备“工业上楼”的条件，高新技术产业带来了新空间的需求，具备较大的发展潜力，是值得认真研究的新建筑类型。这种新空间除了层高高、面积大、荷载重外，还应该满足多功能复合、柔性可变的空间需求。高层工业厂房适宜于采取工业化新型建造方式来建设，新的营造方式可以少支模、免外架、免抹灰、少焊接，能够减少工人劳动强度、减少建筑垃圾排放、提高建造效率、提高工程质量和性能。在设计选型时应从系统最优的角度进行统筹谋划，实现最佳效益。□