技术与部品部件集成的研究与实践——以福州市建筑设计院有限责任公司新楼为例

杨大东

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

0 引言

当下，传统的建筑产业较之互联网等新兴产业，其利润率正急剧下滑。与此同时,建筑行业正面临转型与发展的新机遇。作为设计一线工作的建筑师，身处于行业转型的历史进程中，如何把握住新的历史机遇并参与其中，尤为重要。基于技术与部品部件集成带来的技术优势，建筑师在福州市建筑设计院有限责任公司新楼的设计与建造中整合应用了多项先进技术。本文将该设计实践为基点，展开相关论述。

1 建筑行业的危机与机遇

1.1 建筑行业的危机与诉求

随着我国经济迅速发展和结构的转型，原先依靠大量农民工的传统建筑行业，其劳动力来源及农民工劳动效率的提升已不可持续[1]。与此同时，愈加激烈的市场竞争，需要工期更短、造价更低、完成度更高的建筑生产、建造模式。人类的可持续发展，对建筑行业提出相关迫切诉求，如节能、绿色、低碳等；日益信息化的社会对建筑行业提出了更高的要求，如建筑智能化、智慧城市、智能建造等。

1.2 危机的背后伴随着机遇

当今社会已逐渐从工业化时代迈向后工业化时代，个体的定制化已经成为了可能[2]。迅速发展的信息化、数字化技术向全社会、全行业展示出了众多的可能性。新一代的建筑工人具备了一定文化知识，劳动力价格随之不断提升，也使得劳动效率的提高具备了相应的内生动力。社会的进步，促使建筑行业装配式部品部件的推广成为了可能，这个模式包含了部品部件的生产与集成。近几年，国务院、各部委针对行业转型的趋势，陆续出台了一系列相关文件[3-6]，为技术与部品部件的发展提供了政策引领与支持。

2 技术进步成为建筑行业发展的推力

从建筑行业的危机与机遇可以看出，以技术与部品部件集成带动的技术进步，将成为推动建筑产业发展的巨大力量。

首先，技术与部品部件集成能够提高建筑产业的劳动效率，使建筑业更接近工业，能够像造汽车一样造房子；技术与部品部件集成能够降低建造成本，不再会出现一台现代化冰箱与几块低技术墙板等价的荒谬现象；技术与部品部件集成，能够把大量的工作转移至工厂的生产车间，能够降低建筑工人现场工作的强度和时间、极大改善了劳动环境水平、促进建筑的完成度提升，也让用户在使用过程中，更加安心、生活更加方便，减少被外部装修活动等打扰的情况。在数字化浪潮的时代背景中，作为智慧城市的重要组成部分，建筑产业将向更为绿色、低碳与可持续的方向发展。

其次，技术与部品部件集成，能够改变建筑行业现行立项、设计、施工和验收中阻碍生产力发展的部分。同时，技术与部品部件集成，将会促进《中华人民共和国建筑法》等相关法律法规的调整，充分利用EPC(工程总承包)等可能性，发挥设计在其中的主导作用；进一步培养部品部件集成企业和技术能力。此外，还能极大推动建筑业的劳动生产率，使之适应时代进步。

3 个案剖析：以福州市建筑设计院有限责任公司新楼为例

如今，技术与部品部件集成具有重大意义。它在我司承担的福州市建筑设计院有限责任公司新楼(以下简称院新楼)的项目中得到了运用，其具体的技术集成运用在哪些领域？本文将以院新楼项目为例，展示在设计、施工及运营维护等全生命周期过程中的集成应用。

3.1 项目概述

福州市建筑设计院有限责任公司院新楼位于福州市高新区海西高新技术产业园，地处浦上大桥西桥头堡位置，西临旗山大道，南临马保路与清华紫光科技园相望，北侧为中海恒润大厦用地，东侧为高新区投资大厦用地，可远眺乌龙江江面。院新楼项目用地地势平整，用地面积9710.4 m2，院新楼占地面积3139.45 m2，总建筑面积为31714.1 m2。建筑分为南楼和北楼，在底部和顶部进行连接，建筑中部设置内庭院，整体呈“回”字形布局如图1所示。地上一至十一层为企业办公用房，面积为24 272.3 m2，地下一层设置停车场及相关设备用房，面积7441.8 m2。项目按绿建三星标准进行设计，作为工业化建筑采用了预制叠合楼板、预制外挂墙板和预制内墙板，系统门窗，室内装修进行一体化施工，预制率可达20.127%。

图1 福州市建筑设计院有限责任公司新院楼效果图

3.2 技术创新点概述

基于我司技术与部品部件集成的技术积淀，设计院新楼的技术创新点主要表现在以下5个方面：

(1)新型工业化及装配式建筑技术创新；

(2)BIM技术创新；

(3)健康建筑技术创新；

(4)智能建筑技术创新；

(5)超低能耗建筑技术及氢燃料电池技术运用。

具体阐述如下。

3.2.1 新型工业化及装配式建筑技术创新点

新型工业化及装配式建筑技术，可以有效带动建筑行业全面转型。在设计院新楼的设计与建造中，进行了适应福建地区的若干技术探索，形成我司的技术储备。技术创新点主要包括：PC外挂墙板与钢管栓结构、大跨度钢桁架技术等。在外墙PC挂板集成体系方面，探索了适合福建地区的预制混凝土外挂墙板技术，外挂墙板采用折型的方页岩陶粒混凝土的技术运用。此外，还对折型PC外挂墙板的连接节点设计与施工技术、折型PC外挂墙板与高性能系统门窗连接技术进行了相关前沿研究与实验(图2)，并进入工业化生产环节(图3)。PC外挂墙板作为装配式部品部件集成技术的主要载体，以及本文实证研究的主体部分，将在下一章节展开详细论述。在结构创新方面，体现在钢管栓技术与大跨度钢桁架技术及施工提升技术运用上。

图2 对折型PC外挂墙板进行前沿性研究与实验 图3 可批量化工业生产的折型PC外挂墙板

图4 院新楼建筑、结构、机电BIM模型

3.2.2 BIM技术创新点

装配式建筑最明显的特点，是可采用标准化的部品部件。而BIM在其软件开发与运用上，天然地契合装配式建筑部品部件集成的思路，建立标准化预制构件库进行设计，以避免设计人员的设计失误，促使生产效率和设计质量的提高。同时，可通过三维可视化手段，进行虚拟数字化建造。

结合设计新院楼项目本身的特点，BIM技术在各个阶段得到了充分的运用。在项目设计前期阶段，利用无人机扫描结合点三维模型，完成基于BIM平台的现状采集，为设计人员开展设计提供了便捷、精准的研究平台。在项目设计阶段，构建全专业BIM建筑信息化模型(图4)，对机电管线施工进行技术深化，检测碰撞、调整净高，指导施工图进行优化设计。在项目施工阶段，精细化的BIM建筑技术，及对生产、施工的直接指导，运用BIM精细化模型，对不同重量墙板的吊装方案，配合进行经济性分析，BIM工程量统计，在设计与施工过程中进行成本精细化把控，基于BIM应用智慧工地技术。在项目对外展示阶段，用户可扫码查看建筑信息模型(图5)。在建筑全生命周期管理中，设计院新楼BIM建筑信息化模型将会在设计、施工以及运维全过程环节进行协同运用。

图5 手机扫码查看院新楼BIM模型

3.2.3 健康建筑技术创新点

一场突如其来的新冠肺炎疫情，给人民生命安全和身体健康带来严重威胁，促使全社会高度关注人民健康的保障，建立公共卫生预警机制。而健康建筑正是这一保障的有力载体。在建筑功能方面，设计院新楼将工作和运动休闲进行融合设计，保障了充足的锻炼场所。在环境调控方面，采用高可靠性水质控制和供水安全技术措施、应用高效能智能室内空气品质控制及室内环境控制技术(图6)、运用护眼灯等相关技术，在饮用水、空气和采光方面给予员工安全保障。在应对突发疫情方面，设计院新楼采用门禁无触通行的智能楼宇门禁抗疫系统,如图7所示。

图6 空调感应智慧眼

图7 楼宇门禁抗疫技术

3.2.4 智能建筑技术创新点

设计院新楼作为智能建筑，如同装备了一颗智慧的“大脑”。首先，新楼妥当安排了“大脑神经”的走线空间，采取高度灵活、安装便捷的架空地板布线技术，在建设成为现今较为先进的“大脑”同时，也为未来的智能化升级改造创造了可能性。新楼智慧“大脑”包含了楼宇智能控制、人脸识别以及物联网技术、智能灯光及照明管理系统、智慧空调技术以及智慧停车技术。

3.2.5 超低能耗建筑技术及氢燃料电池技术运用

气候变暖已成为全球共同面对的问题，我国也力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，体现了我国在推动构建人类命运共同体事业中的大国责任与担当。目前，建筑物总能耗占全国能源消耗总量的1/3，建筑物碳排放同样占据了较大比例，可持续发展对建筑发展提出了新的要求。因此，在新楼项目中对节能减排和能源的创新转型进行了前瞻性探索。例如，新楼的南楼九层设置了超低能耗实验室，采用超低能耗建筑技术，如图8所示；采用固态氢燃料电池实验技术，如图9所示；符合超低能耗技术要求的集成空调技术运用。新楼建筑本身，加强门窗气密性设计，对相关门窗节点提出了更高要求，执行更高的标准，如图10所示。

图8 超低能耗实验室研究实验系统图

图9 氢燃料电池系统

图10 超低能耗(对于门窗气密性的要求)

3.3 体系归一：技术与部品部件集成之后的再集成

技术与部品部件集成运用，并非只是先进技术的简单堆砌。建筑作为一个整体，需要建筑师对各个技术专项进行统筹规划与协调，尤其是对于设计院新楼采用了众多技术集成的创新型建筑，更需技术与部品部件集成之后的再集成。因此在各个环节，各专业、分项、各个子项都应汇总于建筑师，由建筑师协调、平衡，再集成于一栋建筑的设计、施工、采购和运营维护，贯穿全过程，达成总体目标，以彰显技术与部品部件集成优势。这在设计院新楼的实践中得到了充分的体现。

4 以折型PC外挂墙板集成体系作为项目技术创新亮点

4.1 折型PC外挂墙板集成体系基本概况

设计院新楼独特的折型外墙PC挂板在建筑外立面肌理与颜色上，从周边的环境中脱颖而出，产生出“熟悉的陌生感”“简单的复杂性”的直观感受。新楼独特的形态特征，源于建筑外围护的装配式折型PC外挂墙板，折型PC外挂墙板源于基本的建筑学问题，同时又集成了多项子系统。

4.1.1 利用折型PC外挂墙板解决由场地产生的建筑朝向问题

设计院新楼所处的基地边界与正南北向存在30°夹角，建筑由于顺应基地边界，使其朝向亦与正南北存在着夹角，因此将墙面设计成波纹式折板，让窗口朝向南侧，获得通透的观景面，同时避免了西晒影响(图11)，为建筑创造了良好的节能基础。

图11 折型PC外挂墙板的建筑学意义

4.1.2 折型PC外挂墙板模块种类及自身荷载

折型PC外挂墙板采用不规则异形平面外挂墙板。基于新楼简洁有力的长方体体块，折型PC外挂墙板经多次合理拆分优化分类后，形成三种模块种类：①南北立面折板模块；②东西立面折板模块；③四处端角部折板模块。材料选用新型配方页岩陶粒混凝土。页岩陶粒种类和参量配比通过多次试验选定，最终达到减重约20%，位于标准层的南北立面折板模块质量为2.75 t，其下挂折板模块质量为3.83 t，位于标准层的东西立面折板模块质量为3.54 t，其下挂折板模块质量为4.93 t，位于标准层的四角部折板模块质量为4.15 t，其下挂折板模块质量为5.78 t，如图12所示。

图12 装配式建筑技术模块化外墙挂板种类及自身荷载

4.1.3 BIM预制折形外墙PC挂板精细化建模分析

利用BIM技术平台对预制外挂墙板进行精细化建模，在模型进行碰撞检查，对不易施工位置墙板优化调整，如图13～图14所示。同时，精细化建模，能够自动生成墙板具体参数，根据墙板重量及其所处位置，制定具体的施工吊装方案(判断采用塔吊或是汽车吊、吊装顺序、施工流水等)，如图15所示。在预制构件生产阶段，可利用BIM技术平台建立墙板的钢筋模型，三维标注钢筋，并直接生成图纸，充分发挥BIM技术三维立体可视化的优势，赢得预制厂家的广泛认可，对推动BIM正向设计迈出关键性的一步，如图16所示。

图13 折形PC外挂墙板构造的拆分与拼装

图14 折形PC外挂墙板节点模型模拟与施工现场实证

图15 采用BIM平台对不同质量外墙板板吊装方案的判断

图16 折形PC外挂墙板配筋模型以及上暗梁配筋做法

4.2 折型PC外挂墙板集成体系的构成技术亮点

折型PC外挂墙板集成体系由各个子系统所构成，主要包含了5个方面：①外墙陶粒混凝土轻质挂板；②高性能集成门窗系统；③幕墙系统；④挂板连接节点设计及施工策划；⑤架空地板集成吊挂。详细阐述如下。

4.2.1 外墙陶粒混凝土轻质挂板

以陶粒代替石子作为混凝土的骨料，以减少挂板自身荷载。骨料材料使用了新型配，即方页岩陶粒混凝土。页岩陶粒混凝土具有重量轻、保温性能好、抗渗性好、耐火性好、施工适应性强等特点；页岩陶粒的种类和参量配比通过多次试验选定，最终减重可达20%。

4.2.2 高性能集成门窗系统(含高性能玻璃、节点连接设计等)

设计院新楼外立面门窗分布于预制外挂墙板之间，起到通风、采光与观景功能。外立面门窗与折型PC外挂墙板一虚一实的材料搭配，形成竖向条纹立面肌理。与外挂墙板预制做法相匹配，外立面门窗系统集成体系。

折型PC外挂墙板与门窗系统并非同步成型，而是在外挂墙板吊挂完成后，进行集成门窗安装。因此，在外挂墙板与集成门窗之间必然存在拼缝，而拼缝的处理关系到建筑能否抵抗外界极端的气候。为此，我司在预制构件工厂进行门窗实验模拟，对墙板及墙板节点在小、中、大震下的变形性能及气密、水密、抗风压性能进行试验(图17)。试验结果证明，外挂墙板及集成门窗系统达到优良的物理安全性和耐久性要求。

图17 高性能集成门窗系统气密、水密、抗风压性能试验

门窗系统中的外窗采用高性能玻璃，其特点是有较好的节能、保温、隔热，保持室内环境舒适度。所采用的高性能玻璃在玻璃夹层内充填导热系数低的空气层，使得该玻璃的热贯流率约为普通单板玻璃的一半。高性能玻璃与内侧喷涂保温材料与预制PC外墙挂板，共同构成设计院新楼有效阻隔能量传导的外围护系统。

4.2.3 幕墙系统

设计院新楼的幕墙系统分为两类，第一类为常规玻璃幕墙，主要分布在设计院新楼的建筑内庭院外墙(图18)，第二类设置在设计院新楼外立面，位于预制折型PC外挂墙板之间。第二类幕墙宽度尺寸较小，需要在预制PC挂板设置高性能附框连接。

图18 院新楼内庭院玻璃幕墙

4.2.4 挂板连接节点设计及施工策划

预制折型PC外挂墙板与建筑结构主体的连接，是通过金属构件外挂来实现。外挂墙板采用上承式点支承预制混凝土外挂墙板转动型的连接节点，预留形变容纳度，新型节点系统使墙板运动适应主体结构变形，同时简化了节点设计，提升外挂墙板安装效率，如图19所示。

图19 挂板连接节点设计

4.2.5 架空地板、家具集成

在设计院新楼统一设计方法框架下，室内地板以及部分家具亦采取装配与集成式设计安装,如图20所示。金属制的挂板连接节点在没有修饰的情况下，显得过于粗大、锈色，架空地板能够快速地实现地面面层施工，利用地面面层与结构层之间的空隙距离，可将挂板连接节点进行妥当隐藏。同样，沿外墙布置的集成家具，在修饰内墙面的同时，也将高处的连接节点进行巧妙隐藏。此外，架空地板、家具集成系统便于安装与拆卸，为金属制的挂板连接节点的检查、检修提供了便利。

图20 架空地板、家具集成

4.3 折型PC外挂墙板集成体系的优势与有待改进之处

在外墙PC挂板集成体系的设计、施工实践中，较好地完成了复杂构造的预制、运输、吊装和安装等流程，展现了装配式设计、施工的优点。同时，对预算起到了较好的明确作用，对造价起到了控制作用，但也出现了安装误差较大，无法达到窗框、玻璃的误差要求，节点设计还过于复杂、造价较高、施工吊装也较复杂等缺点。这些都需要在未来逐步积累经验的基础上加以克服，进行设计迭代升级。

4.4 折型PC外挂墙板集成体系在项目运用中的环节与程序

在设计过程中，应即与施工单位沟通，并在招标环节确认相应部品部件的生产、及集成供应、检测、运输、配合等事项。制造生产环节是联系前端设计和后端安装施工的重要环节，应借鉴其他先进生产理念，总结已有工程经验，在全过程和全程序链条的基础上，构建出精细化管理体系。

5 结语

设计院新楼的设计与建造，不仅是一项常规的复杂型工程项目，更是一项实证性的研究工作。它证实了新型工业化及装配式建筑技术、BIM技术、健康建筑技术、智能建筑技术以及超低能耗建筑技术及氢燃料电池技术在我省应用的适宜性，从而充分体现了技术与部品部件集成的优越性。技术与部品部件集成在实施过程中，做到了省工、省时，减少劳动力成本的基本诉求，这也是我司对技术与部品部件集成持续性研究的推动力。在设计院新楼建筑生产新模式的探索中，初步建立了具有自主知识产权的技术与部品部件集成库，集合各专业优势力量，打破了传统的设计、施工等环节完全脱离的思维惯性，打通了行业上下游关键环节，建构了适合企业自身的应用平台，技术和部品部件集成的理念，并已化作我司设计理念与方法，在日常工作中得到应用推广。

作为技术和部品部件集成探索与实践的先行者，我司从中积累了宝贵经验，但同时也留下了些许遗憾，部分问题有待做进一步的研究与解决。设计院新楼作为探索案例，权当抛砖引玉，供业内同行对现阶段技术与部品部件集成技术进行进一步思考。