装配式建筑设计中的优化设计流程及方法

朱雅卉

（太原市建筑设计研究院， 山西 太原 030002）

过去十几年是我国装配式建筑行业的快速发展阶段， 装配式建筑获得了行业的一致认可， 其应用范围也在不断拓展。 我国对装配式建筑的发展极为重视，并且在2015 年推出了 《工业化建筑评价标准》， 促进了装配式建筑行业的规范化发展。 这一标准也对相关企业提出了更高要求， 相关企业应在全面了解装配式建筑基础上， 持续开展对各个环节的优化， 以此进一步推动装配式行业的发展。

但当前很多因素都在制约着装配式建筑行业的进一步发展， 而且行业竞争压力也在不断提升， 企业在这样背景下应积极采用更为有效的发展策略。 对此，笔者觉得相关企业应从装配式建筑的设计入手， 通过不断优化设计流程、 加强对各种现代科技手段的应用促进产业创新， 真正做到提升装配式建筑的质量、 效率， 并将节能环保理念充分落实， 以此才能推动装配式建筑的进一步发展， 同时也促进企业的可持续发展。

1 装配式建筑概述

所谓装配式建筑指的就是在工厂预制建筑构件，比如柱、 梁、 内外墙、 空调板等， 然后将预制构件运至施工现场并进行组装。 装配式建筑可分为多种类型， 比如高层、 多层和低层混凝土装配式建筑， 剪力墙、 框架核心筒、 框架 -剪力墙结构的装配式建筑等。 当前我国的装配式建筑应用较为广泛， 剪力墙结构主要用于住宅建筑， 框架结构通常用于商场或者厂房的建设中。

装配式建筑的优势有以下几个方面。 第一， 建筑质量有保障。 装配式建筑的各种预制构件都是按照标准模板以及规格提前制作完毕的， 只需要将构件运至现场对应安装， 而无需在现场环境中进行构件施工，在制作各种预制构件时可有效控制环境因素影响， 更减少了很多中间环节。 第二， 有利于节能环保理念的落实。 装配式建筑的循环经济特点十分明显， 这是因为很多在装配式建筑中的材料都可以循环应用， 如钢模板， 这样就不需要在钢模板的施工上投入过多资源， 由于构件需要在工厂中提前制作， 不需要在施工现场使用过多的机械设备和各种材料， 可明显减轻对周围环境的影响。 第三， 安全隐患明显降低。 在传统建筑模式中， 高空作业、 露天作业等非常普遍， 因此安全隐患也比较多， 而在装配式建筑施工中， 将预制构件运到施工现场以后， 可直接吊装、 组装， 整个过程由专业团队来完成， 这种方式施工周期短， 操作面小， 可实现对安全隐患的有效控制。 第四， 促进施工效率的显著提升。 构件的施工、 成型在整个建筑工程当中是占用时间最长的环节， 在施工中还需要考虑安全、 成本等多项内容， 不利于提升施工效率。 而装配式建筑的构件已经提前制作完成， 在现场只需要按照标准流程进行安装， 现场施工环节明显缩减， 极大提升了施工效率。 标准化、 模数化、 集成化、 少规格多组合是装配式设计的基本原则。

2 装配式建筑设计流程优化

2.1 工程简介

以某小区为例， 本装配式建筑工程项目为居民小区建筑， 项目总建筑面积 221773.33m， 共有8 个住宅单体， 装配式建筑实施面积179565.24m。 本项目各楼座全部采用现浇混凝土结构， 单体的结构形式为剪力墙结构。 按照2020 年4 月13 日市住建局颁布《关于进一步加强大原市装配式建筑工作的通知》 (并住建字 (2020) 82 号)， 山西省 《装配式建筑评价标准》 (DBJ04/T396—2019) 进行评价。 本项目竖向构件应用高精度铝模， 楼板采用装配式叠合板，

预制叠合楼板由钢筋、 钢筋桁架和混凝土组成，其中预制层60mm厚的钢筋混凝土地和楼板， 安装完成后绑扎上铁钢筋， 再浇注现浇混凝土。 地和楼板采用国际图集 《装配式混凝土结构连接节点构造》 (楼盖和楼梯) (15G310 -1) 推荐的连接方式。

围护墙和内隔墙采用ALC条板， ALC条板是以粉煤灰 (或硅砂)、 水泥、 石灰等为主原料， 内含经过处理的增强钢筋、 经过高压蒸汽养护而成的多气孔混凝土成型板材， 是一种性能优越的新型建筑材料，具有高强轻质、 保温隔热、 阻燃耐火、 吸声隔音、 施工便捷、 经济节约等优点。 以2 号楼为例， 装配率统计如表1。

表1 装配率统计表

在设计施工方案时， 由于需要和业主进行反复核对， 导致方案被多次修改， 在施工图纸和设计中由于多次修改施工方案， 因此施工图纸也随着方案多次修改， 令施工图纸出现了很多问题。 在拆分设计阶段，更要求相关人员结合生产制造、 施工工艺等进行拆分设计， 否则会导致返工、 构件报废等情况出现， 设计竣工图纸时由于前几个阶段的设计中浪费了大量时间， 不仅造成了施工延误， 而且极大增加了竣工图纸的设计难度和工作量。 结合该工程在设计阶段出现的各种问题， 应分别从相应设计阶段角度入手开展优化。

2.2 方案设计的优化

方案设计对整个工程的进度、 质量、 成本控制等都具有直接影响， 因此在装配式建筑的设计阶段必须提高重视， 一方面保证整个工程的顺利进行， 另一方面也为后续的施工提供准确参考。

因此在方案设计中需要采用标准的流程， 从方案设计任务开始， 依次执行总平面规划布局、 主体设计、 能源利用方案等， 这是一种串行方式的方案设计流程， 同时还可以采取并行方式对方案中的各项任务做进一步优化， 即同时在方案中明确各任务之间的关系， 这种方案设计方式的优势是可以缩减设计时间，将一些可以同时开展的工序流程集中到一起， 这样在后续真正开始施工时就可以有效缩短施工进度。 这种设计施工方案的流程是先输入设计任务， 然后规划平面布局并进行主体设计， 在平面布局和主体设计中，可同时分析能源利用方案， 最后再输出方案。 并行方案提前了能源分析环节， 通过能源设计可以为平面布局以及主体设计的提供准确参考， 让主体设计和平面布局更加合理。 相关企业在具体的方案设计中可以同时采用串行和并行的方案设计方式， 然后结合工期要求择优选用。

2.3 施工图纸设计的优化

在整个装配式建筑的设计周期中， 施工图纸是占用时间最长的一个环节， 在这一环节中需要所有专业的设计人员共同参与， 保证图纸设计的合理性、 经济性。 图纸设计环节拥有较多的内部任务， 各任务之间存在着交叉关系， 传统施工图设计中采用的是串行的设计模式， 即各专业依次进行每一个图纸的设计步骤， 比如设计设备施工图纸前， 一般已完成建筑设计图纸和结构设计图纸， 设备施工图纸设计完成后，再向建筑设计专业反向提出条件。 因本项目采用的结构形式为剪力墙， 要求建设工期短， 因此如果采用串行的方式设计施工图纸， 可能出现设计用时较长， 从而延误工期， 而且在上一设计环节存在的问题如果没有及时发现， 就很容易导致下一阶段的设计也会出现问题， 这种问题将导致施工无法顺利进行。 比如在剪力墙的施工中， 如果在施工过程中发现门洞口无法通过设备， 那么就不能顺利完成结构安装， 需要扩大门洞口， 但扩大洞口会令后续的一系列结构尺寸都需要随之调整。 因此此次在施工图纸的设计中应采用了并行方式， 即利用协同技术实现各专业同时对图纸进行综合分析， 从而及时发现图纸中的不合理之处， 并进行整改。 这样所有和图纸设计有关的人员都能够有效配合， 一方面可显著缩减图纸设计时间， 另一方面也避免了因为图纸设计失误而导致施工中出现临时整改的情况。

2.4 构件拆分设计的优化

有效的构件拆分设计， 可以提升构件生产质量和安装质量， 如果构件拆分设计不够合理， 不仅会导致构件生产过程中的废件率显著提升， 而且即使能够完成构件的生产也无法在现场顺利安装。 该工程项目的设计人员在构件拆分设计阶段所采用的方式依然为串行模式， 在这种模式下， 构件生产的排布作业模型、拆分设计、 构件尺寸大小、 连接工艺等完全依次进行， 每个环节之间几乎没有任何联系， 这就很容易导致如果上一个环节的设计出现了问题， 只有在开始下一个环节时才能发现， 一旦设计结果无法满足实际要求， 那么必然会出现设计失误， 导致整个构件制作无法顺利开展， 也无法在现场有效安装， 进而导致施工延误， 并降低整个工程的质量。 另外构件的制作、运输、 安装等都涉及到了成本问题， 因此如果拆分设计不合理， 那么必然会造成成本浪费， 因此应在传统的设计模式基础上做进一步优化， 优化之后将拆分设计模式变为由多个人员共同开展的并行模式， 这种模式的优势是一方面可以加快设计进度， 而且通过多个人员的共同分析， 能够在设计过程中及时发现不合理之处并及时整改。 比如在该装配式建筑工程的拆分设计中， 可以同时使用两名设计人员， 在设计过程中先输入施工图纸， 接下来同时开展优化生产作业模型和拆分专业模型的设计， 完成以后再设计各构件的尺寸和连接方式， 最后再输出构件拆分设计图纸。

2.5 竣工图纸设计的优化

结合前文的分析可以得知， 本次对装配式建筑设计流程优化的分析都采用了并行设计理念， 在这一理念下， 上一阶段设计和下一阶段设计可充分关联， 既保证了整个工程的顺利开展， 又能够避免因为上一阶段设计出现失误， 而导致下一阶段设计无法顺利完成的情况。 设计过程中可通过CAD绘制图纸， 然后通过协同技术平台对整个工程进行阐述和分析， 然后通过操作修改图纸中的相关数据等对设计加以优化， 以此可以给出最科学、 合理的设计方案。

另外在施工过程中， 也可以通过同步修改BIM模型保证工程的顺利进行， 这样工程完成的同时即可生成竣工模型， 接下来相关人员再结合实际情况对竣工图纸加以合理调整， 这样整个竣工图纸的设计就不需要消耗过多时间， 再一次缩短了工期。 根据表2 给出了结果可以得知， 原本的规划中方案、 施工图纸、构建拆分、 竣工设计等都和实际完成时间有较大的差距， 而且不能保证质量， 而优化之后的流程明显改善了这种情况， 实际完成设计的时间远远小于计划时间， 真正达到了缩短施工周期和提升施工质量的目的。

表2 优化流程对比 (天)

3 设计流程优化的反思

在整个装配式建筑设计流程的优化中， 除了改变设计方式， 同时还应用了现代信息技术手段， 比如协同技术平台设计， 从而提升设计的有效性， 对此相关企业开展装配式建筑设计和施工过程中应充分做到以下几点。 第一， 构建信息管理平台。 通过这一平台充分利用现代信息技术， 然后在现在信息技术的帮助下要开展设计， 并实现对设计的优化， 而且企业可以在平台上建立关于装配式建筑设计的数据库， 这样后续再次开展相应设计时可以将数据库作为参考。 第二，应促进企业内部各部门之间的信息共享。 开展装配式建筑施工应将构件制作、 运输、 安装等各个环节充分关联， 保证各个环节之间顺畅运行， 另外设计环节和施工环节也要充分关联， 这要求企业应促进内部的信息共享， 实现设计信息在内部的顺畅流通， 这样各部门以及设计、 施工等都可以通过参考相应信息而促进工程的顺利开展。 第三， 应针对装配式建筑设计流程建立一个标准框架， 然后对框架进行动态优化， 这样就后续开展设计工作时也可以充分利用这一框架， 保证设计的有效进行， 从而提升整个工程的质量。 第四， 做好内部人员培训。 导致装配式建筑设计出现不合理之处的主要原因是， 相关人员的专业能力尚不能充分满足这项工作的要求， 因此相关企业应积极开展内部人员培训， 鼓励设计人员学习新的理念和技术，令其能够全面看待装配式建筑设计， 保证所有设计环节之间的顺畅连接， 从而促进设计有效性的不断提升。 第五， 明确装配式建筑的设计要点。 在装配式建筑设计中， 包含方案、 图纸、 构件拆分、 竣工图等多个环节， 每一个环节对整个工程的进度、 成本控制以及质量等都具有直接影响， 因此企业开展装配式建筑设计过程中应明确相关要点， 真正做到细化所有设计环节， 从而提升施工质量和效率， 并有效控制成本投入。

4 结语

综上所述， 近年来我国的装配式建筑行业发展态势愈发良好， 为整个建筑行业的发展提供了强大动力， 相关企业应持续推动装配式建筑行业的发展， 将装配式建筑的社会效益、 经济效益等充分发挥。 本文首先对装配式建筑作出了简单介绍， 随后分析了关于装配式建筑的设计流程优化， 最后提出关于设计流程优化的反思， 希望可以与相关企业提供一些有价值的参考， 最终达到不断提升装配式建筑设计水平， 推动装配式建筑行业良好发展的目的。