基于BIM技术的装配式建筑标准化设计与节能降耗路径研究*

武 琳 李忠秋

（1.吉林农业科技学院，吉林 吉林 132000；2.吉林泽信房地产有限公司，吉林 吉林 132000）

中国建筑业已经进入绿色化、工业化、信息化发展的关键时期，装配式建筑是实现建筑工业化的重要途径之一，可以有效促进节能减排、全面提升建筑品质、缩短工期、提高建筑工业化水平。相对于传统的现浇钢筋混凝土结构，装配式建筑在设计、施工、装修、验收和管理层面均具有很大优势。一体化、信息化协同设计保证了工程质量；工程总承包管理，可以使全过程追求整体效益最大化；装配化、专业化、精细化程度高，装修与主体结构同步的特点又保证了工程效率。

装配式建筑具有五大特征，分别是标准化、工厂化、装配化、一体化和信息化，其中，标准化是其他几个特征的基础和核心。在装配式建筑标准化设计的研究上，我国还处于起步阶段，目前还没有关于标准化设计的相关规范和标准，虽然国内的预制装配式结构技术和结构体系已出现很多，但是装配式结构的设计标准化概念仍然不强，一些工程项目为了预制而预制，反而造成大量资源的浪费和成本的增加。为了提高建造效率、降低生产难度、减少生产成本，提高建筑产品质量，建筑工业化必须遵循标准化的原则，逐渐实现构件标准化和建筑体系标准化，是装配式结构设计的趋势。

1 装配式建筑体系在多层住宅中应用的可行性

1.1 不同结构体系在多层住宅中的应用分析

按承重结构所用的材料划分，现有多层住宅常用的结构体系包括砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构。在砖混结构中，由于墙体既是承重构件又是围护构件，住宅的户型和布局受到墙体的限制，室内空间不够灵活，无法满足购房者的多样化需求，因此逐渐被钢筋混凝土结构所取代。钢筋混凝土结构比砖混结构强度高，抗震性能好，整体性强，并且室内空间分隔相对自由，开间和进深相对较大，是目前常用的多层住宅结构体系。

随着城市化进程的加速以及人们生活水平的提高，越来越多的购房者偏爱大开间的客厅布局，对住宅户型的功能性提出了更高的要求。钢筋混凝土结构与砖混结构相比，虽然有着很大的优势，但受到材料性质的影响，大开间、大进深的房屋势必要增大柱子的截面面积、梁的高度和板的厚度，使得结构面积占用了室内使用空间。梁柱外露又影响了室内的美观，加大了后期改造的难度。因此，大跨度、便于后期户型改造、减少梁柱节点外露是目前亟须解决的问题。

钢结构是弥补钢筋混凝土结构不足的较为有利的解决方案。目前，钢结构广泛应用于大型厂房、场馆和超高层建筑中，在多层住宅中应用较少，究其原因主要有两个方面：其一是与传统的砖混结构、钢筋混凝土结构相比，造价相对较高；其二是受到制作以及安装的影响，钢结构住宅质量问题时有发生，且技术体系没有前两者成熟，导致钢结构在住宅应用比例偏低。

近几年，随着中国经济逐步向高质量发展，中国钢材需求处于减少和调整阶段。与此同时，供给侧仍在不断增加，导致出现钢产能过剩的局面，建筑业作为钢材的需求大户，在钢材内销方面有着重要的调节作用。推动多层钢结构住宅发展，一方面可以推动钢铁工业发展，另一方面有助于钢结构建筑的规模化生产，构建完善的技术体系，减少生产成本，两者相辅相成，对建筑业和钢铁产业发展均有重大意义。

钢框架结构体系常用在多层住宅中，该体系中梁柱为承重构件，其截面尺寸小，节省结构面积，增加建筑物使用面积达4%～8%，而墙体主要承担围护及分隔作用，室内空间灵活性较大，经济效益较高。此外，钢结构住宅抗震性能好，整体性高，自重轻，与同面积的建筑楼层相比，重量可减轻30%。

装配式钢结构是钢结构体系中的一个分支，由于施工方法的改变，使其应用在住宅建筑中的优势愈发明显。首先，与装配式混凝土结构相比，装配式钢结构的部品部件运输便捷，采用干式连接工艺使安装工作量减少，提高施工效率，缩短工期，提高资金周转率，进而提高经济效益和社会效益；其次，装配式钢结构质量控制精度高，管线布置方便——钢梁允许小口径孔洞，便于电气管线穿越，从而增加建筑净高；再者，由于钢材本身的特性，便于后期改造、材料拆除和回收，在拆除的过程中成本低，污染小。综上所述，装配式钢结构应用在多层住宅建筑中有着明显的优势和可行性。

1.2 现有装配式多层住宅设计中存在的问题

受传统现浇建筑的影响，装配式多层住宅一直存在实用性、美观性和装配化之间的矛盾，主要表现为以下三点：

（1）住宅体型复杂，未有效利用模数化理念，生产效率低。由于生活习惯、采光通风和建筑个性化的要求，建筑设计师通常会采用墙体错位变化、角度转折等处理手法，由此产生了不规则的平面形式，导致施工难度加大，构件规格种类较多，通用性降低，不利于钢结构住宅户型的施工，增加建造成本。

（2）过度考虑模块化设计，户型缺少灵活性，同时减少了空间的实用性，造成室内空间利用率降低，个性化不足，不满足人们对住宅建筑的需求。

（3）以传统现浇建筑体系的思路进行设计，未结合装配式自身特点，为了装配而装配，使设计与生产、施工严重脱节，导致在拆分设计中出现困难，增加生产成本和施工难度，违背了建筑工业化的初衷。

要解决以上问题，就要构建装配式建筑标准化设计体系，严格遵守标准化设计思路和设计方法，在实践中不断地更新和完善具体的实施路径。

2 多层装配式建筑标准化设计

2.1 标准化设计方法

标准化设计方法即是采用标准化的构件组合成标准化的模块，进而组合成标准化的户型。虽然在此过程中使用的是标准化的处理方法，但通过不同的组合形式能够得到多样化的建筑产品。在设计过程中，首先将建筑整体划分为若干层，根据不同的使用功能将每一层划分为不同规格尺寸的模块，再将每一种模块分解成不同类型和尺寸的构件，最后将构件按照户型、单元、层的逻辑顺序组合起来，最终形成整栋建筑。需要注意的是，在层层划分的过程中要注重规格和类型尽量缩小，保证构件的通用性，实现效益的最大化。

利用BIM技术可以很好地解决装配式建筑标准化设计问题，基于BIM的装配式建筑设计方法能够将标准通用的构件统一在一起，形成预制构件库，在下次设计时可以直接套用构件库里的信息，减少了设计成本和时间成本。此外，成熟的BIM建模技术可以直观地反映出模块的组合效果，户型的实用性，为施工提供参考。

2.2 模块化设计

模数和模数协调是建筑工业化的基础，联系着设计、施工、运输、安装、运营等各个环节，使不同流水线批量生产出来的构件和部品能够有效组合在一起，避免交叉和碰撞。设计阶段合理布局，应用建筑模数协调统一标准，能够有效减少部件规格和种类。

2.2.1 功能模块设计

根据走访调查采集的数据显示，住宅中不同功能房间的尺度基本满足3M的模数（1M=100mm）。客厅作为家人休息和会客的场所，占据较好的位置，随着人们生活习惯的改变以及对住房更高层次的需求，客厅还兼顾了书房、娱乐等其他功能，使得开间、进深在近几年的设计中有扩大的趋势。同时，敞开式厨房成了厨房设计的主流，与餐厅、客厅融为一体，增加了住宅的进深尺寸。对于厨房的设计，也不仅仅局限于传统的中厨，西厨的加入丰富了厨房的功能，对空间的需求也更高。

卧室的面积在近几年的住宅设计中有减少的趋势，小户型和紧凑型布局使得卧室在整个套内面积中所占比例较少。究其原因，一方面是扩大客厅面积带来的后果，另一方面是传统设计理念的影响。随着科技的进步，智能家居逐渐改变人们的生活方式，融入住宅设计中，在房间的尺度方面，要充分考虑智能产品的使用空间，满足人们多样化的需求。

结合上述调查数据以及人们对房间功能上的需求，依据建筑模数协调理念，统一相关尺寸，设计卧室、厨房、客厅、餐厅、卫生间、阳台和楼梯等功能模块。

2.2.2 模块化组合——户型设计

随着城市化进程的加快，一、二线城市更好的就业机会吸引了大批的年轻人，而居高不下的房价一直是摆在购房者面前的难题，横在城市和家之间。据调查显示，2020年北京首次购房年龄为35.5岁，上海为36.7岁，天津为37.5岁，购房难的问题使新入人口的租房周期达到了10年以上。2020年，杭州、上海等地出现长租公寓暴雷事件使租房问题再次高调地呈现在大众的视野中，想要解决这一问题，紧凑型公寓和公租类保障性住房是有效途径之一。

在进行户型设计时，要充分考虑购房者的需求以及未来的人口趋势。多层住宅的平面类型有独立单元式和通廊式，通廊式又包含内廊式和外廊式。独立单元式有利于通风、采光，且平面布置灵活，体形美观，是多层住宅中常用的布置方案。内廊式的特点是各个套型住宅的入户门均朝向建筑中部，与走道、公共楼梯相连，各户之间干扰大，部分套型朝向较差。外廊式的特点是建筑物的外墙一侧是公共走廊，通过走廊进入各个房间，虽然各套型之间略有干扰，但每套均可占用建筑物的全部进深，从而获得较好的朝向和采光，此外公共走廊也可作为活动场所加以利用。本设计中采用外廊式布局进行公寓设计，如图1所示。

图1 模块拼接与户型设计

2.2.3 构件拆分规划，建立预制构件库

从结构受力的合理性和经济性分析，钢结构柱网以6m～9m为宜。通常钢结构中梁的高跨比为1：15～1：20，随着跨度的增大，梁的高度也随之增大，为了满足开窗及使用要求，结合各使用空间的开间和进深尺寸，按照建筑模数协调的设计原则，选取6M为柱网的基本模数，以此进行部件设计，建立预制构件库，包括预制外墙板、预制内墙板、叠合楼板、整体卫浴等，如图2所示。

图2 整体卫浴

3 多层装配式建筑节能降耗路径分析

据相关数据显示，2016年中国建筑能源消费总量为8.99亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20.6%；建筑碳排放总量为19.6亿吨CO2，占全国能源碳排放总量的19.4%。而2018年全国建筑能耗总量达到21.47亿吨，占全国能源消费总量比重为46.5%；建筑碳排放总量为49.3亿吨CO2，占全国碳排放的比重为51.3%。为尽早实现碳达峰、碳中和目标，建筑节能是首要解决的问题之一。

建筑外墙是建筑节能设计的重要组成部分。目前，装配式结构中外围护墙体有两种形式，一种是混凝土剪力墙外墙，用于装配整体式剪力墙结构中；另一种为外挂墙板，用于框架结构中，只起围护作用。两种墙体在构造中均嵌入了保温材料，形成了自保温墙体。在实际应用中，两种墙体都表现出一定的节能问题。

在钢框架结构体系中，除墙体外，其他构件均为钢梁和钢柱，墙体和梁柱间存在很大的热桥，在使用过程中容易产生结露现象。通常做法是在外墙进行外保温处理，但此种处理方式增加了墙体厚度，在套内面积的约束下，使得实际使用面积减少。而在装配整体式剪力墙结构中，相邻预制构件之间往往采用后浇混凝土进行湿式连接，虽然外叶墙体能够达到良好的保温效果，但接缝处仍然没有完全阻断热桥。

装配式建筑是建筑产业转型升级的关键所在，而节能降耗又是装配式建筑发展的目标之一。在装配式建筑节能方面，首先应发挥政府的主导作用，用政策引导制定装配式建筑节能设计标准，完善技术体系；其次发挥市场作用，重视节能设计方法和设计理念，形成建筑节能的完整产业链体系，从设计出发，落实到生产、施工、后期运营的各个环节；最后，技术创新是关键所在，高校、设计单位和企业应充分联动，发挥各自优势，攻坚克难着力解决装配式建筑节能问题。