预制混凝土标准构件库的建立研究及其效益分析

严婧婧

(上海心圆房地产开发有限公司，上海 200120)

1 研究背景

近年来，随着建筑工业化程度的不断加深，同时在相关政策地推动下，预制装配式建筑得到了较快的发展和广泛的应用。“十四五”期间，以预制装配式为核心的新型建筑工业化将是建筑业转型升级的方向，推行数字化设计、工厂化制造和装配化施工，是提升装配式建筑相关全产业链效率的重要途径。标准化是工业化的基础，没有标准化就无法实现规模化的高效生产。装配式建筑标准构件库的研发，可以有效促进装配式建筑设计、施工统筹能力的提升，有利于节约能源、减少施工污染、提高劳动生产效率和提升质量安全水平，有效推动装配式建筑产业步入质量引领、创新驱动、绿色生态的发展路径。

目前，上海市大力推行预制装配式建筑，并积极推广构件的标准化、模数化、系列化，以期通过减少材料和能源消耗，降低建造过程碳排放量，实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续的发展。对于保障性住房，要求一般项目混凝土构件预制率需达到40%。面对大体量的保障房开发项目，为确保工程高效、高质推进，助力民生改善和城市更新跑出加速度，使国有资产保值增值，建立适用于保障房项目的预制混凝土标准构件库(以下简称PC标准构件库)势在必行。

2 研究现状

目前，国内的预制装配式建筑仍处于起步阶段，标准化的研究并不深入。现阶段，装配式保障性住房项目大多采用先报批规划方案和建筑图纸，后进行PC构件拆分和深化设计的这一流程，且目前大多数建筑设计人员缺乏对预制装配式建筑深入、系统性地了解，往往造成报批后的方案在进行装配式构件设计时修改调整余地十分有限、构件拆分的标准化和模数化程度较低、模具使用数量较多等不利因素，造成资源浪费严重、产品成本居高不下、生产效率低下等多种问题。黄小坤等[1]通过对国内外装配式建筑标准化发展进行系统研究后，认为在我国预制装配式混凝土结构的标准化研究还需进一步完善。由于PC构件设计拆分缺乏成熟的标准，导致模具适用工程单一、周转次数少、损耗率高，是导致预制构件生产成本过高的重要原因，制约了装配式建筑产业的持续发展。

通过对国外预制装配式住宅调研发现，许多国家推行了居民认可、模块化的标准户型，有利于装配式住宅的推广及建筑工业化的发展。与商品房相比，保障房对于个性化需求不高，通过建立PC标准构件库能够大大提升设计、施工效率，降低建设成本，因此可以将保障性住房作为装配式建筑标准化研究的一个较好的切入点。李志豪[2]、潘娟[3]等都通过典型案例，对保障性住房项目中PC标准构件库的应用进行分析，给出了各自标准化设计的思路和方法，具有一定的参考价值。

本文选取上海市浦东新区某动迁安置房基地11个住宅地块为研究载体，通过调研相关街镇待安置居民的需求，结合已有保障房开发经验，设计了一套可自由组合的标准户型，涵盖55～105m2面积段之间的多种户型，通过灵活组合可满足不同户型配比的需要。在此基础上，通过优化PC拆分设计，初步建立PC标准构件库；通过实际应用，分析构件标准化带来的各项效益，以期为装配式建筑标准化研究助力。

3 PC标准构件库的建立及应用

装配式建筑标准化设计的概念应贯穿整个工程项目建设，从项目策划阶段开始，至方案设计、施工图设计、模具设计、施工组织设计等的全过程、全系统，将标准化设计由浅入深逐步细化、优化，一方面可以不断提高材料利用率、提高构件部品的质量、提高生产效率、控制生产成本；另一方面可以提高施工质量、提高施工效率、保障建筑安全。

本次研究选取的某动迁安置房基地位于上海市浦东新区，面积约73万m2，其功能定位为：打造功能布局合理、环境亲和宜人、设施配套完善的宜居社区。基地中以居住功能为主，并配套完善的社区服务，同时适当发展滨水商业，实现与宣桥镇中心区功能联动。基地内共有11个住宅地块，总用地面积约31m2，容积率为2.5～2.8，建筑高度为60～80m，预计将提供超9000套保障性住房。项目住宅采用装配整体剪力墙结构,装配式住宅建筑比例为100%,预制率为40%。

3.1 标准化户型研究

本次研究通过对已入住动迁安置房的居民和待回迁居民的访谈调研，结合各街镇在分房时对于房源的需求，发现居民在选房及使用过程中对以下几点最为关注：1)得房率高且房型紧凑，尽量避免存在难以利用的无效空间；2)套型规整，方形房间使用最为方便；3)采光好，主要功能房间朝南；4)厨房面积较大，使用方便；5)户型南北通，卫生间能够有自然通风和采光。

对已有安置房项目的户型调查发现，过去大多数的安置房户型为内廊式，公摊面积较大且中间套难以满足南北通的需求，厨卫的采光、通风也不理想；同时，住宅外形轮廓较为复杂，凹凸较多，不仅存在采光自遮挡的问题，对于装配式的工业化应用也是不利的。

本次研究首先从标准化户型入手，确定以下几个方面的设计基本点：1)选定外廊式单元形式，不仅可以满足得房率高的要求，还可保证所有户型均实现南北通，并提高南向开间的利用率；2)南侧采用内凹阳台的形式，使南向立面平整，避免采光自遮挡；3)从推进装配式工业化的角度考虑，将主要居室的开间统一，便于在PC拆分设计时对构件进行统一归并，减少构件模具数量，降低成本。综合以上方面的考虑，本次研究设计出55～105m2面积段内8套模块化标准房型，包括两种大户型(三房)、三种中户型(两房)和两种小户型(一房)，可根据不同的大、中、小房型配比需求完成标准层拼接(图1)。

3.2 PC标准构件库构件选择

与传统建筑生产模式相比，装配式建筑的建设成本在构件生产、仓储运输、吊装施工等方面都有所增加。目前上海地区保障性住房的预制率要求达到40%，因此这些与PC构件相关费用的高低对工程造价起决定性作用。

有研究表明，预制墙板类构件是导致建造成本增加的最主要原因，而影响预制构件生产费的关键构件依次为预制剪力墙、预制叠合板、预制梁、楼梯[4]。另有研究者经过对不同地区装配式建筑的现浇构件和预制构件成本产生的单价差值和单价差值率定量分析、敏感度定性分析和2018年上海市预制构件信息价分析后，同样总结得出预制墙板类构件是导致建造成本增加的主要原因[5]。综合以上研究，本文选取预制剪力墙构件和预制填充墙构件初步建立PC标准构件库。

3.3 PC标准构件库的建立

标准构件的选择需要遵循普适性原则。由于不同项目的个性化要求，会存在少量非标准预制构件，其应用比例较低，不适宜放入PC标准构件库中。在对此次研究的动迁安置房基地内11个住宅地块的PC构件应用情况进行计算分析后，得出11种PC剪力墙构件中有6种构件的使用数量超过5%，且总和超过80%(表1)，可以认为这6种PC剪力墙构件具有一定的通用性。因此取这6种PC剪力墙构件建立PC标准剪力墙构件库。

3.3.1 PC标准剪力墙构件库

标准构件的选择需要遵循普适性原则。由于不同项目的个性化要求，会存在少量非标准预制构件，其应用比例较低，不适宜放入PC标准构件库中。在对宣桥基地11个住宅地块的PC构件应用情况进行计算分析后，得出11种PC剪力墙构件中有6种构件的使用数量超过5%，且总和超过80%(表1)，可以认为这6种PC剪力墙构件具有一定的通用性。因此取这6种PC剪力墙构件建立PC标准剪力墙构件库。

3.3.2 PC标准填充墙构件库

在对PC填充墙构件进行分析时发现，因为标准化户型设计时统一了起居室面宽、南向主卧窗尺寸，这两个部位的填充墙具有高度的一致性，可将阳台窗所在填充墙构件统一为YWQ25(200+2100+200)，南侧主卧窗的填充墙构件可以统一为YWQ19-1(200+1500+200)。另外，三个大户型的卫生间开间尺寸统一，预制填充墙构件可统一为YWQ19-2(150+800+950)；两个小户型的厨卫部位预制填充墙构件可统一为YWQ24(200+800+400+800+200)，为包含两个窗洞口的构件。因此，从18种PC填充墙构件中选取以上4种构件放入PC标准填充墙构件库，并统计了基地内11个住宅项目应用PC标准填充墙构件的比例，如表2所示。可以看出，通过开间模数化设计，这4种标准构件的使用率较高，达到67.39%，符合标准构件普适性的原则。其中，应用于阳台和南侧主卧的两种构件(YWQ19-1和YWQ25)比例合计54.39%，超过了填充墙构件的一半，说明开间模数化设计对于装配式建筑的标准化起到了关键性作用。

表2 PC标准填充墙构件比例

3.4 PC标准构件库的应用

提高项目中PC标准构件的比例能够提高生产效率，同时减少摊销费用，有助于降低成本。因此，在设计阶段提前把控，尽量采用PC标准构件，以提高项目的标准化率具有十分重要的意义。对于单个地块的PC构件的标准化率统计原则为：本地块从标准PC构建库内选取的构件与本地块所有PC构件的比值。现有研究的统计数据显示，标准化应用较好的项目，其PC构件的标准化率一般在70%～90%[2,6,7]。

对此次研究的动迁安置房基地内11个住宅地块PC构建的标准化率进行统计，结果如表3所示。其中，剪力墙PC构件的标准化率较高，可以达到85%左右；而填充墙的PC构件的标准化率较剪力墙稍低，为67%左右，考虑到填充墙仅选取了4种PC标准构件，其标准化率也是较为可观的。通过对PC剪力墙构件及填充墙构件的统筹计算，所有地块的标准化率均可达到75%以上，说明本基地各项目的PC标准竖向构件的通用性较高，达到了精简预制构件种类与实现工业化生产经济性、高效性的目标。

表3 应用PC标准构件库后各地块构件标准化率

4 建立PC标准构件库的效益分析

规模化生产是指工厂有组织、有秩序按照固定模式进行大批量的生产。在一定的产量范围内，随着产量的增加，平均成本不断降低，即形成所谓的规模经济。同等预制率情况下，装配式项目规模的增加可显著减少增量成本。因此在大体量的区域开发中，建立并应用PC标准构件库，不仅可以显著提高项目的建设效率、节约建造成本，还会为社会及企业带来多方面的效益。

4.1 时间及经济效益

4.1.1 PC拆分设计环节

设计拆分费用是指在原设计图纸的基础上，进行构件的单元划分和节点连接设计。虽然在所有装配式建筑成本费用中，设计费占比较小，但是总成本的70%都是由设计阶段决定的，设计方案是否合理将会直接影响整个装配式建设项目的成本和收益。

采用户型及PC构件拆分标准化设计的效益，主要表现在以下几个方面：

1)设计一次到位，缩短PC拆分设计时间；2)降低PC拆分设计的出错率，减少设计阶段的返工；3)在首个项目中遇到的构件碰撞问题，通过调整设计解决后，后续项目将不再出现相同问题，施工工期得到保障；4)PC拆分设计人员的工作量减少，设计成本降低。

4.1.2 生产环节

装配式构件厂的模具摊销费用在预制构件的成本组成中的比例相当之高，单个项目可能高达15%。采用标准化设计，能降低模具的摊销费用，减少PC构件的生产成本。生产环节的成本减少具体可表现在。

1)在制作构件之前，构件生产厂可以根据PC标准构件的数量、规格、形状、重量等因素，出具详细的制作方案和完善的构件图纸，使PC模具设计一次到位，节省原PC模具设计周期及设计费用；2)同时，采用标准化设计后，同一款PC模具可以多个项目共用，提高利用率，降低摊销成本；3)采用标准化设计，可以避免过于复杂的设计，模具型号减少，提高模具周转率，节省工期；4)构件生产厂可以确定更为合理高效的生产方案，将拆模、组模、合模等工序的设置为流水线作业，提高生产效率；5)采用标准化设计，便于培养技术熟练工人，提高单人效率可相对减少用工人数，降低生产人工费；6)采用标准化设计，PC构件在生产过程中的出错率和返工率将大大降低，能有效避免现场停工等构件现象，保证施工工期。

4.1.3 仓储及运输环节

与现浇构件相比，PC构件增加了仓储和运输费用，且费用占比较大，约为总费用的20%～30%。采用标准化设计，可以有效降低此部分的费用，具体表现在。

1)采用标准化设计，控制单板重量及长度，有利于提高单次运输的装载率，降低运输成本。

2)预制构件的养护和存放，都需要专门的场地并需要专人进行管理，仓储费用与仓储时间和仓储面积成正比。工厂构件储备数量根据项目进度、楼栋大小及发货周期确定，一般情况下构件发一层备一层。采用标准化设计，由于构件可以共享，工厂储备的构件量可以降低(例如从100%降低至70%)，大幅节约仓储成本。

4.1.4 施工及管理环节

1)预制率的提高必然导致吊装费用的增加。吊装费用主要是大型机械设备使用费和配合人工费，这些成本一般是租赁费或者自有设备摊销费。采用标准化户型及标准化PC构件，可以形成标准化的吊装流程，能够提高施工效率，降低施工出错率，缩短施工周期，从而通过缩短租赁期限和加快周转使用率来减少费用的分摊。

2)采用标准化设计及施工，有助于实现标准化施工组织设计、标准化施工方案及标准化工作流程，有利于提升现场管理人员的管理效率，有效节约管理成本。

4.2 社会效益

1)PC标准化的研究优化了装配置建筑的设计、生产、管理等全周期流程，有效提升装配式建筑的劳动效率，带动产业全面升级，对于装配式构件生产机械化和智能化提供帮助，有效推进装配式建筑的普及应用，具有重大的社会效益。

2)PC标准化的研究有助于产品整体品质提升，提高用房居民体验感和住户满意度，为后续物业服务统一管理、建筑维修等方面工作提供便利。

3)PC标准化的研究减少了模板量和钢材应用，减少堆放场地，提高了成品率，减少了废弃物的数量，相应带来能源及水源等应用降低。具有更好的环境效益，减少碳排放，更绿色环保，助力实现“碳中和”。

4.3 企业效益

全面推进PC标准构件库的建立对企业提高建筑品质、降低建造成本、简化施工难度和提高建造效率有着非常重要的作用，也是房产企业由数量规模型向质量效益型转变路上的重要里程碑。

1)通过在民生工程建设领域认真研究创新标准化管理方法，使保障房项目建设以更高的质量、更快的速度推进，提升企业的社会影响力。

2)能够有效实现项目管理经验在最大范围内的复制和推广，最大限度地节约项目建设及管理成本。

3)PC标准化研究有效减少了异形构件及特殊构件数量，可替换程度更高，有利于车辆运输，降低了现场施工难度，避免质量通病和安全死角，减少各种风险的重复发生，更有效地推动企业向现代化管理转型。

5 PC标准构件库研究展望

后续对于标准PC构件库的应用及研究，可以通过以下几个方面开展：1)将PC标准化构件库实践应用后进行固化，固化后的PC标准构件库与BIM技术进行结合，分类建模，形成PC标准构件BIM族库，助力设计人员实现PC专项快速设计项目，减少错误率，提供设计效率，有效推动BIM正向设计落地；2)建立健全PC标准构件库产品的准入和退出机制，PC标准构件库结合项目应用及行业发展等多因素实行动态优选机制，鼓励各项目优先从构件库选取标准化产品，提升建设进度、提高建筑品质；3)鼓励各参建单位开产学研联动，充分利用自身项目开发平台，发挥自身优势，增强创新意识，强化PC构件库可实施性，共享标准化研究成果，助力装配式行业继续向纵深发展。

我国装配式建筑比例和规模化程度较低，装配式建筑行业有着巨大的发展潜力，在国家大力推行低碳、绿色发展的新阶段，装配式建筑代表新一轮建筑业的科技革命和产业变革方向，相信随着国家出台一系列的支持政策，不断提高新建建筑节能标准，着力扩大超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模，装配式建筑将迎来更广阔的发展。