新型工业建筑设计探析——以工业4.0下智慧工厂的规划与建设为例

廖小明

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

在2013年汉诺威工业博览会上，德国率先提出工业4.0战略，随后，在2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略[1]。我国制造业规模已连续多年保持世界第一，在驱动经济发展、参与国际竞争中发挥着不可替代的重要作用[2]。因此在发展工业4.0的时代背景下如何提升制造业的智能化水平，建立具有适用性、效率性及自我学习性的新型工业建筑（智慧工厂）就显得至关重要。

1 新型工业建筑（智慧工厂）设计要点

新型工业建筑与传统工业建筑在设计要点上虽有相似但又不尽相同，传统工业建筑多为劳动密集型，即人为第一生产力，所涉及的空间布局及生产要素大多围绕人而展开，工人是设计开展的核心。而以智慧工厂为首的新型工业建筑则是以科学技术为第一生产力，采用整套智能化设备代替人工进行生产活动。因此需要在建筑设计过程中要充分考虑能智能化生产设备的兼容性与灵活性。

2 总平面及场地设计原则

在厂区总平面布局中首先要明确工厂的组成内容（建筑物、构筑物及设施等），总平布局可分为有机分散与综合紧凑两种。分别以南方两工业项目为例，案例一为佛山国星光电吉利产业园项目（图1），园区位于城郊，用地面积5.5万m2总建筑面积19万m2。主要建筑单体为研发办公楼（兼顾生产）、餐厅及员工宿舍、生产车间及相关设备用房。建筑群呈东西向排布，场地由南北向市政道路分为东西两块，东边设置科研办公及配套宿舍，西区为生产车间，建筑间通过二层连廊相连。在总平面上形成了东部办公/生活公建组团和西部生产/设备工业组团的平行式规划布局结构模式。两大组团长边相连，既能相对独立又互有联系，通过在组团间设置环形车道结合二层人行连廊形成的立体式水平交通有机的实现了人车分流（车下人上）。总体而言，平行式平面布既能体现建筑的独立运营和又能满足使用者间的有机联系，属于合理的分散式布局工业园区。

图1 佛山国星光电吉利产业园项目

案例二为某智能基地制造项目（图2），项目位于城市近郊，用地面积1.9万m2总建筑面积12万m2，建筑主要功能为智能设备的研发与生产。该工业项目用地紧凑且容积率较高（4.5），因此在总平布局上采用了商业综合体设计手法，东塔科研办公西塔生产制造，两塔楼通过裙楼组合坐落在场地中心。基地四周设置环形车道，人行出入口设在西南侧，货物出入口设在东南侧，该处理能在用地紧凑的条件下实现较好的人车分流效果。

图2 智能基地制造项目

因此，总图规划布局结构形式应根据用地条件及生产工艺来确定，同时对于新型智慧工厂除了原有的产业工人外更多的是引入了大量的科研办公人员，即在工业功能外赋予了额外的办公属性，因此设计上应充分考虑人车分流。

3 水平空间设计原则

工业建筑平面布局应优先满足工艺生产及相关研发办公需求，与传统厂房相比，智慧工厂在运营上不仅具有传统工业建筑功能，同时还兼备公建、网络通信、物联网、大数据、自适应学习等功能，提供全方位的信息交互功能，创造更为舒适和智慧化的生产、研发等空间[3]。因此在方案设计阶段应首先和建设单位落实生产规模需求。正常生产运营中所需的建设面积常占比为80%～90%，交通及辅助空间则占比约为10%～20%，且交通及辅助空间占比会随每层建筑面积增大而减少。同时应将每层平面建筑面积控制在6000m2内，则较为经济合理（参考丙类高层厂房最大允许防火分区面积）。在国星光电项目中，生产车间（101#）功能定义为生产车间+科研办公，因此在平面布局上就需同时满足生产线对大空间的要求及研发办公空间对灵活分隔的要求。在设计上采用了正方形平面，该经典建筑形态呈四平八稳格局，并让使用者从空间中心到任意一边的距离接近等长，有较优的通达性，同时规避了不规则空间及流线迂回，规整了生产设备的有序陈列及提高办公人员水平移动效率。

在功能分区上建筑存在三种形态，以生产部门为主的生产车间，生产部门和研发部门共同配合协调的生产研发空间（图3），及全为研发部门的办公空间。考虑到生产设备的运输及荷载，因此将生产车间布置在建筑的低区，生产研发空间布置在中区，高区则为办公区，低中高三段区间通过两侧交通服务核形成垂直串联关系。在布置垂直交通时应注意，对于大多新型智能工厂，项目中使用的原材料、生产中产生的全部中间产物、生产的最终产品及其副产品的火灾危险性类别一般为丙类（应与建设方明确），在此基础之上确认高层厂房内任一点至最近安全出口的直线距离不大于40m，同时，防烟楼梯间的疏散宽度应根据产业人数计算且最小净宽度不宜小于1.10m。

图3 交通服务核两端布置，室内便可灵活划分

生产车间（101#）同时具有生产及办公性质，因此在柱网上选择了8.4m×8.4m等距式柱网，该跨度的柱网优点在于地上能取得较大的开敞空间，同时在地下单个柱跨内又能布置三个机动车停车位。停车位、设备房、人防设施是地下室的主要构成部分。其中机动车位是功能的核心，普通带人防地下室一般可通过单位面积停车指标来估算地下室面积。按大多设计参考数据地下车库车位按35m2/位估算，此参数可能略为失真，由于车位位均指标不仅仅为每辆机动车自然停车面积，还包括行车通道、人行通道等停车基本设施，还包括人防及相应设备用房等辅助设施的面积。同时，车库车位位均建筑面积受项目所处地块形状、大小、柱网结构、停车方式影响较大，考虑地下车库作为永久性建筑，建设完成后规模不易调整，其设计应为地下室各项功能预留足够空间。因此结合笔者项目经验，45m2/位是一个存有安全边际的参数值，方案设计阶段可参考此参数对地下室面积进行估算。

智能制造是复杂的系统工程，智能产品是主体，智能生产是主线，以智能服务为中心的产业模式变革是主题[4]，因此智慧工厂呈现动态式发展。在智能基地制造项目中为契合动态发展的工艺流程，在生产区平面布局中采用了较大跨度柱网（9m×9m横纵柱网）。从车间空间适用性角度出发，该柱跨能在一跨内布置一条生产线，同时环绕产线四周能设置2m宽的AGV智能搬运车物流通道（图4），智能搬运车是智慧工厂中的重要交通元素，在设计中应充分考虑。生产区布局除了考虑生产线外，辅助部分亦是同样重要的空间。这一部分主要包括但不限于楼电梯间、茶水卫生间、辅助性办公及设备房等。这些辅助单元常呈组团式布局，通过单边走道连通形成并联式空间。由于辅助单元大多需提供通风及采光条件，因此常将其沿建筑四边布置。

图4 生产线及货物通道设置

综上所述，厂房平面布局核心可大致归纳为以下三点：①采用较大跨度柱网（8～10m），该跨度能满足大多制造设备放置同时也能为日后产线扩展提供充足的空间。②以平面中心为起点往四周拓展出足够大的开敞空间作为生产线放置区。③辅助空间呈并联式组合沿建筑四边布置。

4 垂直空间设计原则

智慧厂房的层数主要取决于生产工艺、城市规划、建筑场地、结构形式和经济效益等因素[5]。对于建筑层高的设定主要有以下影响因素：①满足生产、设备运输的需要；②厂房内部功能划分不同；③满足采光和通风要求；④设备管道高度要求；⑤满足工艺的基础上从经济角度分析层高影响。在国星项目生产车间（101#）中，建筑共11层建筑高度50.1m，考虑生产线净高要求2.7m、梁高0.8m设备管线0.6m及预留空间，再结合科研办公使用空间综合考虑后设定楼层层高为4.5m。首层考虑有展示大厅及会议等公共区域因此将该层高设置为5.1m，配合主入口的落地大幕墙可将更多的室外光线引入室内，减少灯具使用节能经济。在智能基地制造项目中层高设定也应用相似逻辑，结合厂房楼层层高扩大模数3m数列和当地城市规划管理容积率指标计算办法得出生产区层高4.5m建筑共10层高度为45.0m。

智慧工厂产线布局不仅在同层平面中要有紧密联系在垂直楼层中也同样存有进阶关系。将建筑楼层按生产工序及生产资料分为低中高区，楼层功能从高到低可依次布置：研发设计→调解测试→产品制作→原料堆放→产品组装→包装运输（图5）。在生产工艺允许的条件下，把一些质量重、体积大和运输频繁的设备布置在底层，中间层为生产加工区，低、中区满足生产资料密集型需求，高区则是知识密集型区域，该区通过研发办公等行为突出人的活动。各楼层通过垂直交通设施联系，厂房建筑常用的垂直交通包括楼梯及电梯，其中电梯包括客梯、专用货梯和提升机（物料电梯）。专用货梯起重常用3T，提升机或物料电梯属于非载人电梯，此类电梯常设置于低中区配合生产过程使用，投入成本低利用效率高，因此在设计中应加以考虑。

图5 楼层功能定位

5 结语

随着工业发展快速进入“工业4.0”时代，越发多的传统制造工厂寻求智慧化转型。本文通过对新型智慧厂房的案例分析，浅略提炼出该类建筑的主要设计原则，以期能够为相关建筑设计从业者提供设计参考。