装配式技术在住宅建筑设计中的应用

2023-03-05张倩山东华科规划建筑设计有限公司山东济南250202

中国房地产业 2023年2期

文／张倩山东华科规划建筑设计有限公司山东济南 250202

侯军济南高新控股集团有限公司山东济南 250101

张振华山东同创设计咨询集团有限公司山东济南 250013

引言：

装配式技术与传统施工方式相比，具有显著的优势。首先是成本节约、绿色环保，在建筑施工过程中减少了建筑垃圾和污染物排放；其次是资源利用最大化，通过对现场进行标准化设计和建设，实现构件工厂化生产，大大节省人力成本、物力成本以及原材料成本等；其次是节能减排、提高能源利用率。然而由于受传统建筑材料性能限制以及自身条件限制等原因，目前在实际使用中其存在着许多弊端。此外，目前国内关于装配式结构设计方面还存在着诸多问题，比如缺乏系统完整的理论研究，相关规范不统一，技术标准也相对落后，导致一些新概念、新方法出现并被广泛应用于实际工程当中，从而使其无法真正发挥出其优越性。因此，需要结合当前社会经济的发展趋势，以先进的科学技术为基础，借鉴国外优秀研究成果，不断地优化创新，才能更好地促进我国装配式结构设计事业的进一步发展。

1.装配式住宅种类分析

1.1 轻钢种类

装配式结构拥有丰富的结构体系，其中轻钢结构由于其造价低、施工简便等特点在国内得到广泛应用。轻钢结构具有良好的抗风能力和抗震性能，同时还可减少钢材用量。目前，我国正在积极推进新型工业化进程，大力发展钢结构建筑。轻钢结构更加轻薄，可以有效地减轻建筑物自重并提高房屋质量，从而节约土地资源。轻钢结构经常用于旧房改造或者是新建住宅项目中，它以轻质高强材料为主要原材料，采用预制构件方式进行拼装而成，因此能够极大的降低建造成本。和其他结构相比，轻钢结构现场施工量少、工期短，并且无需对施工现场进行任何改动。另外，轻钢结构不需要使用水泥浇筑便能完成安装工作，这使得轻钢结构工程节省了大量时间以及劳动力，大大提升了工程质量。但在实际过程当中，想要使得轻钢结构装配式设计符合相关标准要求，就必须要将轻钢结构设计与装配化施工相结合，这样才能保证轻钢结构装配式的整体效果。

1.2 混凝土种类

混凝土结构适用于装配式住宅建设，混凝土结构建筑具有施工速度快、抗震性能好、质量可靠等特点。在我国的住宅中应用广泛。混凝土结构房屋是以钢筋和水泥为主要材料，通过浇筑成型并进行养护而成的建筑物。由于采用了大量的钢材及混凝土制成墙体、屋顶和楼体。它可以节省木材，提高工效；同时还可减少污染，有利于环境保护；并且能够节约土地资源。混凝土结构自身具有耐久性、强度高等优点，所以广泛应用于高层楼房的建造过程之中，尤其是高层建筑中，其作用尤为重要。混凝土结构装配式建筑与传统建筑施工方式相比，不仅能实现经济高效地生产出优质的产品，而且还能有效地控制工程造价，从而使建筑成本大大降低。随着国家对建筑行业越来越重视，对于新型工业化建筑业的发展也给予了大力支持，因此混凝土结构建筑也得到了较高的认可，受到社会上众多人士的欢迎。但是，当前人们对混凝土结构的使用情况仍然存在很多误区。首先，一些人认为混凝土只是一种建筑材料，只要将它用于建筑工程即可完成任务。其实这种观点是不正确的，混凝土本身就是一种特殊材质的物质，且含有丰富的矿物质成分，如石膏、镁盐等。而这些矿物成分会影响到混凝土的力学性能，导致构件产生变形甚至断裂。其次，有些人买回的商品混凝土外观颜色杂乱，没有统一标准，有的出现色差现象。这使得混凝土结构建筑更加难以验收，容易造成二次装修问题。

1.3 木结构种类

木结构体系大多出现在南方高级别墅上，而在北方则很少见。这也是为什么中国的一些高档住宅多采用木质结构的原因。木构架作为一种承重、稳定和坚固的构件，被广泛地应用于各种建筑中。木结构体系建筑具有防火性能好、抗震能力强、保温隔热性能优异等特点，其使用范围已遍及各行各业，然而随着人们对居住要求的日益提高以及我国经济建设水平不断提升，传统建造方式已经不能满足当代社会发展需要，一些对天然木质有需求的爱好者对木质房屋需求增加了许多新内容，于是就产生了很多新型木制建筑材料，促使建筑行业对传统木质结构住宅进行更新改造，以适应当前时代发展趋势，为改善人民生活质量做出贡献。对于木结构建筑来说，要想达到理想的效果，除了本身木材资源丰富以外，还要根据实际情况合理选择材料，从而使之发挥出最佳效益，这样才能保证木结构建筑的安全性和合理性。

2.简述装配式建筑“可复制单元”

当前我国住宅品质日益提升，且具有明显的居住舒适性和健康性。在此背景之下，在对现代化住宅建筑进行设计时，需要将多种复杂的结构形式纳入其中并合理运用其功能及性能特点，以达到满足人们生活需求为目标。与此同时，需要考虑居民对住宅建筑有多元化选择的实际情况，从而保证整个工程能够获得更好地建设效果。因此，装配式技术在现代住宅产业中得到了广泛推广与应用，成为一种有效提高房屋质量以及使用效率的先进建造方式。而装配式建筑设计是一个非常重要的环节，它不仅可以优化建筑物各部分之间的比例关系，还能实现空间布局、材料等方面的灵活创新，并且通过采用更多新型建筑材料来改善施工条件，最终达到节能环保的目的。

2.1 装配式建筑“可复制单元”应用

在运用装配式技术时，应当关注“可复制单元”这一概念。例如，我们可以把一个工厂分为多个车间（如装配生产线、装配线）；或者将一个生产单位划分为若干个小的子单位。对于大范围内的企业来说，每个人都可能有自己独立的工作和生活区域。因此，要想实现真正意义上的建筑工业化是不现实的。而如果能够有效地利用已有的资源来进行设计和制造，则就能使人们获得更高的效率。装配式建筑自身具有规模效益的优势，同时也具备了降低成本的潜力，这一点已经被越来越多的国家所重视并实践。在住宅建筑过程当中运用“可复制单元”概念，既有利于提高房屋质量、降低工程造价，又有利于改善居住环境。它不仅体现了现代科学技术发展对人类社会进步带来的积极影响，而且还符合当前世界各国建设和谐社会的要求。在住宅建筑过程当中合理使用“可复制单元”，可以对不同功能的房间进行模板化加工，从而减少装修费用[1]。同时，由于采用标准化施工，可以避免因人工因素造成的浪费，也节省了材料成本。另外，“可复制单元”与传统建造方式相比，其主要优点在于：一是节约时间和空间，二是缩短工期，三是便于安装维修。因此，在我国实施装配式建筑设计中，应优先考虑用“可复制单元（BIME）”取代以往的各种形式的结构体系及构件等，以达到节能减排、节材增效的目的。

2.2 装配式建筑设计要点

目前，对于装配式建筑设计来说，存在着一些问题亟待解决，主要表现在以下几个方面：一是由于各种因素影响，导致传统构件不能很好地适应新时代要求，尤其是钢结构这种新型建材在发展过程当中出现严重滞缓现象；二是现行规范体系下装配式建筑没有足够数量的标准模板，无法解决大量生产加工预制产品。另外，随着工业化进程不断加快，企业为了降低成本，会越来越多地采购国外或国内知名品牌的模具制造设备，这使得模架成本居高不下，甚至有些企业已经放弃自己生产模架上的钢材。以上这些因素都直接影响到装配式建筑设计水平，进而制约着该行业的进一步发展。所以，要想从根本上解决问题，就必须加强装配式建筑理论研究，完善相关技术标准体系，推动相关领域的进步。

在装配式建筑设计过程当中，需要注意的是地方的建筑结构以及相关材料是否符合设计要求。而这些都是装配式建筑工地管理中非常重要的一部分内容，所以想要做好施工阶段的工作，就必须要对这一点进行重视，只有这样才能够确保工程整体质量达到标准，从而更好地提高工程质量。在建筑工程设计当中，被采用的预制构件有一些特殊功能，例如隔墙、门窗等，因此也会受到很多方面的影响，为了保证预制构件与外界环境之间的隔绝性，还需要根据实际情况来选择使用什么样的建筑材料和混凝土等等，并且还要考虑到不同类型的预制构件的性能特点。将预制构件运输到施工工地进行固定时，首先应该按照规定的方法安装好螺栓或者螺母，然后再利用吊装设备把预制构件从施工现场吊至指定位置，并进行严格检查确认无误后才能开始拆卸，否则将会导致预制构件出现问题。如果发现没有合格的预制构件则不能继续进行拆除，而是应尽快向施工单位报告，由施工单位予以处理。同时在拆除前一定要先做一个详细的安全评估，一旦发生安全事故就要立即停工整改，以免造成二次事故的产生，给企业带来不必要的损失。

在住宅建筑施工过程当中运用装配技术之前，需要对建造的住宅面积及户型进行严格分析与计算，这样才能够确定预制构件是否符合设计要求。同时还必须考虑根据现场实际情况采用合适的预制构件类型，并保证其质量满足施工需求。如果预制构件数量过多，或者是结构体系不合理的话，就会造成建筑成本过高或浪费等问题。所以说要想提高装配式装修效率、降低造价，那么就要从合理规划入手，以达到良好的经济效益。除此之外，在设计人员设计住宅施工图时，也应该注重自身知识和经验以及对于相关规范标准的理解程度，从而避免盲目照搬别人的图纸来完成自己的任务，这也是提高工作效率的一种有效手段。与此同时，设计工作者还应当考虑到构件的制作方式及其安装工艺的合理性，相关施工人员可以根据施工图纸明确可以复制的构件种类，并且将这些材料加工成所需尺寸，以便于实现高效生产，减少资源消耗[2]。依照住宅建筑多具有的特性，应当从立面系统、集成系统等多方面思考构建时采用什么样的装配技术。

3.装配式技术在住宅建筑设计中具有应用

3.1 在立面系统中的应用

住宅建筑中可以使用的通用构建主要为外立面围护结构件，主要组成分为框架和剪力墙,构件类型是采用立面围护结构件产品时必须考虑的重要因素之一,主要构件类型包括双向分体构件式，指的是通过设置不同尺寸及规格的柱、梁或板来实现竖向承重功能[3]。也有部分企业生产用于水平方向荷载传递作用的装配式楼板；还有一些特殊情况下需要在墙体上增加横向支撑的新型构造形式如预制空心砌块墙等。由于这些构件种类繁多且具有各自独特的特征，其性能特点各异。通常情况下均可直接应用于住宅建筑设计中。而单向分体结构式的优点在于:不受外部环境条件限制，能满足各种复杂地形地区对房屋平面布局的要求;安装方便，施工质量好;能够承受较大范围内建筑物自重与外界来风载荷;适用于较高楼层或高度超过一定程度的楼房设计;材料节省，易于回收利用。另外，该体系还具备良好的耐久性，便于后期维修，减少了能耗，并能降低工程造价。此外，整体单元式组合装配技术将整个空间划分成若干单元进行组装，使每个房间都拥有独立的卧室，客厅和厨房，从而达到紧凑化布置。这种方法既有利于提高居住环境品质又节约土地资源，而且对于改善住房条件有着非常积极的意义。但是适应整体单元式时，需要在安装围护板时搭配玻璃窗或窗框，同时还要保证窗户的保温隔热效果[4]。在住宅建筑过程当中，需要使用整体单元式时，首先需要确定单元大小，然后根据计算得出的各个模块之间的位置关系以及对应面积的分配方案，最后再按照具体图纸完成总体构架的搭建工作[5]。整体单元式结构设计流程一般包括：方案设计—施工图审查—预算审核—设计变更管理—合同签署与履行。其中初步设计阶段为基础设计，它是决定整体结构是否符合工程设计规范的重要环节。如果设计方案出现偏差，就会导致整幢楼无法正常运行，甚至可能造成安全事故。因此，总体设计人员必须掌握相关知识，了解自身所承担的责任。

在住宅建筑中需要的构件要具有足够的强度、刚度和耐久性。在实际情况下，住宅建筑使用的外围护板大小可以是一定尺寸或某一规格（如200mm），但不应超过其最大允许直径。通常，建筑物外围护板应采用与墙体厚度相同或相近的材料制成。如果外部护板不能满足设计要求时，可通过改变结构形式来解决。住宅建筑内部的柱和填充墙都需要住宅设计人员根据当地环境条件进行选择，尽量可以成为可复制构件的一种类型，以便于对它加以利用和改造，以使这些部件能更好地适应当前的技术和经济状况[6]。

3.2 在平面构件系统中的应用

平面构件系统所使用的构件中，可以复制为通用构件的主要为预制楼板[7]。在建筑结构体系设计时，可考虑将其应用于现浇混凝土框架柱和剪力墙等装配式梁板或组合板内，以提高施工效率、降低工程造价、简化工程工序，也能满足一些特殊功能要求的需要。与此同时，在住宅建筑平面构件系统中需要大量使用预制叠合板，这种材料具有强度高、耐久性好、安装方便、抗震性能强等特点，而且它还具有良好的装饰效果，特别适用于外立面装修以及厨房、卫生间、阳台等外墙面与室内地面连接的部位。平面构件系统的开间跨度大、高度多、空间利用率较低，因此，必须采用合理而有效的方案来进行结构设计。在设置开间跨度时，需要小于6m，楼板需要使用叠合楼板，即利用现有钢筋加工设备及装配技术制造出足够数量的成品叠合楼板；另外还要预留一定尺寸的活动模板以便实现各种不同形状和规格的板材之间的自由拼接，这就要求对现场条件有很高的要求。目前，住宅建筑设计当中预制叠合梁（板）已成为一种重要的建筑材料。由于叠合梁（板）是由多种截面形式组成，所以不仅要保证各部分受力均匀且刚度一致，同时还应避免因应力集中而产生开裂现象，并确保整体力学性能达到规范规定的指标。

3.3 在集成式单元系统中的应用

集成式单元系统就是把多个子系统通过总线连接在一起，构成一个统一的整体[8]。集成式单元是将设备、线路和网络有机地整合到一个模块中，以满足不同用户对功能要求的一种方案。集成式单元系统主要运用在住宅建筑中的配电设施上，包括配电柜、开关站、开关箱等，这些都是需要经常维修更新的部件。而这种集成方式的特点在于：既可以使整个系统实现模块化设计，又可避免重复建设，从而降低了成本。目前，卫生间可还是采用集成式单元系统技术安装，但由于其使用场所较为有限，因此还不能很好地解决实际问题。如果要提高整体性能，则应考虑采用集中布线、综合布线等方法，才能更好地发挥集成技术的优势。卫生间采用集成式方式可以减少现场施工难度，也能节约工程费用。另外，与传统分体式相比，它具有体积小、重量轻、造价低、运行灵活、维护方便的优点。