装配式地铁车站评价体系研究*

张 军,莫振泽,2,李 鹏,魏明光,管东芝

(1.无锡地铁集团有限公司,江苏 无锡 214044; 2.锡澄中车(无锡)城市轨道交通工程有限公司,江苏 无锡 214000; 3.江苏中车城市发展有限公司,江苏 无锡 214000;4.上海市政预制技术开发有限公司,上海 200092; 5.东南大学,江苏 南京 210096)

随着我国社会经济快速发展,国家对建筑质量与安全、资源节约、环境保护的要求越来越高。较现浇建筑而言,装配式建造具有效率高、质量好、环保、节省劳动力等优点,从而逐渐成为建筑行业发展的趋势[1]。2016年国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》,此后,国家各部委及地方政府均出台了相应的推动装配式建筑发展的政策,装配式建造技术在我国建筑业的各个领域(如民用建筑、桥梁、隧道)中均得到了飞速发展。地铁车站是轨道交通建设过程中的关键节点,其建造速度及质量至关重要。装配式地下车站在国内的研究应用刚兴起,目前主要有全预制拼装和装配叠合整体式两种体系[2]。与地面建筑相比,装配式地铁车站作为大型地下结构有其自身特点,在结构形式、防水、围护及施工工法方面均存在差异。

评价标准是引导装配式建筑发展方向的重要政策工具。目前住房和城乡建设部颁布了GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》,我国各省、自治区、直辖市也基于住建部的评价标准,结合各地方情况,编制了地方性评价标准。但以上标准主要针对地面建筑,对于地下车站建筑并不完全适用。此外,目前国内绝大多数装配式建筑评价标准均以装配率为唯一评价指标,在装配式建筑发展初期可起到评价作用,但单纯追求装配率可能会出现很多异形非标准预制构件,造成资源浪费,增加工程造价,进而降低装配式结构竞争力,不利于产业发展。

本文在调研国内外装配式地铁车站及装配式评价标准体系的基础上,提出了装配式地铁车站评价体系。采用建立的评价体系对一座装配式地铁车站进行试评价,评价结果表明本文提出的评价体系具有较好的系统性、科学性和适用性。

1 研究现状

1.1 装配式地铁车站技术现状

1.1.1国外装配式地铁车站

日本曾采用盾构法建造地铁车站,如采用双圆盾构修建的装配式车站,如图1a所示。法国和俄罗斯曾采用矿山法结合装配式技术进行车站的建设,如图1b所示[2]。盾构法和矿山法的预制构件间采用干接,施工效率较高,但若将该技术应用于有一级防水要求的地铁车站建设中,其连接和防水需进一步进行研究和论证。

图1 盾构法和矿山法建造装配式车站Fig.1 Prefabricated station constructed by shield method and mining method

俄罗斯曾采用明挖法进行装配式地铁车站建设,车站结构采用现浇整体式,如图2所示。该方法通过合理的设计可实现等同现浇的效果,但施工效率需要进一步提高。

1.1.2国内装配式地铁车站

国内装配式地铁车站目前均采用明挖法,主要有全预制拼装和装配叠合整体式两种形式。全预制拼装技术主要在长春、青岛、深圳的地铁建设项目中应用。目前该体系主要采用大构件、干接头,并在接头处采用特殊防水构造保证结构防水性能满足设计规范的要求。装配叠合整体式主要在无锡、北京、上海、广州等地的地铁建设中采用,该体系主要采用小构件、湿接头。

目前这两种结构体系均有较多创新,如采用专用设备进行车站施工,采用“永临结合”降低造价等。文献[3]列出了较多的技术创新细节。

1.2 装配式建筑评价体系现状

1.2.1国外装配式建筑评价体系

德国装配式建筑采用DGNB评估体系进行评价。该评估标准从生态质量、环境质量、节能质量、经济质量、功能质量、社会性质量、设计和规划质量、技术质量、工程质量及基地质量等方面进行评价[4]。日本对装配式建筑评价主要表现在住宅标准化及优良住宅部品认定制度,没有专门针对装配式建筑的评价标准 。美国联邦政府住房和城市发展部(UHD)颁布了《美国工业化住宅建设和安全标准》(National Manufactured Housing Construction and Safety Standards),对装配式建筑的设计、施工、热能、电能、管道系统进行了规范。新加坡装配式建筑注重易建性,并颁布了国家标准《易建性规范》,对总建筑面积 2 000m2以上建筑实行建筑物易建分值评定,针对不同类型建筑从设计和施工环节对建筑易建性进行评价[1]。

总之,国外装配式建筑评价主要侧重于质量、绿色、环保及节能等方面,不刻意追求装配率。

1.2.2国内装配式建筑评价体系

《装配式建筑评价标准》作为针对装配式建筑的评价标准,采用装配率为唯一评价指标对民用建筑的装配化程度进行评价,并且装配率计算限制为室外地坪以上的主体结构部分。该标准通过单一评价指标,对评价过程进行了简化,涵盖了装配式混凝土、钢、木、组合及混合结构。参与评价的建筑必须采用全装修,并对装配率、主体结构、围护墙、内隔墙的最低值均进行了限制。根据装配率将装配式建筑分为3个等级,即A,AA,AAA级。该标准以结果为导向,并未考虑建筑建造过程,由于过于强调装配率,易导致为追求高装配率而忽略高效益。另外,由于缺乏设计建造过程中的指标,对建设、设计和建造单位缺乏较为具体的指导。

基于国家标准,截至2022年已有31个省、自治区、直辖市颁布了各自的装配式评价标准,绝大部分地方标准对国家标准的内容进行了补充和细化。北京市在国家标准基础上增加了信息化、绿色建造的加分项[5];广东省增加了标准化设计、绿色与信息化、施工与管理[6];贵州省增加了BIM技术、EPC模式、标准化设计、绿色建造部分[7];江苏省增加了标准化与一体化设计、绿色建造技术、集成技术、项目组织和施工技术,并对国家标准中部分评分项的权重进行了调整[8];浙江省对国家标准中部分指标进行了细化[9]。

上海市地方标准与国家标准存在一定差异。从建筑设计、生产和施工、项目管理3个维度进行评价,在评价指标中也设置了引导新技术、新工艺、新产品推广应用的条款[10]。

2 装配式地铁车站评价体系构建

2.1 构建目标、原则及边界

2.1.1构建目标

1)对工程项目的工业化程度进行有效度量,采用量化科学的方法对每个评价指标进行清晰打分,并在综合的过程中不丢失信息,最终利用较为可观的结果反映车站的工业化程度。

2)评价体系能适用于不同使用者,不仅可用于建设方的效益评价,还能用于设计、施工等各方的自评估和第三方评价。

3)能对前期策划、设计、施工起到指导优化作用。

4)评价体系简洁易懂、可操作性强,方便各方使用。

5)工业化评价体系应顾及科技创新,只有通过不断的创新,才能不断提高装配式车站各项效益。

6)工业化评价体系最终目的是成为市场改革的重要工具,理想的评价体系能促进装配式车站的建设向高质量方向迈进,促进市场转型。

2.1.2构建原则

1)全面性和代表性相结合 本评价体系评价对象为地铁车站建筑结构,需考虑设计、生产、施工、效益四大维度,各维度提炼出能反映地铁车站建造水平的关键指标,突出评价指标的重点性和代表性。

2)控制项和评分项相结合 参考目前国内评价体系,结合地铁车站特点,设置控制项和评分项。控制项为车站设计和施工中必须满足的最低限制,不满足则不进行评分项评价。评分项为反映车站建造水平的指标。

3)定量和定性相结合 评价指标应尽量定量化,但由于评价的复杂性,不可避免地会存在定性指标,定性指标应结合评价方法进行设置。

4)科学性原则 评价指标的选取必须以建筑工业化理论为基础,指标的选择要结合地铁车站和建筑行业的实际情况,具体指标均能合理、科学地反映建筑工业化概念、内涵、目标,且指标的计算方法、数据收集、权重确定等均要以科学理论为基础。

5)独立性和互偿性可控 评价指标间要尽量避免存在信息重叠交叉或相互包含的关系,通过科学方法对指标进行筛选处理,使指标间相对独立。各指标间具有一定的互偿性,保持评价体系的相对灵活,但又可以进行一定约束。

6)动态性原则 评价指标应根据行业发展进行动态调整,既保持一定的超前性,又结合当前实际情况,鼓励政府及企业进行自主创新,激发市场活力。

2.1.3构建边界

评价对象为地铁车站建筑结构,包括地铁车站所有主体结构和附属设施,适当考虑围护结构。评价的时间维度包括设计阶段和施工阶段,不包括项目前期策划阶段和车站后期运营阶段。评价的专业包括建筑、结构、装修和技经。

2.2 评价体系指标及权重

评价体系指标分为控制项和评分项,控制项条款为必须满足的条款,控制项全部满足则进入评分项进行评分,否则不进行工业化评价。通过评分项最终确定评价等级。评分项指标共分为三级,第一级分为四项,即设计、生产、施工、效益。

1)在设计的一级指标下,设有车站总体设计、标准化设计、装配率、结构体系适应性、BIM技术应用、科技创新和绿色设计二级指标。其中,在装配率计算中除了考虑主体结构还综合考虑装修和设备管线的影响。三级指标是对二级指标的进一步细化,在二级指标车站总体设计下设置预制标准段长度、柱(墙)网重复率两项三级指标;在标准化设计下设置基准定位、尺寸公差、模数协调、构件重复率等三级指标;在结构适应性下设置运输吊装适应性、地层适应性、围护适应性三级指标;在科技创新和绿色设计下设置新结构体系、新连接构造、新材料、永临结合等三级指标。

2)在生产的一级指标下设置生产管理、预制工艺及技术、预制构件储运堆放及成品保护、科技创新和绿色生产二级指标。

3)在施工的一级指标下设置施工管理、主体结构施工措施及技术、二次结构和机电装修一体化施工、科技创新和绿色施工二级指标。

4)在效益的一级指标下设置经济效益、社会效益、环境效益二级指标。

各项指标的权重由专家咨询和层次分析法确定,由于设计对施工以及最终的效益有关键作用,因此设计所占权重最高,为0.45。在设计方案确定后,生产和施工仍有优化空间,生产和施工过程控制有助于实现设计目的和高效益,故权重仅次于设计,均为0.20。效益是设计和施工产生的结果,是装配式建筑得以推广的关键,在现阶段效益权重最低,为0.15。各级指标及权重如图3所示。

图3 评价体系指标和权重Fig.3 Evaluation system index and weight

2.3 评价方法及分级标准

装配式地铁车站评价指标中控制项必须全部满足本标准的相关要求。四类一级指标总分均为100分,二级指标和三级指标的最高分分别按式(1),(2)计算：

Q2i(max)=100W2i

(1)

Q3i(max)=100W3i

(2)

式中：Q2i(max),Q3i(max)分别为二级指标和三级指标最高分;W2i,W3i分别为二级指标和三级指标权重。

装配式车站最终得分按式(3)计算：

(3)

式中：Q为总得分;Q1i为四类一级指标(设计、生产、施工、效益)评分项得分;W1i为四类一级指标(设计、生产、施工、效益)权重。

通过对比工程项目中各项指标实施情况,对三级指标进行打分后求和可得各一级指标总分。车站工业化评价等级分为五级,根据最终得分Q,按表1规定进行分级。

表1 地铁车站工业化建造等级划分Table 1 Classification of industrialized construction grade of subway station

3 工程项目评价实例

3.1 工程概况

无锡地铁S1号线是一条正在建设的城际轨道交通工程,连接江苏省无锡市、江阴市。南门站为第三座车站,车站位于规划长庆路与虹桥南路交叉口,沿虹桥南路敷设,为地下2层岛式车站。车站外包长198.7m,有效站台宽11m,单柱双跨结构,纵向柱距9m。车站采用明挖法施工,除两端盾构井采用现浇外,其余150m长度采用装配叠合整体式结构,车站标准段如图4所示。主体结构设计采用预制叠合梁、预制钢管柱、预制预应力叠合板、预制楼梯等,构件尺寸和质量较小。工厂生产采用先张法流水线及组合结构柱流水线;现场施工采用新型构件吊装、构件翻转、安装精调等设备。

图4 装配式地铁车站结构示意Fig.4 Prefabricated subway station structure

3.2 评价结果

评价结果如表2所示。由表2可知,计算获得的总得分为90.15分,达到国内领先水平。从评价结果中可以看出,现场施工表现最为突出,设计、生产和效益还有提升空间。本评价结论与国内众多专家的评价结论较接近。同时,通过基于本文提出的评价体系的评价,项目各参与单位能较为清楚地了解各自有待提升的地方,对装配式地铁车站的发展具有指导性。

表2 装配式地铁车站评价Table 2 Evaluation of prefabricated subway station

4 结语

本文在对国内装配式车站及装配式评价标准充分调研的基础上,提出了装配式地铁车站评价体系,并对无锡地铁S1号线装配式地铁车站进行了评价,得出以下结论。

1)地下车站和地上建筑在结构类型和发展成熟度上均存在差异,构建考虑建造过程的评价体系具有重要意义。

2)从设计、生产、施工、效益角度,采用三级指标对装配式车站进行评价,能够对装配式车站的工业化程度和先进性进行有效度量,可以引导项目各参建方对建造各环节进行优化及创新。

3)装配式车站实际工程的评价表明本评价体系具有很好的适用性和可操作性。