不同结构形式的装配式住宅建筑设计与经济性研究

夏祥宇 魏宗敏 王桂文

随着国家对装配式建筑的持续推进和规范，装配式建筑所占比例逐年提高，加快对装配式建筑的研究与应用已势在必行。住宅产业化是绿色建筑的有力推手，它将住宅规划、设计、部品部件生产、施工、管理和服务等环节联结为一个完整的体系，一方面带动了新技术、新工艺、新材料的应用，另一方面大大提升了建筑品质和科技含量，同时也带动了上下游产业。

因成本高于现浇砼结构住宅，装配式结构住宅的发展受到了一定阻力。在满足产业化率和装配率要求的前提下，如何通过合理的设计使住宅建筑更低碳环保、成本更优、空间更舒适是建筑设计人员需要考虑的事情。

本研究结合实际项目进行装配式建筑设计，并通过对三种常见装配式结构形式的设计及造价分析，归纳总结出建议及改进方向，对同类项目设计具有一定借鉴意义。因我国地域辽阔，建筑材料类别及造价具有较大差异性，故应结合项目所在地实际情况具体问题具体分析。

一、施工图设计

选取济南市南北康A-1地块项目1号住宅楼进行设计，单体平面为两梯四户中间带连廊的平面，户型面积分别为94㎡和140㎡。根据山东省装配式建筑评价标准要求，装配率不应低于50%，设计时间为2020年4月。

1. 建筑设计

该项目1 号楼地上二十六层，地上建筑面积12129.55㎡，层高2.9m，建筑高度76m，建筑防火等级为一级，抗震设防类别为丙类，结构合理使用年限为50年。

（1）交付标准：公区精装修，户内全装修。

（2）建筑节能设计：本建筑体积34918.78m³，外表面积11668.88㎡，建筑物体型系数为0.33；窗墙比：南向为0.32，北向为0.21，东西向均为0.06。外窗选用隔热断桥铝合金中空玻璃窗，传热系数为1.80，气密性7级。屋面保温材料为90厚挤塑板，装配式剪力墙方案中外墙保温采用保温结构一体化体系及自保温砌块，另外两种方案中外墙保温采用ALC自保温墙板及保温结构一体化体系。本次节能设计均采用山东钢铁集团房地产有限公司（以下简称山钢地产）住宅项目常用节能做法并满足山东省住宅建筑节能设计相关要求。

2. 结构设计

济南地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第三组，场地类别按Ⅱ类考虑，抗震设防类别为标准设防。装配式剪力墙结构抗震等级为三级，装配式钢结构抗震等级为二级，装配式剪力墙土+钢结构抗震等级为二级。基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

建筑结构布置较为规则，共采用了三种装配式结构形式，均满足山东省装配式建筑评价要求的最低要求（50分）（详见表1）。第一种为装配式剪力墙结构，其中竖向承重内墙、楼板、楼梯采用预制，其余采用现浇；第二种为装配式钢结构，主要竖向构件为矩形钢管（内充混凝土），水平构件为H型钢梁，楼板为钢筋桁架楼承板；第三种为装配式剪力墙+钢结构混合结构，受建筑布置影响，交通核在北侧，东西区域采用钢筋混凝土剪力墙，中部区域为钢框架。

表1 装配式建筑评价表

二、经济技术指标测算分析

1. 各方案经济技术指标测算

根据南北康项目A-1地块1号住宅楼的三种装配式结构设计方案，分别编制三种结构的算量图形，主要计算主体结构工程量，装饰工程和安装工程未纳入计算范围。采用广联达BIM土建计量平台GTJ2021建立结构模型，采用16系平法规则，参照房屋建筑与装饰工程计量规范计算规则（2013-山东）计算工程量。

计价采用广联达计价软件GBQ4.0版本，运用广联达计价软件编制工程量清单，参照《山东省建筑工程消耗量定额2016》及《山东省安装工程消耗量定额2016》，人工工日按70元/工日，钢筋价格3790～4050元/t，混凝土价格480～500元/m³，砂浆480元/m³，装配式预制构件3300～3600元/m³，其余价格参考当期市场价格确定。根据计价结果汇总三种结构形式经济技术指标表，参见表2。

表2 各结构形式指标对比表

2. 方案经济技术指标对比分析

在平面相同且满足单体装配率最低要求的情况下，装配式剪力墙方案造价最低，装配式钢结构方案最高；装配式剪力墙方案比装配式钢结构方案造价低307.3元/㎡，其中竖向支撑低225.78元/㎡，横向支撑低263.67元/㎡，横向板低18.37元/㎡，楼梯低15.62元/㎡，保温低28.78 元/㎡，砌体低23.24元/㎡，措施低87.00元/㎡。钢结构的承重构件采用钢梁、钢柱和支撑，用钢量远高于混凝土结构，这是钢结构造价高的主要原因。

三、装配式结构建筑设计优化改进措施

根据经济技术指标分析及装配式评分表，影响成本的因素主要集中在主体结构部分，可以有针对性地降低主体结构构件比例。无论是哪一种装配式结构，均可通过增加非承重墙、内隔墙、干法施工、集成卫生间、管线分离、标准化设计等措施来增加相应分值，从而降低主体结构分值，达到降低成本的目的。装配式建筑深化研究内容和设计阶段需要把控的重点内容如下：

1. 装配式建筑深化研究方向

（1）因图纸中装饰装修、安装工程未能完善，后续需要根据深化设计进一步完善测算分析，明确装饰装修、安装工程在不同结构形式中的造价偏差。

（2）本次只考虑满足最低装配率要求情况下的造价分析，后续可测算装配率的进一步提高对造价的影响。

（3）需进一步研发适合市场销售的装配式住宅户型。

2. 装配式建筑设计阶段需要把控的重点内容

（1）方案设计阶段

①近年来，各地纷纷出台关于装配式建筑的奖励政策，如济南市2020年出台的《济南市装配式建筑预制外墙建筑面积不计入容积率激励政策实施细则》中第二条规定“在我市范围内新建符合国家或山东省《装配式建筑评价标准》评价等要求的装配式建筑项目，采用装配式外墙技术产品，其预制外墙建筑面积不超过规划总建筑面积3%的部分，不计入建筑容积率。”建设单位应在项目设计前期与政府相关部门就土地规划条件及装配式建筑奖励政策进行深入沟通，在方案阶段明确装配式建筑设计实施范围，进而判断结构体系、概念方案设计的合理性，才能达到降低成本的目的。

②项目定位阶段应减少户型种类，同一面积段的户型设计应尽量一致，形成标准户型、标准交通核等。如户型差异不可避免，不同户型之间的卫生间、厨房、卧室等相同功能空间的开间应尽量保持一致，可有利于减少外墙板尺寸差异性。标准户型、标准开间可最大限度地满足预制构件标准化加工要求并降低成本；方案设计过程中应避免出现宽度小于等于200mm的内外墙墙垛，如确实需要可考虑做成现浇结构。

③明确装配式建筑的装配率要求后，应结合项目定位先选择合理的装配式建筑结构体系再确定技术方案，明确计算、评价单元和评价项。确定装配式建筑结构体系、技术方案后，应反向调整建筑平面、立面、剖面设计，确定住宅建筑方案。如采用装配式钢结构，需考虑在确定结构体系下竖向抗侧力柱构件采用何种形式，若采用方钢管混凝土柱，应充分考虑钢管柱凸出墙面的问题，结合具体的户型设计可采用柱偏置和长扁柱或利用装修将此问题消除；若采用方钢管混凝土组合异形柱，应提前与厂家对接异形柱加工方式问题，也应充分考虑异形柱与保温层可靠连接的问题。

（2）装配式结构施工图设计阶段

图纸为满足构件深化设计的要求，建议建立典型户型的各系统综合的三维模型。设计成果应包含：产业化专项内容：明确装配率或预制率指标，涵盖所有结构、建筑的产业化节点，明确各类接缝做法等。以装配式混凝土结构为例，设计成果主要有：

①PC结构施工设计总说明及 PC构件工程量统计清单。

②预制构件平面分布图—图纸中应区分现浇结构及预制结构，绘出预制结构构件的位置及定位尺寸；绘出预制结构构件型号或编号及详图索引号；标注较大构件的尺寸、重量及吊装距离最远的构件。

③预制构件立面分布图应包含─整栋建筑立面上的预制构件与现浇砼的范围及预制构件的名称。

④预制构件剖面图应表达建筑的预制构件墙身详图及节点详图索引。

⑤预制构件公共详图应包括水平和竖向缝连接详图、夹心保温排水管设置详图、预制剪力墙水平和竖向连接详图、预制梯段板端部连接详图、夹心保温内外页板连接详图、预制墙施工用斜撑详图、预制外墙调标高详图、PC与现浇阴角模板施工详图、双向叠合板整体式接缝构造图等。

⑥预制构件索引节点详图应包括凸窗与叠合梁的连接详图、PC墙的竖向和水平连接、阳台板与叠合梁的连接详图、转换层与PC构件的连接详图、阳台隔墙上下连接详图等。

⑦PC计算书应包括预制率计算、预制夹心保温外墙面积计算、剪力墙水平接缝计算、预制构件正常使用阶段锚固验算、预制构件脱模和吊装阶段计算等。

3. 装配式构件深化设计及加工阶段

建设单位可引入BIM设计进行辅助。建设单位、施工单位、施工图设计单位、装配式构件厂家、BIM设计单位应共同参与，从不同的角度去审视装配式构件深化设计的合理性。如施工单位应充分考虑施工机具放置位置对装配式墙板的影响，外墙脚手架的悬挑楼层处的装配式外墙板应在设计阶段预留出相应的孔洞，避免因后期开洞对墙板造成破坏而增加不必要的成本。

四、结语

对于住宅建筑来说，装配式混凝土结构、装配式钢结构、装配式混-钢混合结构都是比较成熟的结构体系。本文的研究分析，将有助于建筑师、结构师和造价师更加明确这三种筑结构体系经济性差异点所在，让他们在今后的住宅设计及成本管控中更具有主导权。希望更多的建筑师可以设计出实用、经济、绿色的住宅建筑，为我国低碳发展做出贡献，为建设单位降低开发成本并为老百姓设计出更加舒适的居住空间。