裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法工程應(yīng)用研究

葉浩文樊則森周沖劉程煒

(中建科技有限公司,北京100070)

0 引言

中國建筑業(yè)已進(jìn)入綠色化、工業(yè)化、信息化發(fā)展時(shí)期,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等是新型工業(yè)化建造方式。裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要途徑之一,可以有效促進(jìn)節(jié)能減排、全面提升建筑品質(zhì)、縮短工期、提高建筑工業(yè)化水平。發(fā)展裝配式建筑是落實(shí)國家創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展理念的需要,是全面提升建筑工程的質(zhì)量、安全和品質(zhì)的需要,也是驅(qū)動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的需要。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是建筑工業(yè)化的核心,是工廠加工生產(chǎn)的前提和工業(yè)化發(fā)展的重要特征,是實(shí)現(xiàn)裝配式建筑品質(zhì)提升、效益效率提高、工期節(jié)約和成本節(jié)省的重要方法和措施,有利于將建筑業(yè)各個(gè)分散的環(huán)節(jié)整合為一個(gè)整體。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝和標(biāo)準(zhǔn)化裝配工法的前提,有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、社會(huì)化的大生產(chǎn)。由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不深刻及善于運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原理、能提出創(chuàng)造性的方案切實(shí)地做到少規(guī)格多組合的裝配式建筑設(shè)計(jì)師還有待于培育,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還未形成等原因,目前裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠、自動(dòng)化水平不高,市場(chǎng)上還未形成裝配式建筑的規(guī)模化、批量化發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)化程度得不到充分體現(xiàn),研究標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法和技術(shù)對(duì)于裝配式建筑的發(fā)展具有重要意義。

專家學(xué)者已對(duì)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)做了一定研究,指出國內(nèi)裝配式建筑發(fā)展缺乏標(biāo)準(zhǔn)體系,在設(shè)計(jì)建筑產(chǎn)品時(shí)需要利用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法,并配套現(xiàn)代化施工技術(shù)及一體化裝修等,建立以標(biāo)準(zhǔn)化審查為核心的設(shè)計(jì)審查機(jī)制,提高住宅質(zhì)量、降低成本,促進(jìn)裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展[1-3]；葉浩文等認(rèn)為裝配式建筑設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)集成不夠、創(chuàng)新能力不足,要研發(fā)并優(yōu)化利于現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易化、高效化裝配的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、全裝配式結(jié)構(gòu)體系及連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),并提出裝配式建筑設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[4-5]；周建強(qiáng)等提出住宅建筑設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì),并從住宅戶內(nèi)、公共空間設(shè)計(jì)及建筑構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等方面,闡述了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可確保后續(xù)裝配式構(gòu)件及建筑的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,同時(shí)提出在探索標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的工程中可以引入模塊化或參數(shù)化,尋求批量和個(gè)性較好的結(jié)合[6-9]；劉東衛(wèi)等分析了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與技術(shù)革新對(duì)公租房可持續(xù)發(fā)展與建設(shè)模式轉(zhuǎn)型的推動(dòng)作用,提出了公租房可持續(xù)課題與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)、基本原則及其技術(shù)路線[10]；張守峰闡述了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)在建筑工業(yè)化中的重要性,并指出將構(gòu)配件工廠化生產(chǎn)、裝配化建造等都納入設(shè)計(jì)內(nèi)容,在公租房設(shè)計(jì)過程中注重要點(diǎn)及細(xì)節(jié)把控,實(shí)現(xiàn)戶型標(biāo)準(zhǔn)化、廚衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)化、管井標(biāo)準(zhǔn)化等[11]；李強(qiáng)等就現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)及設(shè)計(jì),討論了其在工業(yè)建筑中的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[12]；張穎杰基于工作實(shí)踐,從住宅的功能定位、空間組織設(shè)計(jì)及戶型設(shè)計(jì)出發(fā),提出了建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的措施[13]；蔡恩健等從建筑設(shè)計(jì)過程中的模數(shù)化、精細(xì)化、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行了研究[14]；樊則森等介紹了裝配式建筑通過BIM方法進(jìn)行技術(shù)集成,貫穿包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理的建筑全生命周期,分析探討了BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝配式建筑深化設(shè)計(jì)的方法與手段[15]。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)不等于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),不是千篇一律,而是將一系列標(biāo)準(zhǔn)的基本單元通過模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊組合、通用接口、空間協(xié)調(diào)、無限拓展,形成形式多樣的個(gè)性化建筑產(chǎn)品,需建立在規(guī)模化、批量化的基礎(chǔ)之上,是大樣本數(shù)據(jù)下的統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化。目前對(duì)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的具體研究仍較少,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)尚不成熟,創(chuàng)新能力不足,需要大力研發(fā)并優(yōu)化利于現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易化、高效化裝配的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。文章概述了裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),研究了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用,并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了分析,從而促進(jìn)裝配式建筑品質(zhì)提升、效益提高和成本節(jié)約,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、社會(huì)化的大生產(chǎn)。

1 裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)概述

裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基本原則是建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修一體化和設(shè)計(jì)、加工、裝配一體化,具體原則是模數(shù)統(tǒng)一、模塊協(xié)同、少規(guī)格、多組合,各專業(yè)一體化考慮。遵循建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修一體化的原則,在技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和預(yù)制構(gòu)件加工圖設(shè)計(jì)5個(gè)階段進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。遵循設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配全過程一體化的原則,構(gòu)建設(shè)計(jì)產(chǎn)品利于工廠規(guī)模化生產(chǎn)、利于現(xiàn)場(chǎng)高效化裝配的關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同機(jī)制。建立并規(guī)范建筑、結(jié)構(gòu)模數(shù)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則,堅(jiān)持少規(guī)格、多組合原則,以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),通過模數(shù)協(xié)調(diào)和系列組合實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、立面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、部品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。其中,平面標(biāo)準(zhǔn)化的組合實(shí)現(xiàn)各種功能的戶型,立面標(biāo)準(zhǔn)化通過組合來實(shí)現(xiàn)多樣化,構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化要少規(guī)格、多組合,部品部件標(biāo)準(zhǔn)化要模塊化、精細(xì)化。

2 裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法

2.1 平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1.1 確定平面標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)模數(shù)和規(guī)則

相同基本戶型下,開間不變、進(jìn)深在一定基礎(chǔ)上,以200 mm或其他模數(shù)進(jìn)行延伸擴(kuò)展,如圖1(a)所示。不同基本戶型下,確定相同尺寸的通用邊界,便于模塊間的協(xié)同拼接,如圖1(b)所示確定了8800 mm的協(xié)同組裝接口,其中,x代表房間隔斷可以是任意尺寸。

圖1 平面標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)模數(shù)圖

2.1.2 接口通用的模塊組合戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通過模塊化的設(shè)計(jì)方法,采用標(biāo)準(zhǔn)化的戶型模塊。戶型模塊包括衛(wèi)生間、廚房、餐廳、客廳、臥室等基本模塊。整體方案采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)整合,通過基本戶型模塊的通用化接口,使各戶型可進(jìn)行多樣化的組合,建立形成標(biāo)準(zhǔn)化住宅套型系列。如圖2所示,由臥室、廚房、衛(wèi)生間等基本模塊組合而成的60、90 m2等2種戶型。

2.1.3 邊界協(xié)同的系列基本戶型平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通過基本戶型模塊之間按照通用協(xié)同邊界(如8800 mm)進(jìn)行組合,與公共空間模塊(包括走廊、樓梯、電梯等基本模塊)進(jìn)行組合,確定多種基本平面形狀,形成不同的個(gè)性化平面,實(shí)現(xiàn)樓棟組合的無限生長,如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)模塊組合不同戶型圖

圖3 基本戶型模塊協(xié)同邊界組合圖

2.1.4 有限模塊、無限生長的方法

建立標(biāo)準(zhǔn)化的建筑產(chǎn)品的基本構(gòu)件和部品部件庫,如圖4(a)所示,擯棄先設(shè)計(jì)后拆分的“等同現(xiàn)澆”設(shè)計(jì)思維,由基本構(gòu)件及部品部件組成有限的系列模塊單元,如圖4(b)所示,再由模塊單元按照居住功能的需要無限拓展。可建立各種住戶需求戶型圖,如單身貴族(兩口)、三口之家、三代同堂、老人安享等標(biāo)準(zhǔn)戶型,如圖4(c)所示,實(shí)現(xiàn)由有限的元素組成千變?nèi)f化的大千世界。

圖4 有限模塊，無限生長模式圖

2.2 立面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.2.1 飾面多樣、模數(shù)化的外圍護(hù)墻板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通過預(yù)制外墻板不同飾面材料展現(xiàn)不同肌理與色彩的變化,飾面運(yùn)用裝飾混凝土、清水混凝土、涂料、面磚或石材反打,通過不同外墻構(gòu)件的靈活組合,基本裝飾部品可變組合,實(shí)現(xiàn)富有工業(yè)化建筑特征的立面效果,如圖5(a)所示。

2.2.2 窗墻比、門窗比控制下立面分格、排列有序的門窗標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

在采光、通風(fēng)、窗墻比控制條件下,調(diào)節(jié)立面分格、門窗尺寸、飾面顏色、排列方式、韻律特征,呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化的門窗圍護(hù)體系,如圖5(b)所示。

2.2.3 凹凸有致、錯(cuò)落有序、等距控制的預(yù)制空調(diào)板、陽臺(tái)組合設(shè)計(jì)

通過一形、L形、U形等標(biāo)準(zhǔn)化陽臺(tái)形式,進(jìn)行基本單元的凹凸擴(kuò)展、組合擴(kuò)展,形成豐富多樣的空調(diào)板、陽臺(tái)的立面設(shè)計(jì),如圖5(c)所示。

圖5 立面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)圖

2.3 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.3.1 一邊尺寸不變,另一邊模數(shù)化延展的系列構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

如預(yù)制外墻,一邊固定尺寸2600 mm,另一邊以100 mm為模數(shù),可設(shè)計(jì)成1600～5700 mm；預(yù)制疊合樓板,一邊固定尺寸6400 mm,另一邊以100 mm為模數(shù),可設(shè)計(jì)成1400～2600 mm等。如圖6所示紅色為預(yù)制構(gòu)件固定邊模,藍(lán)色可移動(dòng)邊模以一定模數(shù)延展。

圖6 一邊模數(shù)化延展的系列構(gòu)件圖

2.3.2 基于功能單元的構(gòu)件尺寸模數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

針對(duì)客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間的功能單元模塊,運(yùn)用最大公約數(shù)原理,按照模數(shù)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則、通過整體設(shè)計(jì)下的構(gòu)件尺寸歸并優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),便于模具標(biāo)準(zhǔn)化以及生產(chǎn)工藝和裝配工法標(biāo)準(zhǔn)化,如圖7所示。

2.3.3 構(gòu)件鋼筋籠的標(biāo)準(zhǔn)化深化設(shè)計(jì)技術(shù)

在構(gòu)件外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼筋籠標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),統(tǒng)一鋼筋位置、鋼筋直徑和鋼筋間距,如圖8所示；建立系列標(biāo)準(zhǔn)化、單元化、模塊化鋼筋籠,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化加工。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件圖

圖8 鋼筋籠標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件圖

2.3.4 構(gòu)件連接區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)技術(shù)

統(tǒng)籌構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化和連接節(jié)點(diǎn)后澆區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化,提出標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先、異型優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),便于現(xiàn)場(chǎng)模板標(biāo)準(zhǔn)化。按照模數(shù)協(xié)調(diào)、最大公約數(shù)原理,以結(jié)構(gòu)平面尺寸模數(shù)和構(gòu)件尺寸模數(shù)的協(xié)調(diào)要求,確定構(gòu)件連接區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)。如按照100 mm的平面模數(shù)和100/200 mm的構(gòu)件模數(shù)協(xié)調(diào)以n代表數(shù)量,確定n×200以及100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)角模數(shù),可組合成滿足需要的一形、L形、T形不同截面的布置需要。

2.4 部品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

以功能需求為基礎(chǔ),協(xié)調(diào)部品模數(shù)和建筑模數(shù),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊的集成化設(shè)計(jì)。

2.4.1 廚房部品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

以烹飪、備餐、洗滌和存儲(chǔ)廚房標(biāo)準(zhǔn)化功能單元模塊為基礎(chǔ),通過模數(shù)協(xié)調(diào)和模塊組合,滿足多種戶型的需求,實(shí)現(xiàn)廚房部品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),如圖9所示。

圖9 廚房部品標(biāo)準(zhǔn)化圖

2.4.2 衛(wèi)生間部品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

以洗漱、淋浴、盆浴、如廁衛(wèi)生間標(biāo)準(zhǔn)化功能單元模塊為基礎(chǔ),通過模數(shù)協(xié)調(diào)和模塊組合,滿足多種戶型的需求,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間部品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),如圖10所示。

圖10 衛(wèi)生間部品標(biāo)準(zhǔn)化圖

2.5 BIM族庫大數(shù)據(jù)支撐標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

建立基于裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品、平面戶型庫、立面圍護(hù)庫、構(gòu)件庫、部品部件等系列BIM標(biāo)準(zhǔn)化族庫如圖11所示,通過參數(shù)化查找和組合設(shè)計(jì),以大數(shù)據(jù)為支撐,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。在規(guī)模化發(fā)展的同時(shí),通過BIM大數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)使用次數(shù)最多的族庫,不斷迭代優(yōu)化最優(yōu)戶型、最優(yōu)模數(shù)和最優(yōu)部品。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某工程項(xiàng)目共有標(biāo)稱65、80、100及150 m2等4種面積的戶型。進(jìn)行戶型設(shè)計(jì)時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法,選取標(biāo)準(zhǔn)化的開間進(jìn)行排列組合,最大限度地減少戶型種類,組合出4個(gè)面積的戶型,如圖11所示。

戶型模塊組合出品字形、蝶形、雙拼和Y字形4種共7類組合樓棟,如圖12所示,實(shí)現(xiàn)了模塊組合的無限生長；在總平面規(guī)劃中滿足了多種形式和高度要求,實(shí)現(xiàn)了空間組合豐富、形態(tài)優(yōu)美的住區(qū)空間,彰顯了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果的先進(jìn)性、適應(yīng)性和可復(fù)制推廣性。

通過預(yù)制外墻板不同飾面材料、通過不同外墻構(gòu)件的靈活組合,通過立面分格、排列有序的門窗標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)富有工業(yè)化建筑特征的多樣化立面效果,如圖13所示。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)化戶型圖

圖12 組合樓棟圖

圖13 標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化立面效果圖

項(xiàng)目按裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)原則,充分考慮預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝、模板利用,以少規(guī)格、多組合的理念,進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì),預(yù)制構(gòu)件僅為56種,種類少、可復(fù)制,使預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、裝配達(dá)到了較高的工業(yè)化水平,有效地降低構(gòu)件生產(chǎn)成本。項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的預(yù)制陽臺(tái)、預(yù)制飄板、預(yù)制樓梯、預(yù)制復(fù)合內(nèi)墻、預(yù)制剪力墻等預(yù)制構(gòu)件具有一定通用性,不僅可以滿足自身需求,而且可在其它項(xiàng)目中廣泛使用。建設(shè)了基于企業(yè)云的裝配式建筑協(xié)同平臺(tái),設(shè)定了設(shè)計(jì)資源標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)行為標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)全員、全專業(yè)、全過程的三全BIM應(yīng)用。

4 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是推進(jìn)裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心和前提,必須通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化裝配。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中,遵循建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修一體化和設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配全過程一體化的原則,通過平面標(biāo)準(zhǔn)化、立面標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、部品部件標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法以及BIM技術(shù),并協(xié)同利于工廠規(guī)模化生產(chǎn)、利于現(xiàn)場(chǎng)高效化裝配的關(guān)鍵技術(shù),形成一系列既滿足功能要求,又符合裝配式建筑要求的多樣化的住宅產(chǎn)品,可促進(jìn)裝配式建筑品質(zhì)提升、效益提高和成本節(jié)約等,從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、社會(huì)化的大生產(chǎn)。