建筑工業化產品的系統論與裝配式住宅設計

伍止超 秦姍 劉赫 程鵬

1 中國建筑標準設計研究院有限公司

2 中國建設科技集團中央研究院裝配式建筑與百年住宅研究中心

1 基于建筑工業化產品系統論的建筑設計創新的思考

目前我國正進入社會經濟產業轉型、高質量發展的新階段。裝配式建筑在國家政策的大力推動下迅速發展，涌現了一系列創新性研究和實踐，但同時也暴露出對裝配式建筑基本認識與頂層設計較片面、新型建筑設計與建造理論方法及其建筑集成體系不完善等一系列問題。就建筑師而言，問題的關鍵在于對裝配式建筑設計集成思想和方法認識不全面、不系統，從而阻礙了建筑師充分發揮裝配式系統的優勢。

隨著建筑工業化的不斷發展，其設計建造理論體系日趨完善，工業化產品與建筑、生產和性能系統的設計理論十分重要，旨在引導創新性策略，解決產品問題。基于建筑工業化產品系統論的建筑設計是將系統論合理地運用到裝配式建筑設計中的新方法，可系統性地解決裝配式建筑設計過程中的多樣性問題。在裝配式建筑設計過程中合理運用建筑工業化產品系統思維，整合整體與部分之間的聯系與制約關系，可以實現裝配式建筑系統集成建造的最優化目標。

1.1 建筑工業化產品的集成化設計理念

裝配式建筑以建筑工業化生產建造為基礎，以建筑產品為最終形態，需要以產品化思維統籌設計，從產業整合和技術集成的角度思考，實現以用戶體驗為中心的高質量成品交付。與傳統建筑設計不同，裝配式建筑的功能與形式只是設計的一個環節，不占據重要地位，這也決定了裝配式建筑的建設流程不再以設計思維主導，而是以設計集成策略主導。設計集成中系統性的思考方法十分重要，通常采用一個開放性的建筑體系，體系內部各系統隨設計進程優化、梳理和整合，實現集成設計的升級。這一過程需要協同建筑、結構、設備與管線、內裝修等專業，涵蓋建筑設計、部件/部品生產運輸、裝配施工、運營維護等各個階段。此外，對于裝配式建筑集成設計來說，技術集成的支撐作用更為關鍵，設計伊始就應高度重視。

1.2 建筑工業化產品的生產化設計理念

建筑產業化的核心是工廠化生產，工廠化生產的關鍵是標準化設計。標準化設計還是部品/部件通用性和互換性的關鍵，而部品/部件的通用可換是保證裝配式建筑長久居住和綠色可持續的基礎。模數和模數協調是建筑工業化的基礎，貫穿于建造過程的各個環節，沒有模數和尺寸協調就不可能實現標準化。傳統工業化建筑的模數應用主要是確定預制構件的尺寸和定位，以及擴大模數網格對建筑開間、進深、層高等數值的控制。而新型工業化建筑的部件種類更多、構造復雜，在設計階段就要解決各種部件之間的模數協調關系。同時，模塊化的內裝、外裝也需要通過模數協調提高建筑綜合品質。因此，裝配式建筑的模數協調應通過層級建立，實現多層次、多系統的協調。

1.3 建筑工業化產品的性能化設計理念

1 各專業協同設計

2 裝配式混凝土建筑技術策劃要點

3 裝配式建筑與傳統建筑設計流程比較

4 模數協調基本概念關系

當前，我國大量的住宅設計和施工忽略內裝部品的后期維護和檢修更換問題，家庭全生命周期的適應性更是無從談起。裝配式建筑注重家庭生命周期的適應性，考慮到居住家庭在五個階段的不同特征，滿足居住者對使用空間的改造和功能布局的變動，在設計之初就將部件/部品的維修與更換方法根植于心。

2 裝配式建筑的設計方法與策略

2.1 建筑集成化設計

2.1.1 協同設計

協同設計有多種方法，可以通過協同工作軟件和互聯網等手段提高協同的效率和質量，如運用BIM技術，從項目技術策劃階段開始，貫穿設計、生產、施工、運營維護各個環節，保證建筑信息在全過程的有效銜接。

2.1.2 體系集成設計

體系集成主要解決裝配式建筑部品生產、施工安裝等全過程實施的系統性問題，通常采用建筑通用體系來整合設計與集成技術，通過各階段的設計協同，保證設計和施工相互銜接，保障建筑的性能與品質。SI建筑的體系集成基于長壽化可持續建設設計方法，在全生命期內提升建筑的資產價值和使用價值，是今后集成設計的重要方向。

2.1.3 技術集成設計

設計集成的系統性策略和開放性體系落實到實踐中，都需要轉化為對技術集成的創造和應用，利用創新技術研發綜合解決設計問題。比如，裝配式內裝以工業化生產方式為基礎，采用工廠制造的內裝部品，部品安裝采用干式工法與施工工藝，其技術集成的作業場沒有泥沙塵埃，既干凈又獨立。整體工作環境得到改善，可大力提升建筑產品的工程質量與品質。

2.2 建筑流程化設計

2.2.1 傳統設計流程與裝配式建筑設計流程對比

傳統建筑設計流程主要分為方案設計、初步設計和施工圖設計三個階段，裝配式建筑設計增加了技術策劃和部件/部品深化設計兩個環節。技術策劃是整個裝配式建筑的核心，是產品化思維控制的重點，可以統籌規劃建筑設計、部件/部品生產運輸、施工安裝和運營維護等環節，保證裝配式建造順利實施。而部件/部品深化設計是裝配式建筑設計流程的特色環節，也是裝配式建筑產品實施的基本點。

2.2.2 裝配式建筑設計流程的基本階段

裝配式建筑設計流程分為五個階段：1）技術策劃階段是對裝配式建筑結構選型與技術研發的合理性、經濟性與施工安裝可行性進行分析評估，從而選定執行方案。技術策劃要考慮到項目定位、建設規模、裝配化目標、成本限額以及各種外部因素，并根據標準化、模塊化設計原則制定合理的建設方案，為后續階段提供設計依據。2）方案設計階段是根據技術條件與目標，秉承標準化設計原則，采用系統集成的方法。在建筑方案之初，就應在各個環節中充分考慮裝配式建筑與傳統項目的差異性，協同結構、設備和內裝等專業，與建設方共同完成方案設計。3）初步設計階段是在方案設計的基礎上深化解決總圖、建筑功能、四大系統之間的集成技術問題，加強各專業之間的配合度。4）施工圖設計階段是增加裝配式建筑設計專篇，包括技術體系、部品/部件應用部位、一體化設計情況、保溫技術選用、BIM技術應用等，所有部品/部件連接節點與接口大樣圖應詳細標注構件安裝的細部要求和尺寸。5）部品/部件深化設計階段是對部品/部件進行深化設計。

2.3 建筑模數化設計

2.3.1 模數協調

標準化設計的基本環節是建立一套適應性的模數與模數協調原則，通過協調主體結構部件、外圍護部品、內裝部品、設備與管線部品之間的模數關系，優化部品/部件的尺寸，保證其標準化，滿足通用性與互換性的要求，并通過標準化接口實現部品/部件的組合與互換，從而進行大規模的工廠化生產。

2.3.2 模數網格

5 支撐體空間網格

6 單元空間網格

7 內裝及外裝部品的平面網格

8 模塊組合與住棟可變平面

9，10 外圍護系統（北京實創青棠灣公租房項目）

在裝配式建筑模數協調體系中，有三個體系的模數網格：1）支撐體空間網格，當把建筑看作三維坐標空間中三個方向均為模數尺寸的模數空間網格，這一空間網格在新型工業化建筑中可被設定為模數協調體系的第一層級；2）單元空間網格，支撐體空間網格可以分解為數個獨立的單元，這些單元可被設定為模數協調體系的第二層級；3）內裝及外裝部品的平面網格，新型工業化建筑需要在支撐體最外層的框架上裝配外裝部件，形成建筑外圍護結構，而在單元空間內部，內裝部品需裝配于各空間界面。安裝內裝或外裝部件都需要在相應的二維模數網格中進行，這些二維模數網格可被設定為模數協調體系的第三層級。

2.4 建筑標準化設計

2.4.1 建筑模塊化與系列化

對于裝配式建筑而言，根據不同的功能空間，可以將建筑劃分為不同的空間單元，將相同屬性的空間單元按照一定的邏輯組合在一起，就形成了建筑模塊；單個模塊或多個模塊再經過組合，就構成了完整的建筑。模塊和模塊組合的設計方法將標準化與多樣化巧妙結合并協調設計，滿足使用者多樣化的需求。

2.4.2 平/立面標準化設計

平面設計首先要減少平面的凸凹變化，避免不規則和不均勻布局，使平面規整；其次要盡可能采用大開間、大進深的布置方式，提高空間的靈活性、可變性；最后可以發揮標準化模塊的多樣性，進行多樣的組合設計。裝配式建筑立面標準化則是在平面標準化的基礎上，將建筑外圍護系統中重要的組成要素標準化，主要涉及外墻板、門窗構件、陽臺和空調板等。

2.5 系統化設計

2.5.1 建筑結構的系統化設計

裝配式建筑結構主要有裝配式混凝土結構體系和裝配式鋼結構體系兩種，設計過程包括結構體系選型、構件及其連接節點設計和成套施工技術設計（包括安裝工藝和工序、配套設備設施和機具、質量控制措施、檢驗驗收方法等）。設計內容包括平面、層高、墻板、樓蓋、樓梯、地下室等。

2.5.2 建筑外圍護結構的系統化設計

外圍護系統設計應符合標準化與模數協調的要求，在遵循模數化、標準化原則的基礎上，堅持“少規格多組合”，實現立面形式的多樣化。選用在工廠生產的標準化系列部品，對外墻板、外門窗、幕墻、陽臺板、空調板及遮陽部件等進行集成設計，使其成為具有裝飾、保溫、防水、采光等功能的集成式單元墻體。

2.5.3 設備及管線的系統化設計

設備與管線系統應與結構系統、外圍護系統、內裝系統一體化設計，優先選用符合模數的標準化部品，與結構、外圍護、內裝系統以及部品/部件的生產、運輸、安裝等各環節相互協調。設計遵從設備管線與主體結構相分離的原則，管線設置在架空層或吊頂內。管線綜合設計時，注重部品的通用性和互換性，盡量與建筑空間模數相協調。

2.6 部品化設計

2.6.1 部品標準化與接口標準化

11 輕鋼龍骨墻管線敷設示意圖

12 裝配式樓地面節點示意圖

13 裝配式住宅建筑分離體系

14 空間靈活可變

內裝系統設計集成應按照標準化、模數化、通用化的要求，使其系列化和多樣化。在建筑設計的統籌下，與結構系統、外圍護系統及設備與管線系統進行一體化集成設計，綜合考慮與相關專業的協同關系并采用一體化裝修。裝配式內裝修技術主要包括項目定位、成本目標、技術和部品配置、部品/部件供應、施工安裝組織等。內裝設計應遵循模數協調的原則，設置模數網、采用界面定位法和標準化接口。節點接口的性能、形式和尺寸是標準化接口的三要素，彼此之間相互影響、相互制約。部品的選型作為非常重要的環節，需要在圖紙深化設計之前進行，并在設計中與結構系統和外圍護系統配合，明確構件的開洞尺寸及定位。

2.6.2 部品集成化與模塊化

集成化部品主要包括裝配式墻面與隔墻、裝配式吊頂、裝配式樓地面，設計的核心在于解決其構造問題并處理好架空層與其他系統的關系，特別是設備管線之間的關系。模塊化部品主要包括整體衛浴、集成廚房和系統收納，三者都需要精細化的設計，特別是整體衛浴的標準化、模數化和整體廚房的管線、設備集成等。

2.7 可持續化設計

2.7.1 建筑長壽化

建筑體系是實現建筑長壽化的基礎，SI體系在提高建筑支撐體的物理耐久性、延長建筑壽命的同時，通過建筑支撐體和建筑填充體的分離來提升建筑性能，提高建筑全生命期內的綜合價值。若要建筑長壽化，其內裝系統和設備管線則應具有耐久性，還要易于維修和更換。設計時應遵循以下原則：1）分類集中設置；2）位置隱藏設置；3）設備接口充分性設置。

2.7.2 建筑全生命期適應性與靈活性

采用大空間結構體系和可實現空間靈活分割的輕質隔墻體系，可以適應未來空間的改造和功能布局。靈活性與適應性主要體現在空間的自由可變和管線設備的可維修更換層面，表現為可進行靈活設計的套型平面、設備的自由選擇、輕質隔墻與家具、設備管線易維護更新等。

2.7.3 建筑全生命期的耐久性和維修維護性

在一定程度上，建筑耐久性等同于結構耐久性。對于裝配式建筑而言，耐久性在結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統四個方面均有體現，不再局限于對結構主體的判斷。裝配式住宅建筑的部品連接與設計可根據部品使用年限和權屬進行分類，并遵循以下原則：1）應以使用年限較短部品的維修和更換、不破壞使用年限較長部品為原則；2）應以住戶專用部品的維修與更換、不影響共用部品為原則；3）應以住戶專用部品的維修和更換、不影響其他住戶為原則。

3 結語

建筑產業現代化建設與生產建造方式升級轉型涉及理念的轉變、模式的轉型和路徑的創新，在裝配式建筑的集成設計工作中，建筑師應該創新思路，在規劃設計階段整體考慮預制與建造裝配等環節的技術措施；在方案設計階段統籌集成化、模數化、標準化與系統化的設計要點，并在可持續設計方面充分考慮建筑長壽化設計方案。將建設全過程的策劃設計、工廠生產和裝配建造等環節打造為一個完整的產業系統，實現設計建造全產業鏈的整合，推動建筑產業現代化建設，促進生產建造方式升級轉型，為我國社會經濟產業轉型、高質量發展助力。

圖片來源

所有圖片均由作者及其研究室提供。