試論裝配式建筑中的建筑設計

許笑梅

清華大學建筑設計研究院有限公司

1 我國裝配式建筑發展趨勢與C2項目設計背景及概況

1.1 裝配式建筑發展趨勢

近年來，無論是國家相關部門還是地方政府，都對建筑產業化給予了高度重視。《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》（國辦發〔2016〕71號）明確提出，發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，不僅能節約資源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平，還能促進建筑業與信息化、工業化的深度融合，培育新產業、新動能，化解過剩產能。住房城鄉建設部頒布了《裝配式建筑評價標準》（GB／T 51129—2017），各地方政府也頒布了裝配式建筑設計管理辦法及審圖要點等相關政策，力爭用10年時間,使裝配式建筑面積占新建建筑面積的30%。

1.2 項目設計背景及概況

西北旺新村C2地塊棚戶區改造安置房項目正是在國家的相關政策下，根據北京市住房保障辦公室文件（京住危字〔2014〕15號）實施的裝配式住宅，已獲得綠色三星認證及住建部裝配式A級示范認證。該項目位于北京市海淀西區北旺鎮，占地面積約4.62萬m2，總建筑面積約17.45萬m2，由七棟10層住宅和一棟6層住宅組成，住宅建筑面積99 057m2，共1 418戶。

項目全部為裝配式建筑，裝配率達84%，結構體系采用裝配整體式抗震墻結構，抗震墻采用預制墻體，結構樓板、屋蓋采用鋼筋混凝土疊合樓板，樓梯、空調板全部采用預制構件或疊合構件，陽臺、外圍護墻采用鋼筋混凝土預制掛板，坡屋面采用輕鋼結構，住宅門頭采用與主體分離的鋼結構。

因本工程為政府棚改建項目，住宅戶型面積較小（僅為40～90m2），廚房、衛生間、隔墻、部品/部件眾多，給建造裝修帶來了許多挑戰。如何在滿足戶型配比及外觀效果的前提下，做到全裝配式建筑？如何在設計階段協助結構專業減少預制墻板、樓板等部件的種類，讓裝配式廠家保質保量地生產預制構件？如何協調設備、精裝設計、預留預埋并解決裝配式建筑特有的設計問題？是本項目的設計難點。

2 裝配式建筑設計思路

項目建設的基本過程分為方案、初步設計、施工圖設計三個階段，產業化項目也不例外，但需根據其特點分階段解決。

（1）在方案階段，應協調建設、設計、裝配部件生產廠家、施工各方之間的關系，共同對住宅的總平面、戶型、立面進行優化設計。在滿足使用方需求的前提下，使戶型、單元、樓/電梯核心筒、廚房、衛生間、立面開窗尺寸標準化、模數化、系列化，論證預制構件的技術可行性和經濟性，進行整體策劃，提出最佳方案。與此同時，建筑、結構、設備、裝修等專業及部件生產廠家也應密切配合，對預制構件的尺寸、形狀、節點構造提出具體技術要求，并對制作、運輸安裝和施工全過程的可行性以及造價等進行預測。這項工作會對結構布置的合理性和工程造價的準確性產生很大的影響，因此十分重要。

1 鳥瞰效果圖

2 項目立面實景

3 標準戶型單元模塊化設計

4 單元分布示意圖

表1 戶型對比

業主：北京威凱建設發展有限責任公司

建設地點：北京市海淀區

規劃、建筑、室內設計：清華大學建筑設計研究院有限公司

項目負責人：許笑梅

設計團隊：李會娟（建筑）；房輕舟（結構）；張曉偉（給排水）；張菁華（暖通）；黃景峰（電氣）；宋兵（精裝）

施工單位：中國建筑一局（集團）有限公司、中國建設第二工程局有限公司

構件廠家：長沙遠大住宅工業集團有限公司

設計時間：2016.06—2018.08

建成時間：2019.09

圖片版權：清華大學建筑設計研究院有限公司

（2）在初步設計階段，建筑專業要根據裝配式建筑的特點，配合結構專業重新調整戶型剪力墻體位置，確保沒有異形樓板與墻板，減少預制板生產難度及施工難度。與結構專業、設備專業、精裝設計專業配合，確定廚具、衛生器具的管線位置與走向，減少預制墻體的管線預留，為施工圖設計、工廠加工、主體施工帶來便利。

（3）在施工圖階段，各專業通力配合，通過精確的計算把控，優化施工圖，降低土建造價。其中，應特別注意裝配式結構預制構件間的連接部位和預制構件與非預制構件（現澆段）的連接部位防水隔音的細節處理。在預制構件深化設計階段，預制構件生產廠家可將各部件部品（如門窗、外掛太陽能板）的預留預埋、精裝設計等所需的預留孔洞、預埋件一并完成，避免后鑿、切割等傷及構件，影響質量和觀感。

3 裝配式建筑設計方法

在工程方案設計階段，首先根據甲方對戶型比例的要求進行戶型分解，提取七個標準單元模塊，通過排列組合形成八棟住宅樓。然后對戶型進行拆解，將室內各個功能空間的門、窗以及廚衛空間的尺寸規格統一，并根據各類戶型的大小整合尺寸規格，減少種類，以達到通用性、一致性，從而實現室內的標準化設計。

3.1 模塊化設計

模塊化既是一種標準化形式又是一種設計方法，作為標準化的一種，模塊化以規范系統內各模塊的自身功能以及模塊間的組織規則為手段，實現整體系統的標準化。

3.1.1 標準戶型模塊設計

1#～8#樓南北向板樓均以A單元為基礎單元，A單元的甲、乙戶型為基礎戶型，根據不同套型比例要求靈活調整為丙、丁戶型，加上轉角戶型戊，從而組合出B、C、A1、D1、D2共五種組合。東西向板樓全部由E單元組成，七種標準單元組成了本工程的八棟住宅樓（表1）。

本工程單元戶型基本統一，門窗洞口規整有序。綜合考慮衛生間、廚房的設備和家具產品及其管線布置的合理性，標準層平面凹凸變化不大，主體結構布置簡單、規整，合理布置承重墻及管井位置，以滿足住宅空間的靈活性、可變性，公共空間及戶內各功能分區明確、布局合理，符合結構設計需求。

3.1.2 標準廚衛模塊設計

在住宅產業化中，全裝修是重要的一環，通過整合住宅生產全過程，優化產業鏈和技術利用，以高效率、低成本為消費者提供優質完整的產品。項目的室內工程設計重點運用了模塊化原理和方法，歸納出適用于套型使用的集成式廚房、衛生間，運用模塊化設計方法對廚房、衛生間進行水平分解和縱向分級，從而建立廚衛部品化、模塊化、裝配化的標準化體系。

3.1.3 交通核模塊設計

本項目的公共區域交通核也進行了模塊化設計，包括樓梯梯段的標準化、樓梯外圍護的標準化、電梯井的標準化以及管井的標準化。為減少預制構件的數量，避免不必要的資源浪費，該項目的三十個交通核全部為同一模塊。

3.1.4 門窗等部品的規格統一

將各個功能空間的門、窗、電動遮陽百葉、太陽能板的尺寸規格統一，并根據各類套型的大小整合尺寸規格，減少種類，以達到通用性、一致性，從而實現部品的標準化設計。

3.2 設計尺寸與模數協調

裝配式建筑的特點之一在于建筑部件的工廠化、規模化，在設計中盡可能減少構件種類，統一模數，方便工廠的標準化、工業化生產。在設計中，對廚房、衛生間、樓梯進行精細化的尺寸與模數設計，對優化建筑部件、降低建設成本、提升建筑品質有明顯作用。

3.2.1 廚房、衛生間的模數化、標準化和系列化

5 設計優化后廚房模塊

6 設計優化后衛生間模塊

7 后廚模塊化設計

8 衛生間模塊化設計

9 設計優化后太陽能外掛板

廚房和衛生間進行歸納：1）將廚房進深尺寸歸納為2 700mm、3 000mm、3 300mm三種，面寬尺寸歸納為1 500mm和1 650mm兩種；2）將衛生間進深尺寸歸納為2 000mm、2 100mm、2 250mm及3 000mm四種，面寬尺寸歸納為1 400mm、1 500 mm、1 900 mm三種。

廚衛采用裝配式整體設計，空間均按施工完成面凈尺寸計算，以300mm為尺寸進級基數，凈尺寸為300mm的倍數。部品以30mm為尺寸進級基數，實現建筑空間與內裝部品的尺寸協調與網格設計定位。

3.2.2 樓梯的模數化、標準化和系列化

預制樓梯是目前應用最成熟的預制構件，一端鉸接、一端滑動，可實施性高。本項目各層層高一致，樓梯間的開間與進深尺寸均為100mm的倍數，梯段尺寸高度一致，可設計為相同的踏步，具備標準化的條件。

預制混凝土樓梯規范中，明確要求預制樓梯踏步寬度不小于250mm，宜采用260mm、280mm、300mm，預制樓梯寬度宜為100mm的倍數，同時住宅建筑規范中要求住宅樓梯踏步寬度不應小于260mm。本項目建筑層高2.8m，將層高一分為二，設置兩個梯段，每個梯段設置16步，踏步高度統一為175mm。同時要考慮設備吊裝能力，預估預制樓梯段的重量，結合梯段重量布置梯段長度。

3.3 合理布置豎向與水平預制構件

在初步設計階段，通過戶型優化，減少預制墻板、樓板種類。同時，避免出現刀把形等不規則的墻板樓板，以方便運輸、減少損耗。這一過程十分重要，可以從根本上達到合理布置、拆分結構豎向/水平構件、提高預制構件重復率、減少預制構件種類、提高構件生產效率、減少項目造價的目的。

本項目根據以上設計原則，在初步設計階段不改變基本戶型的前提下，對項目的剪力墻進行調整，既減少了剪力墻的數量又規整了樓板的布置，為結構專業的下一步的拆板設計提供了設計基礎。雖然在這個階段建筑專業、結構專業、預制板廠家溝通協調的時間成本很高，但后續的設計工作證明，這個階段的調整為整個項目的順利推進提供了強有利的保障，是裝配式建筑設計必不可少的環節。

3.4 節點設計

預制外墻板的板縫處，應保持墻體保溫性能的連續性，如果外頁板有滲水現象，會破壞外頁板的安全性。相對普通建筑，預制建筑更需注意外墻的防水性能，通過材料防水和構造防水兩道防水措施，做好防水節點的構造設計。主要連接節點形式為L形、T形、一字形三種。

在施工過程中預制構件與現澆混凝土間的縫隙采用發泡聚氨酯，先封堵密實后打膠。拼縫處密封膠打注必須飽滿、密實、連續、均勻、無氣泡，寬度和深度符合要求，膠縫應橫平豎直、深淺一致、寬窄均勻、光滑順直。施工方嚴格按此節點施工，方可避免滲水隱患。

3.5 設計注意事項

在設計過程中統籌各專業的設計特點，做到既滿足裝配式建筑的設計要求又便于施工。裝配式建筑最常用的是疊合樓板，疊合樓板要求樓板平整盡量不要出現降板區域，這就需要建筑專業協調給排水專業，合理布置潔具及地漏位置，調整地面排水方向，保證在不降板的前提下使衛生間的地面低于其他房間。

為減少預制墻板生產廠家的預留環節及施工難度，設備專業的立管盡量走在現澆段內。我們的解決方案是建筑專業在單元大樣圖中把現澆墻和預制墻區分出來。實踐證明，雖然增加了建筑專業的繪圖量，但是為后續各專業提供了方便，最終提高了出圖效率。

4 關于裝配式建筑設計的思考

西北旺新村C2地塊棚戶區改造安置房項目為北京市住保辦示范項目，疊合樓板、預制混凝土夾心保溫外墻、預制混凝土內墻、預制樓梯、預制陽臺板、空調板、集成廚衛和部分管線全部采用裝配式建造。為了保證高裝配率，首層地板及屋面板采用疊合樓板，坡頂和住宅入口門頭采用鋼結構形式，由此本項目的裝配率為84%，達到AA級裝配評價標準，具備高起點、高標準的示范特性。這種做法的優點為主體裝配率高、濕作業少、對環境影響低、施工速度快，但總體造價高于普通混凝土建筑（約增加1 500元/m2）。

通過對方案設計、施工圖設計、預制板拆分圖設計，以及從預制板生產到項目施工全過程的經驗與教訓，結合裝配式建筑發展現狀及現行規范，我們對裝配式建筑設計特點及其裝配率控制思考如下：

（1）非示范項目建議考慮最低的裝配式建筑面積指標要求，現階段裝配式建筑比現澆建筑成本高，因此可以遵循以下設計原則：1）先高層后多層，直到滿足最低的裝配式建筑面積指標要求，樓棟越高，標準化程度越高，構件越容易實現“高復制”，成本增量相對較低；2）先大戶型后小戶型，大戶型的部品/部件數量少于小戶型，應用比例更容易實現。本項目戶型面積小，小于90m2的戶型占90%，部品/部件數量占比巨大，成本提高。

10 戶型優化前后預制剪力墻示意圖

11 戶型優化前預制樓板示意圖

12 戶型優化后預制樓板示意圖

13 預制鋼筋混凝土外頁板節點構造

14 A 單元大樣圖

15 園區鳥瞰

（2）適當減少預制承重豎向構件。在裝配式建筑中，豎向構件的設計和施工難度最大也最復雜，對工人素質要求很高；外墻熱橋、防水問題比較難以處理，而且密封膠耐久性不能與建筑同周期；灌漿套筒檢測技術未列入強制性檢測范疇，灌漿質量問題層出不窮，灌漿料在低溫環境下的適應性尚在試驗當中，對溫度的適應性低，影響工期，且大型構件的運輸成本較大。

（3）采用疊合樓板。此項技術較為成熟，現澆節點相對較少，可同時作為模板使用，對增加施工進度、改善工地環境，有明顯作用。

（4）慎重使用干式工法施工樓地面。干式地暖需配合冷熱水管線分離，對施工要求較高，地板容易不平整，后期維護成本較高。

（5）預制樓梯、陽臺板、空調板的制作、施工難度不大，可大量應用。

（6）根據住宅使用人群選擇是否采用管線分離。管線分離需占用一定的室內空間，若住戶為不定人群，為方便管理及檢修更換，可選用管線分離。本項目為棚改住宅，為固定使用人群，且戶型建筑面積小，因此未實施全部管線分離。

綜上，裝配式建筑是一個系統工程，不同的組合代表不同的成本增量，因此方案階段對于裝配式建筑設計至關重要。

5 結語

通常認為在裝配式建筑設計中，結構專業占比較大，建筑師的工作較為常規，然而在實際的工程中，建筑專業在裝配式建筑設計中的作用十分重要。從前期配合投資方對裝配率的選擇，方案階段的標準化、系列化、模塊化設計，初步設計階段的結構墻體的調整，施工圖階段的模數化、精細化設計以及構造節點設計，最終造價的控制，建筑設計貫穿了裝配式建筑設計全過程，為裝配式建筑提供了基礎支撐及全程保障。在裝配式建筑設計中，建筑師應及早介入，主動了解裝配式建筑的特點，根據不同的項目特征進行建筑設計。

圖表來源

圖2，5，6，9，15 由陳堯拍攝；其余圖表均由項目組繪制。