裝配式集成設計方法在改擴建公共建筑中的應用*
——以東莞市民服務中心為例

文/東莞市建筑科學研究所 張彤煒 周書東

東莞市莞城建筑工程有限公司 陽鳳萍

東莞市建筑科學研究所 麥鎮東

東莞市莞城建筑工程有限公司 謝璋輝

1 工程概況

東莞市民服務中心為原東莞國際會展中心改造項目，原會展中心為地上2層，單體建筑面積4.1萬m2的鋼結構展館。此次改造將原會展功能調整為辦公功能，包括政務辦事大廳、辦公、配套服務用房等，是廣東省進駐部門最全、進駐事項最多和綜合窗口集成最高的辦事大廳，如圖1所示。

東莞市民服務中心項目是集大跨度鋼結構建筑改造、擴建與功能提升于一體的綜合性大型工程建設項目。一方面，工程建設體量大、施工工期緊，一期改造工期目標為150d，建設周期短；另一方面，技術要求高、施工難度大，本工程為在既有鋼結構內部新增建筑，有限空間內部施工作業困難，吊裝、物料運輸、施工操作等具有一定難度，缺乏可借鑒的成熟施工經驗。因此，以前期設計策劃為重點，分析解決該項目系統性、多維性和復雜性問題，具有指導工程實踐的重要意義。

圖1 東莞市民服務中心外觀

2 裝配式技術應用

考慮上述情況與特點，本項目采用裝配式鋼框架結構體系。鋼結構建筑具有輕質高強、建設速度快、施工精度高、建造過程節能節水節地、對城市環境影響小、綜合造價低等優點[1-3]，適用于本項目由于有限空間而無法收納大量建筑材料、難以儲運模板與搭設腳手架、粉塵污染控制困難等工程特征，對項目所處的城市核心區周邊環境和秩序影響小，建造周期短，滿足改建后空間高大寬敞的實用效果。

本項目改造建筑面積達7.5萬m2，依據裝配率評價標準其裝配率為82%，可認定為AA級裝配式建筑。所應用裝配式技術體系中，主體構件包括2種規格預制型鋼柱、共304根，7種規格預制型鋼梁、共2225根，3種預制鋼構樓梯和壓型樓承板，主體構件部品規格應用比例和標準化程度高，連接方式主要以螺栓連接和焊接為主。除主體采用鋼結構，其圍護體系使用鋁單板幕墻和支框玻璃幕墻，內隔墻采用ALC墻板和防火玻璃隔墻實現圍護墻非砌筑；設備管線架設于集成吊頂和裝配式成品墻（裝飾板）空腔實現管線分離；建筑功能空間內裝和設備設施安裝全部完成，滿足建筑使用功能和性能的基本要求并實現全裝修。

3 裝配化設計技術分析

3.1 空間布局與平面布置

東莞市民服務中心的建筑內部規劃布局如下，在原有結構內部增加4棟4層單體建筑，各層均設模塊化標準單元，通過“回”字形連廊將分隔的4個獨立單體建筑相互連接，形成圍合的中庭式空間，如圖2所示，建筑頂部設置高大網架頂蓋，改造后建筑屬于大空間單層場館和多層建筑的組合形式。

圖2 東莞市民服務中心內部布局

1）主體結構空間布置標準化 市民服務中心受既有結構影響，其平面布置限制較多，因此內部新增建筑采用規則簡單的形狀，建筑設計選用大開間、大進深的平面布置（見圖3）。結構布置著眼于滿足建筑使用功能，考慮標準化程度、裝配施工易建性、工程造價等方面因素，結合規則方正的平面布置特點，本項目主體構件采用統一的布置方案：豎向構件上下連續，水平構件對齊連續，并成陣列布置（見圖4），其平面位置和尺寸滿足結構受力及構件預制的設計要求，有利于實現設計標準化和施工模式化。

圖3 市民服務中心空間布局

2）功能用房平面按需布置 市民服務中心由標準模塊化單元空間組合而成，功能用房平面分隔通過安裝輕質隔板墻，實現模塊化不同功能單元使用空間的靈活分隔，滿足市民服務中心民政、公安、建設等政務服務特殊需要。輕質隔板墻體采用模塊化設計，整合裝修面層、保溫、隔聲、防水、防火層和結構層的大型預制板式構件，以標準板件在現場直接組合拼裝。

3）設備管線與布局空間一體化策劃 在設備與管線系統布置時兼顧總體設計，并與周圍房間布置保持相同距離，樓梯、衛生間處于相同位置，使管網密集區主要集中于每個區域的一側，如圖5所示，設備檢修時基本不影響區域功能大廳的使用，而且有利于管線綜合與內隔墻體系實現一體化設計與施工。

3.2 標準化設計

裝配式建筑標準化設計是以實現模數協調為目標，實現尺寸協調與安裝位置的方法[4]。標準化設計對裝配式建筑尤為重要，是部品制造實現工業化、機械化、自動化和智能化的前提，是正確和精確裝配的技術保障，也是降低成本的重要手段[5]。以下介紹本項目主體結構構件規格與節點、內隔墻部品、裝修和設備管線集成一體化設計。

3.2.1 主體結構標準化設計

1）構件 本項目主體鋼結構構件共有304根型鋼柱和2225根型鋼梁，柱截面為2種類型，梁截面類型中的2種截面構件使用占比達95%。對構件進行標準化設計，可最大化減少構件規格種類和數量，提高裝配安裝的易建性。通過合理深化拆分設計，鋼構件規格種類少，在制作環節便于規模生產，并有利于生產質量控制和效率提升，在安裝環節提高安裝工人對構件的辨識度和減輕構件重量。本工程優化后構件最大重量為3.2t，僅需常用汽車式起重機即可解決吊裝問題。

2）節點 主體結構構件間的連接采用基于焊接和螺栓的干式連接方式，操作方便，構件連接方式共19種，但典型連接方式應用占比超過90%。其中，鋼梁與鋼柱均為腹板高強螺栓連接和翼板焊接的栓焊混合連接，鋼梁間采用高強螺栓連接，如圖6所示，樓承板通過栓釘與鋼梁上表面熔焊連接。

3.2.2 內隔墻裝配化設計

本項目所采用的內隔墻類型主要為ALC墻板，其中100mm厚ALC墻板用于分室墻，200mm厚ALC墻板用于分區墻（見圖7）。與傳統砌塊相比，預制內隔墻板質量更輕、施工效率更高，建筑自重減輕，基礎承載力變小，可有效降低建筑造價；同時其具有強度較高、隔熱、防水等良好性能。

圖4 市民服務中心主體結構布置

圖5 市民服務中心首層機電綜合管線BIM模型

圖6 連接節點構造

圖8 ALC內隔墻排板（整墻）

本項目所設隔墻凈高多為5.5m，而ALC墻板標準長度規格為2.8m，利用ALC隔墻板可切割性，采用垂直方向補板拼接處理，實現整墻鋪設，拼接安裝為干式作業和裝配式施工（見圖8）。本項目ALC墻板規格尺寸、設計排板、安裝順序等與建筑、結構、裝飾和水電暖專業協同進行，從細部上綜合考慮門窗洞口數量和尺寸，各種預埋件數量、規格和位置，以及管線安裝特別是線管集中之處對墻面的刨鑿影響。

3.2.3 裝修與設備管線一體化設計

市民服務中心裝修一體化設計所涉及設備管線類型較多，涵蓋設備管線與內裝、圍護結構和豎向主體結構間的系統集成，在設計階段就需要統籌暖通、給排水、機電、通風等管線空間排布走向及相應接口開放性設計。裝修和管線一體化設計策略主要考慮前置和集成設計[6]：①將區域用房的功能性需求于設計階段前置，基于不同行政單位的個性功能化需求，尋求適應不同政務辦事需求的空間布局；②在設計前期利用BIM技術進行裝修與設備管線集成化設計，形成裝配性強、適用性好的集成化部品。

3.3 集成設計特點

基于裝修與管線一體化設計策略，梳理本項目裝修和設備管線集成關系，如圖9所示，從需求、設備布置等影響因素前置，到內裝、圍護結構和豎向主體結構的設計，介紹市民服務中心吊頂、墻柱飾面與管線綜合間的集成設計特點。

圖9 裝修和設備管線集成關系

3.3.1 與吊頂系統的一體化設計

1）消防排煙系統 消防排煙系統采用橫向機械排煙，排至布置于吊頂空間的豎向公共排煙道，在進行消防排煙系統設計時，需考慮排煙及火災探測設備選型、煙道截面尺寸、安裝方式和排煙口間距等與吊頂空間的關系。

2）新風暖通系統 暖通與新風系統采用吊頂式空氣處理機組、轉輪式熱回收機組、風機盤管加新風體系，相關機組及管道暗裝在吊頂內。在機組設計選型時，需考慮吊頂內部相關管道走向布置方案、管道交錯位置凈高要求和吊頂與管線敷設施工可操作性。

3）照明系統 照明系統主要為懸掛式的正常照明和應急照明燈具，供電系統采用樹干式供電模式；照明燈具平嵌融合于木格柵吊頂，照明存在照明樣式多、不規則排布的情況，且局部位置照明燈具密度高及管線復雜擁擠。設計過程中，從簡化吊頂排布方式和優化照明設計兩方面著手，考慮吊頂金屬骨架和吊桿的布置，優化吊頂內部橋架設置，簡化敷設與接線安裝過程的復雜程度（見圖10）。

3.3.2 與墻面的一體化設計

圖10 典型位置管線綜合

1）裝飾面與墻面一體化 在進行墻飾面排板布局時，需與設備專業共同協調功能部品的組織方式、用電部品安放位置及開關插座的布設位置，使墻面部品的生產實現精準化接口、穿孔和開洞，使空間布局與結構部品達到精準匹配。在確定部品安裝位置后，對于需安裝在墻面上的較重設施如滅火箱、用電設備等，需根據設施重量進行安全驗算，必要時對安裝位置進行加強處理和洞口預留。

2）設備管線與墻面一體化 內隔墻系統體系采用輕鋼龍骨墻飾面，將線管布置于墻面與飾面間的龍骨空腔層內，對飾面板進行集成設計時，要明確設備設施水平與標高定位信息所需的安裝空間厚度、各種水電管線的敷設走向、管線的預埋和設備接口預留信息、開關插座等終端設備的具體位置。

3.3.3 與柱面的一體化設計

柱的裝配式內裝體系采用架空飾面，如圖11所示，與墻面集成設計類似，將管線布置于柱飾面板的空腔層內，綜合考慮開關線盒安裝所需空間厚度、各種龍骨規格型號及涂裝板的模數選擇、排板方案、開關插座等末端設備的具體位置。

圖11 電氣管線與柱面構造

4 結語

我國正逐步推進行政服務部門集中辦公，該舉措將對政務性公共建筑提出更高要求；對于政務性公共建筑而言，空間的高大寬敞、布局的特殊要求和設備管線的集成化，恰是其共性。而東莞市民服務中心改造項目采用裝配式鋼結構體系，其平面布置和主體結構采用標準化設計，隔墻系統與設備管線一體化集成，不僅解決了該項目既有建筑改擴建的特殊性難點，而且為政務性公共建筑采用裝配式鋼結構體系提供設計思路與實踐經驗。