五位一體管理模式下的裝配式建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)

王一波 劉東海 何 亮 董 震

1. 杭州錢江新城投資集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310016；

2. 綠城樂居建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310007；

3. 中建科技集團(tuán)有限公司華東分公司 上海 201109

相對于傳統(tǒng)建筑，裝配式建筑建造需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、采購、構(gòu)件生產(chǎn)、吊裝施工等多個(gè)環(huán)節(jié)，這就需要運(yùn)用一套科學(xué)合理的管理模式來進(jìn)行管理。EPC工程總承包管理模式是近年來使用較多的項(xiàng)目管理模式，具有一定的先進(jìn)性，這種管理模式有利于實(shí)現(xiàn)工程建造組織化、系統(tǒng)化，有利于實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成應(yīng)用和創(chuàng)新，在推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展上具有先天的優(yōu)勢[1-3]。雖然裝配式建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等的發(fā)展特點(diǎn)與EPC模式具有極強(qiáng)的融合性，但預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、吊裝環(huán)節(jié)卻制約著項(xiàng)目工程的管理效率，而且傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計(jì)流程也制約了創(chuàng)新技術(shù)的研究與應(yīng)用，具體體現(xiàn)在組織結(jié)構(gòu)、施工進(jìn)度控制、成本控制等諸多方面。針對這些弊端，新的裝配式建筑一體化發(fā)展模式（“科研＋設(shè)計(jì)＋制造＋采購＋施工”工程總承包管理模式，下稱“五位一體模式”）應(yīng)運(yùn)而生。

1 五位一體模式介紹

傳統(tǒng)的EPC模式是工程總承包，即設(shè)計(jì)（engineering）、采購（procurement）、施工（construction），指從事EPC工程總承包的企業(yè)按照與建設(shè)單位簽訂的合同，對工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、施工等實(shí)行一體化全過程的承包，并對工程的質(zhì)量、安全、工期和造價(jià)等全面負(fù)責(zé)的承包方式[4]。

五位一體模式是指在傳統(tǒng)EPC模式的基礎(chǔ)上，增加了研發(fā)（research）和制造（manufacture）。與傳統(tǒng)EPC模式相比，五位一體模式的重點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、精裝部品部件的有機(jī)集成，與科研有機(jī)融合；在建造階段應(yīng)用智能化建造平臺將制造、采購、施工、成本、科技等有機(jī)融合，從而提高裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量、安全管理水平和整體效率、效益。五位一體工程總承包建造模式能有效解決我國在裝配式建筑發(fā)展初期，項(xiàng)目建造過程中還普遍存在的科研、設(shè)計(jì)、制造、采購以及工程管理相互間不能有效協(xié)同的問題。

不同于專注于某一環(huán)節(jié)的科研院所、設(shè)計(jì)院、加工廠和建筑企業(yè)，五位一體服務(wù)模式將建筑作為最終產(chǎn)品，構(gòu)筑其在裝配式建筑領(lǐng)域的核心競爭力。其中設(shè)計(jì)是降低裝配式建筑成本的核心要素。裝配式建筑能否節(jié)約成本核心取決于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果只是簡單的將傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式的設(shè)計(jì)套用在裝配式建筑上，那么一般來說成本都要比傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式高。而通過適用于裝配式建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則成本可以大幅降低，甚至低于傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式。

五位一體模式以科研、設(shè)計(jì)一體化為技術(shù)支撐，以BIM技術(shù)為高效工具，以EPC管理為保障手段，切實(shí)踐行“研發(fā)、設(shè)計(jì)、采購、制造、管理”的裝配式建筑管理模式，全面提升工程質(zhì)量水平[5]。

2 裝配式住宅設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 裝配式住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

從裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很多不同之處，且裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化體系，這影響了裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展。因此，必須要建立一個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，使其能夠具有標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)，讓裝配式結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用更加簡便。標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)只需對結(jié)構(gòu)尺寸等功能進(jìn)行調(diào)整，即可讓模塊既符合使用者的要求，又滿足設(shè)計(jì)、制作、施工的訴求，同時(shí)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)完善，保證裝配式建筑結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及方法

在對裝配式住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，必須要對整個(gè)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析[6]，本文將從裝配式住宅設(shè)計(jì)方案制定、裝配式設(shè)計(jì)過程、裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等3個(gè)方面進(jìn)行探討。

2.2.1 裝配式設(shè)計(jì)方案制定

理論上講，任何現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)都可以做裝配式，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于前期方案沒有考慮到預(yù)制構(gòu)件的拆分細(xì)節(jié)，大多數(shù)的裝配式建筑在拆分時(shí)都會出現(xiàn)問題，比如非標(biāo)構(gòu)件占比大、施工安裝困難等。因此，需要對裝配式方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)施性等方面的比較，選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)施工圖情況不斷改進(jìn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。方案的制定主要包含以下3點(diǎn)：

1）頂層設(shè)計(jì)。首先，必須要將裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理性與可行性判定，對設(shè)計(jì)中的各方面進(jìn)行綜合分析，包括戶型、分縫、軸網(wǎng)等一系列的布置等。在裝配式方案的確定上，要與其他相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，保證實(shí)際施工的便捷性、安全性，真正提高裝配式建筑的質(zhì)量，使其達(dá)到最大程度的優(yōu)化。布置預(yù)制構(gòu)件時(shí)，不能局限于設(shè)計(jì)角度，要從全局考慮，比如有些較重的預(yù)制構(gòu)件，如未考慮現(xiàn)場塔吊位置、起吊載重，就有可能導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)出來了，運(yùn)到現(xiàn)場卻不能吊裝，需要通過其他方式進(jìn)行吊裝，從而造成不必要的支出[7]。

2）標(biāo)準(zhǔn)化控制[8]。除了在前期方案設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化外，在深化設(shè)計(jì)階段同樣需要考慮，從而可以減少預(yù)制構(gòu)件的種類，降低模具攤銷，進(jìn)而降低構(gòu)件成本。例如在進(jìn)行疊合梁設(shè)計(jì)時(shí)，初步設(shè)計(jì)完成后基本定好了梁截面，施工圖階段確定梁配筋，在深化階段，需要精確定位調(diào)整梁縱筋的間距，盡量減少梁兩端出筋的形式及間距，以減少梁端端模的種類。

3）拆分要點(diǎn)。拆分要點(diǎn)包括：預(yù)制構(gòu)件尺寸要遵循少規(guī)格、多組合的原則，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接要簡單巧妙；長度較大的構(gòu)件拆分時(shí)可考慮對稱居中拆開（也就是套用性要高）；單構(gòu)件質(zhì)量盡量接近，一般不超過5 t，高度不宜跨越層高；一般模具周轉(zhuǎn)率在100次以上；暗柱應(yīng)現(xiàn)澆（抗震時(shí)墻體受力較大的部位，且暗柱現(xiàn)澆有利于構(gòu)件交接）；凸窗應(yīng)一體化預(yù)制且重復(fù)率高；構(gòu)件拆分均以樓層劃分，不做跨層處理；減少次梁，采用建筑面層降板，減少拼縫；等等。

2.2.2 裝配式設(shè)計(jì)過程

與粗放型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，裝配式建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)集約化、精細(xì)化的過程。傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計(jì)中，只要滿足政策要求的預(yù)制率或裝配率就可以，但在五位一體模式下，特別是融入了研發(fā)和制作，就要求項(xiàng)目在前期方案策劃和初步設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同合作，統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)卣摺⑼獠抠Y源、業(yè)主需求、施工需求、經(jīng)濟(jì)性要求、制造要求，以及預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、安裝、施工中可能產(chǎn)生的各種問題，達(dá)到在結(jié)構(gòu)安全前提下降低成本、快速高效施工的目的。同時(shí)在初步設(shè)計(jì)調(diào)整階段還需及時(shí)更新預(yù)制率或裝配率數(shù)據(jù)以滿足項(xiàng)目要求。

設(shè)計(jì)流程的規(guī)范化，預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化非常重要。如果預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，則無法進(jìn)行批量生產(chǎn)，從而導(dǎo)致構(gòu)件生產(chǎn)成本過高，施工超出預(yù)算，影響企業(yè)利潤。如果實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用了研發(fā)的新技術(shù)，還需要整合各環(huán)節(jié)反饋的問題。新技術(shù)必須以精細(xì)化設(shè)計(jì)為原則，達(dá)到施工簡易、成本優(yōu)化的目的。必要時(shí)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)（排除理想化設(shè)計(jì)）以對產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行迭代。

例如疊合板出筋及支撐問題，在預(yù)制構(gòu)件加工和施工過程中，疊合板少出筋甚至不出筋可以提高制作及安裝效率，減小模具成本，在施工過程中疊合板少支撐甚至無支撐一直是施工方追求的目標(biāo)。這就要求我們在項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)充分發(fā)揮科研優(yōu)勢，目前解決此類問題的方法有飛筋、大板設(shè)計(jì)、新型預(yù)應(yīng)力鋼管桁架疊合板體系等。

2.2.3 裝配式住宅節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

影響裝配式住宅節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的因素包括主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)外維護(hù)、設(shè)備管線、內(nèi)裝等。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)既要滿足結(jié)構(gòu)安全要求，同時(shí)還應(yīng)滿足加工方便、施工便捷的特點(diǎn)。因此，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，必須不斷優(yōu)化，降低生產(chǎn)成本。在保證建筑安全的基礎(chǔ)上，促進(jìn)建筑工業(yè)化的穩(wěn)定發(fā)展，比如衛(wèi)生間降板做法、飄窗連接節(jié)點(diǎn)做法、疊合板出筋問題等，通過應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，使設(shè)計(jì)能夠更加科學(xué)、合理。

PC構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要多方面考慮，節(jié)點(diǎn)過于復(fù)雜，會導(dǎo)致工廠生產(chǎn)制造成本過高、現(xiàn)場安裝施工困難等問題；節(jié)點(diǎn)過于簡單，則又可能難以滿足連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求。這就需要設(shè)計(jì)師和各方緊密溝通，從連接的可靠性、生產(chǎn)安裝的便利性、節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的造價(jià)成本等多個(gè)方面考慮，確定最合適的節(jié)點(diǎn)方案。

比如前面提到的疊合板的出筋問題一直制約著工廠的模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)效率。為解決這一問題，采用了四邊不出筋疊合板[9]，疊合板采用密拼方式，可設(shè)計(jì)為單向板或雙向板，其節(jié)點(diǎn)形式如圖1～圖4所示。

圖1 四邊不出筋密拼縫連接的單向疊合板示意

圖2 四邊不出筋密拼縫單向疊合板接縫示意

圖3 四邊不出筋密拼縫連接的雙向疊合板示意

圖4 四邊不出筋密拼縫雙向疊合板接縫示意

2.3 多專業(yè)協(xié)同

預(yù)制構(gòu)件作為工廠生產(chǎn)出來的工程產(chǎn)品，對設(shè)計(jì)完成度、精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑工程設(shè)計(jì)。一個(gè)構(gòu)件出廠時(shí)，其內(nèi)部的鋼筋、機(jī)電線盒、雨水管洞甚至外部裝飾都已經(jīng)在工廠全部完成，這對深化設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。深化設(shè)計(jì)工作早已不是深化設(shè)計(jì)人員單方面就能夠完成全部的專業(yè)工作，要想實(shí)現(xiàn)高完成度、高精準(zhǔn)度的要求，就必須要求建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修等專業(yè)在設(shè)計(jì)前期或設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行一體化協(xié)同設(shè)計(jì)，即橫向協(xié)同設(shè)計(jì)。比如構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，又如線盒、開洞的布置，BIM技術(shù)作為一體化集成設(shè)計(jì)工具，為各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供了可能。

除了設(shè)計(jì)各專業(yè)之間的協(xié)同之外，在五位一體模式框架下還有設(shè)計(jì)方與施工方、設(shè)計(jì)方與構(gòu)件生產(chǎn)廠之間的協(xié)同，即縱向協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方需要從施工現(xiàn)場和構(gòu)件生產(chǎn)廠那里了解現(xiàn)階段的一些生產(chǎn)、施工條件，然后合理地利用當(dāng)前的資源配置進(jìn)行設(shè)計(jì)。如構(gòu)件生產(chǎn)廠里現(xiàn)有的吊裝埋件為螺紋套筒，如果設(shè)計(jì)時(shí)采用吊環(huán)、吊釘作為吊裝埋件，理論上可行，但需要構(gòu)件廠重新進(jìn)行埋件招標(biāo)采購，既浪費(fèi)了時(shí)間，又造成了不必要的成本支出。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某住宅小區(qū)采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，建設(shè)規(guī)模為地上140 000 m3、地下60 000 m3，主要樓層控制在15～24F。戶型分為60、80、100、120 m2。

此類型住宅產(chǎn)品為目前市場上較為常見的產(chǎn)品，具有非常顯著的代表性，主要體現(xiàn)在：體量大、種類繁多；建設(shè)速度要求快；交付質(zhì)量好；節(jié)省建設(shè)成本。采用傳統(tǒng)EPC模式，基本無法滿足以上4點(diǎn)要求，而采用五位一體工程總承包服務(wù)模式，可從研發(fā)、設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)行優(yōu)化：

1）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有平面標(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)化等4個(gè)方面，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有助于降低采購、模具成本。比如平面標(biāo)準(zhǔn)化可以采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，模塊化應(yīng)具有迭代性、相互聯(lián)動性、模數(shù)化等特點(diǎn)。同時(shí)通過模塊錯(cuò)落組合、裝飾線腳外掛的方式實(shí)現(xiàn)平立面造型的多樣可變性。本項(xiàng)目17棟單體僅采用了3種平面規(guī)格，為后續(xù)施工的部署提供了便利性。

2）類框架簡化體系。分戶墻隔離，形成主要受力剪力墻，其余必要部位增加結(jié)構(gòu)柱，從而使內(nèi)部空間自由劃分，同時(shí)采用輕質(zhì)裝配式內(nèi)裝。對內(nèi)部預(yù)制剪力墻進(jìn)行合并，增加長墻，減少預(yù)制剪力墻規(guī)格，同時(shí)也提高了預(yù)制率。另外，類框架體系還可實(shí)現(xiàn)大板體系，本項(xiàng)目對梁體系進(jìn)行優(yōu)化，全部采用現(xiàn)澆梁，取消次梁，設(shè)計(jì)為若干大板，為吊裝、運(yùn)輸提供了便捷性。

3）研發(fā)新構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)同層排水，通過研發(fā)U形槽構(gòu)件達(dá)到免降板施工，簡化了施工工序，如圖5所示。

圖5 U形槽結(jié)構(gòu)同層排水

4）少規(guī)格設(shè)計(jì)。預(yù)制構(gòu)件規(guī)格種類的增加會導(dǎo)致模具成本增加，本項(xiàng)目17棟單體僅采用了1個(gè)飄窗形式和2個(gè)陽臺模式、2種梯段板，大大減少了預(yù)制構(gòu)件規(guī)格的種類，整個(gè)項(xiàng)目17棟單體的模具數(shù)為50種左右。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在預(yù)制構(gòu)件每立方米成本中，模具降低370元，人工降低130元，管理費(fèi)用降低60元，每立方米綜合成本降低560元。

4 結(jié)語

裝配式建筑往往與生產(chǎn)、施工等各方聯(lián)系緊密，而設(shè)計(jì)方由于相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的缺乏，導(dǎo)致裝配式建筑成本較高，施工困難。通過裝配式建筑與五位一體工程總承包管理模式的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目組織架構(gòu)、工期、成本管理等方面的有效控制，保證工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理的利潤目標(biāo)。

從另一個(gè)角度來看，企業(yè)為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的利潤目標(biāo)，大力推行企業(yè)的內(nèi)部建筑標(biāo)準(zhǔn)化管理。通過健全各模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、部件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，形成統(tǒng)一而專業(yè)的施工工藝、施工方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，有效提高裝配式建筑的質(zhì)量，并節(jié)約施工成本，提高施工效率，最終促進(jìn)裝配式建筑行業(yè)的快速發(fā)展。