新產業，新空間，新營造——高新技術產業高層裝配式“摩天工廠”設計實踐

樊則森，李文，李新偉/

1 新產業

粵港澳大灣區作為我國重要的制造業基地，在經歷了“世界工廠”的歷史性輝煌以后，正在逐步進入產業升級和轉型的新時代。其主要特征在于從傳統的工業企業轉變為高新技術驅動，數字化、智能化、高附加值的新型科技創新型工廠。在此背景下，灣區各主要城市紛紛挖掘城市產業空間，為新產業落戶發展提供載體平臺。深圳在“十三五”時期，搶抓“中國制造2025”和布局“互聯網+”、智能制造發展多重機遇，加強了5G、人工智能、網絡空間科學與技術、生命信息與生物醫藥實驗室等重大創新載體的建設。

創新載體服務包含3 類制造業務：

（1）智能制造。主動順應制造業數字化、網絡化、智能化趨勢，促進新一代信息技術和制造技術深度融合，建設智能工廠、數字化車間，推動傳統制造向智能制造躍升。

（2）綠色制造。推行用地集約化、原料無害化、生產清潔化、廢物資源化、能源低碳化的綠色制造模式，利用綠色建筑技術建設廠房，優先選用先進清潔生產技術和高效末端治理裝備，應用綠色技術、綠色材料、綠色工藝開發生產綠色產品，主動向資源節約、環境友好型企業轉型。

（3）新型生物醫藥產業，以高端醫療器械和生物醫藥產業為主，集研發、孵化、生產為一體，重點發展高端生物醫藥領域的研發總部、生產制造、企業孵化和支撐服務等產業功能。

2018 年5 月，深圳出臺了產業用地節約集約利用政策《深圳市扶持實體經濟發展促進產業用地節約集約利用的管理規定》。按照規定，只通過提高88km2存量產業用地的容積率，就可為深圳增加1.6 億m2的產業空間，解決產業發展空間緊缺的難題。

新產業的發展帶來新的建設需求，給了建筑師新的業務機會，筆者有幸參與設計建造了其中的幾個項目，并在實踐中形成了一些感悟和體會。

2 新空間

2.1 需求調研

建筑師業務中，一個重要的工作就是摸清業主需求，因此，在設計工作之初，我們主要通過考察、調研、訪談、查找資料等方式，了解“新空間”的基本需求并編制需求表（表1-4）。

表1 生物醫藥類廠房設計參數

表2 醫療器械類廠房設計參數

表3 新能源汽車相關產業廠房主要設計參數

表4 精密儀器類廠房設計參數

2.2 空間策劃

空間策劃以需求調研為基礎，以整體統籌和系統優化為方法，以建筑空間使用效益最優為目標，通過建筑師的專業歸納，最終形成如下新產業空間的策劃要點并得到業主批準，新產業空間的策劃要點為：

（1）面積大：標準層面積，以3000 ～4000m2為宜，首層盡量做大面積，宜不小于10,000m2，如果要建設生產線，則生產線長度不小于70m；

（2）空間高：首層凈高需求不小于6m，宜做到8m；二層以上產業空間層高宜不小于6m，研發辦公樓層層高宜為4.5m；

（3）荷載重：有生產線的樓層荷載要求較高，基本為2 ～2.5t/m2；

（4）流線暢：產業空間必然存在工藝和流程的需求，而這種需求往往通過線性的平面流線來得以滿足。因此，從原料卸貨到產線，再到產品出貨的流線組織對產業空間設計尤顯重要。卸貨出貨建議統一設置裝載平臺；

（5）立體：不同于傳統低多層工業廠房主要在平面范圍內布置生產線，新產業用房不僅要考慮平面流線組織，而且要在三維立體空間中組織生產流線。垂直交通需配置貨梯，貨梯載重一般需要2 ～3t，客梯可參考辦公樓客梯相關指標設置；

（6）集中：豎向交通及配套設施宜布置在外側，留出集中的內部空間便于布置產線；

（7）獨立：各層宜獨立，宜依據入駐企業權屬關系獨立分區。無需中央空調，需預留空調位和分區獨立空調；

（8）多變：由于此類空間多為政府投資平臺持有，主要業務方向確定。但由于入駐企業尚未明確，對于具體的企業空間需求并不確定。為此，需要提供柔性可變空間，使之能夠滿足多種使用功能的需求；

（9）零排放：入駐企業均應承諾無廢水廢氣排放，少部分有廢渣，由企業自行處理；

（10）功能復合：“摩天工廠”并不等于“100m的工廠”。由于大部分制造企業只能接受6 ～7 層以下的樓層，因此，一般在7 層以下安排生產型工廠，7～10 層為實驗研究型工廠，10 層以上主要為研發和實驗功能，主要功能為科研產業用房；

（11）水電要求：用水量不大，正常供水即可。由于大型儀器較多，用電量較大，正常工業電壓380V 即可。但對電壓穩定要求較高，最好有備用電路；

（12）防火要求：產業用房對防火等級要求不是特別高，丙級以上即可，少部分企業（如新能源電池）需乙級以上。鑒于國內目前尚無高層工業廠房相關防火規范，建議編制并進一步規范；

（13）裝修標準：廠房以毛坯為主，由入駐企業自行裝修。公共部分宜采用工業化生產的內裝部品，在現場以干法裝修的方式進行裝修。

2.3 設計應對

建筑師是空間的藝術家，其工作主要就是研究各類空間，并使之適應于各種需求。針對以上特點，為了適應不同類型的產業空間需求，更好地支撐新產業發展，我們提出了“柔性廠房”的概念。高層柔性廠房裙房部分可達10,000m2，標準層面積控制在3000m2以上，滿足高層廠房防火規范和疏散距離的要求。柱網尺寸宜選擇長短跨配合（本案例為12.6m×8.4m），層高6m 以上，盡量滿足高科技工廠生產工藝的空間需求（圖1）。最大90m 的垂直折疊生產線需求（圖2）。可根據需求，將任意一層改造為高貨架倉庫，滿足個別生產工藝對于來料或成品存儲的需求（圖3）。

圖1 生產空間示意

圖2 立體生產線示意

圖3 空間擴容示意

柔性廠房還可以在底層裙房部分，通過設置最緩1:15，最大轉彎半徑12m 的旋轉坡道，滿足小型貨車上樓需求。

3 新營造

新的產業空間樓層高、面積大、荷載重、柱跨長，如果采用傳統的現澆混凝土建造方式，需要高支撐、滿堂架，還有大量的木模板、外架、抹灰等“拖泥帶水”的施工作業等。不僅需要大量的人工作業，而且往往伴隨較大的安全風險。應該用少支模、免外架、免抹灰、少焊接的新型建造工藝來代替，從而減少工人勞動強度、減少建筑垃圾排放、提高建造效率、提高工程質量和性能。目前，較為成熟的工業化建造技術有裝配式混凝土框架結構、裝配式鋼-混凝土混合框架結構、裝配式預應力混凝土框架結構等。如何進行設計選型，必然是建筑師和結構工程師們面臨的一個關鍵問題。

常規設計中的結構選型，多從工程成本方面來進行判斷。往往落在材料用量和價格上，最終以“用鋼量”作為關鍵指標，決定各種技術措施的優劣。在工業化新型建造方式下，必須拋棄固有的“路徑依賴”，不能僅僅用單一指標作為決策依據。需要建立完整的指標體系，全面系統分析并得出科學的結論。為此，我們以系統最優為目標，嘗試著對結構系統的選型開展對比研究（表5）。

從表5 可知，如果僅依據材料價格，選擇現澆混凝土框架最優；而增加施工措施費參數后，則裝配式鋼-混凝土混合框架選型最優。綜合評估與單一指標得出的結論大相徑庭。可見，系統分析方法對工程建設的科學決策至關重要。

表5 3 種結構選型對比表

3.1 系統分析

建筑是一個非常復雜的系統，它包括物質和精神、科技和人文、形式和功能等諸多方面。工業化建筑的主要研究對象是建筑的建造方式，需要探究建筑材料、設備等的組合關系，回答這些物質如何建構成一棟建筑 。因此，我們在研究建造時，更多地以“物”為對象。

圖4 “汽車上樓”示意

系統工程是研究系統最優化的工程技術，工業化建筑的系統設計僅知道系統構成還遠遠不夠，如何實現“最優化”？是建筑師需要關注并解決的頭等大事。我們在研究“摩天工廠”的結構系統時，通過前面的設計應對，已經基本確定了高層新產業空間的構成要素。即鋼管混凝土柱、鋼梁、預應力空心樓板組成高層廠房的主體結構。但是，尚未研究清楚“新空間”的跨度、高度及裝配方式，尚未清晰地判斷其優劣。此時，由建筑師牽頭進行系統分析和優化設計顯得尤其重要。通過多專業緊密協同，采取條件預設、模型計算、對比分析、材料用量、施工成本、綜合評價等分析評價方法來輔助決策，力求找到工程建設的“最優解決方案”。通過系統分析，拿出“最優化”的系統設計。不同于結構專業的結構計算，此類基于系統優化需求而進行的計算，主要立足于材料、工藝、人力、效率等的技術經濟測算，其目標始終聚焦于“整體最優”。

為了通過系統優化有效控制好建筑成本，我們研發實踐了一套“摩天工廠”工業化建造系統解決方案。由于工程尚在實施過程中，且“柔性工廠”的機電和內裝兩大系統現階段尚待入駐企業確定之后才能確定，目前的設計工作主要是圍繞結構系統和圍護系統來開展。因此本研究重點聚焦于結構和圍護兩大系統。

3.2 結構系統設計及優化

3.2.1 條件預設

“摩天工廠”結構高度一般為100m 以內，為滿足各類高科技工業廠房的空間要求，要求為不小于縱向6 跨、跨度8m 的框架結構。結構系統擬選用鋼管混凝土柱、鋼梁、預應力空心樓板為主要結構構件，進行裝配化施工并組合成框架結構體系。預設橫向跨度、建筑層高、荷載3 個變量并模擬分析其對結構受力的影響（圖5）。

圖5 廠房空間跨度分析

變量1，橫向跨度，5 種，分別為：8m，12m，13m，14m，15m；

變量2，建筑層高，3 種，分別為：6m、8m、10m；

變量3，荷載取值，2 種，分別為：6.5kN/m2、8kN/m2。

通過計算分析，在3 種控制變量的24 種不同組合條件下，結構位移角、位移比、周期比等指標均可滿足規范要求，結構布置在合理區間。隨著層高越高，結構剛度越小，層間變形越大。分析表明跨度對結構剛度影響較小（圖6），減少跨數，加大跨度能確保總體結構安全。

圖6 不同參數對比圖

3.2.2 對比分析

3.2.2.1 材料用量

預設了柱網尺寸8.4m×8.4m 和8.4m×12.6m和建筑層高4.5m 和6m 兩個變量，并進行模擬分析（圖7）。

圖7 兩種預設的平面軸網及層高對比

通過對比可見，跨度與鋼材用量成正比：隨跨度增加，鋼材用量上升；層高與鋼材用量成正比：鋼材用量隨著層高增加而上升。通過代入工程量信息，計算出不同跨度和高度的建造成本，作為系統優化的依據（圖8、9，表6）。

表6 用鋼量對比表

圖8 基于跨度的用鋼量曲線對比

圖9 基于層高的用鋼量曲線對比

3.2.2.2 施工成本

（1）吊裝成本：面積相同情況下跨度較大的模型吊次較少，即吊次隨跨數減少而降低，增大跨度可縮減塔吊所涉及的人工費、機械費及相關稅金、措施費等；

（2）焊接成本：跨數低時節點減少，相應焊點數量降低，所需人工減少，可降低相應的人工費、材料費、機械費、稅金、措施費，并可縮短工期；

（3）運輸成本:材料總件數減少可減少相應的材料運輸、放置、看管及相應的土地租賃費用。

（4）措施成本：為了實現安全文明施工，需要采取相應的支撐、保護等工程措施，根據設計要求可測算出不同措施的成本。

3.2.3 綜合成本

將上述所有成本綜合起來，構成綜合成本，其內容包含：用鋼量、混凝土用量和主要受影響的施工成本（吊次，人工、場地、塔吊及相關措施費及稅金）；

（1）長向擱置空心板：經模擬測算，跨度8.4m，層高4.5m 時單價最低，設為A 元；跨度不變，層高變為6m 時為A+170 元；跨度12.6m，層高4.5m時為A+140 元；跨度12.6m，層高6m 時單價為A+270 元 ；標準樓棟跨度12.6m 建造用時138 天；較跨度8.4m 建造節省用時22 天；

（2）短向擱置空心板：跨度8.4m，層高4.5m時單價最低，為A 元；經模擬測算，跨度12.6m，層高4.5m 時為A+170 元；當跨度12.6m，層高6m時單價為A+300 元 ；

3.2.4 運營收入對比

對意向入駐的企業進行調研摸底，80%的意向入駐企業均選擇12.6m 跨度，6～10m 層高的新產業空間。并愿意為此多支付10 元/m2的月租金。雖然主體結構建造成本增加270～300 元/m2，但建造效率提升15%，運營收益每月提高10 元/m2。從整體最優的角度來分析，雖然結構跨度增加和層高增加會提高材料用量，提高了造價。但是運營收益較高，能在3 年內實現成本增量的回收。最終，經業主決策，選取了8.4m×12.6m 的柱網和標準層6m 層高作為柔性廠房的推薦尺寸。

通過系統分析及優化，我們可以確定設計選型：采用長向擱置空心樓板方案，短跨8.4m，長跨12.6m，層高6m，單方造價增加270 元，月租金提高10 元/m2。

3.3 圍護系統設計及優化

在較早的兩個項目中，圍護系統更多考慮建筑形式的需要。以生物醫藥基地項目為例，主要采用“金屬幕墻+玻璃幕墻”組合的圍護系統，在建造階段無法實現免外架施工 。新能源汽車產業基地在總結生物醫藥基地經驗教訓的基礎上，設計了裝配式預制PC 外墻，用于代替傳統幕墻，不僅實現了免外架施工，而且讓建筑外墻更耐久、更經濟、更美觀。

但是，應該看到，圍護系統不僅只有美觀功能，功能需求應該是其重要的設計出發點，對新型產業空間而言，圍護系統除了隔熱、防水和防護等傳統功能外，還需要考慮入駐企業加裝空調、空氣凈化和環保設備等的需求，這些都是“柔性廠房”需要考慮的內容。為此，在深港生物醫藥產業園的設計中，我們建議采取“設備環廊”的方式來應對，所謂“設備環廊”，就是通過了解工廠可能需要的各類設備（如空調室外機等）幾何尺寸、設備參數和安裝方法。結合設備安裝需求提供擴展空間，并結合懸挑外廊，輔之以穿孔鋁板及豎向遮陽板等，提高外立面遮陽效果。在不布置室外設備的部位，可設置外立面綠植增強防風及降噪性能，提供適宜的生產環境（圖10）。

圖10 帶“設備環廊”和綠植槽的圍護系統設計

4 案例簡介

4.1 坪山生物醫藥加速器項目

該項目位于深圳市坪山新區坑梓街道，東臨金聯路，南臨金輝路，北臨聚青路，南臨臨惠路；項目共有14 棟單體建筑、其中2 棟綜合樓研發用房、12 棟無污染廠房（圖11-13）。經濟指標見表7。

圖11 坪山生物醫藥加速器項目功能分析

圖12 生物醫藥加速器園區鳥瞰

圖13 生物醫藥加速器園區街景

該項目是已有生物醫藥加速器項目的二期擴建項目，包括醫藥器械研發生產和生物醫藥研發制造兩大功能，小高層部分為研發廠房；高層及超高層部分為研發辦公、職工宿舍及酒店。

4.2 坪山新能源汽車產業園區項目

該項目位于深圳市坪山區金輝路與秋田路交匯處東北角，是深圳坪山吸收、引進國際先進新能源汽車頭部研發、制造創新機構的重點工程。其中一棟100m 共計17 層的“摩天工廠”是目前在建最高的工業廠房建設項目（圖14-16）。經濟指標參見表7。

圖14 坪山新能源汽車產業園區鳥瞰

圖15 坪山新能源汽車產業園區街景

圖16 “摩天工廠”

4.3 深港生物醫藥產業園

該項目位于深圳市坪山區錦繡東路與榮田路交匯處東北角，是深圳在疫情后，為強化深港兩地的生物醫藥新技術、新工藝、新產品研發創新而打造的聯合產業創新空間（圖17、18）。經濟指標參見表7。

圖17 深港生物醫藥產業園園區立面

圖18 深港生物醫藥產業園園區街景

表7 案例經濟指標

圖19 構件單元模型

圖20 環廊欄板

圖21 環廊欄板

圖22 環廊欄板

圖23 3種環廊欄板組合出多變的立面形式

圖24 環廊欄板組合效果（1 -24 圖片來源：中建科技集團有限公司EPC工程總承包設計項目）

5 結語

綜上所述，智能制造、新能源汽車、生物醫藥等高新技術產業不同于傳統工業，其生產物、生產工藝和供應鏈特點具備“工業上樓”的條件，高新技術產業帶來了新空間的需求，具備較大的發展潛力，是值得認真研究的新建筑類型。這種新空間除了層高高、面積大、荷載重外，還應該滿足多功能復合、柔性可變的空間需求。高層工業廠房適宜于采取工業化新型建造方式來建設，新的營造方式可以少支模、免外架、免抹灰、少焊接，能夠減少工人勞動強度、減少建筑垃圾排放、提高建造效率、提高工程質量和性能。在設計選型時應從系統最優的角度進行統籌謀劃，實現最佳效益。□