技術與部品部件集成的研究與實踐
——以福州市建筑設計院有限責任公司新樓為例

楊大東

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

0 引言

當下，傳統的建筑產業較之互聯網等新興產業，其利潤率正急劇下滑。與此同時,建筑行業正面臨轉型與發展的新機遇。作為設計一線工作的建筑師，身處于行業轉型的歷史進程中，如何把握住新的歷史機遇并參與其中，尤為重要。基于技術與部品部件集成帶來的技術優勢，建筑師在福州市建筑設計院有限責任公司新樓的設計與建造中整合應用了多項先進技術。本文將該設計實踐為基點，展開相關論述。

1 建筑行業的危機與機遇

1.1 建筑行業的危機與訴求

隨著我國經濟迅速發展和結構的轉型，原先依靠大量農民工的傳統建筑行業，其勞動力來源及農民工勞動效率的提升已不可持續[1]。與此同時，愈加激烈的市場競爭，需要工期更短、造價更低、完成度更高的建筑生產、建造模式。人類的可持續發展，對建筑行業提出相關迫切訴求，如節能、綠色、低碳等；日益信息化的社會對建筑行業提出了更高的要求，如建筑智能化、智慧城市、智能建造等。

1.2 危機的背后伴隨著機遇

當今社會已逐漸從工業化時代邁向后工業化時代，個體的定制化已經成為了可能[2]。迅速發展的信息化、數字化技術向全社會、全行業展示出了眾多的可能性。新一代的建筑工人具備了一定文化知識，勞動力價格隨之不斷提升，也使得勞動效率的提高具備了相應的內生動力。社會的進步，促使建筑行業裝配式部品部件的推廣成為了可能，這個模式包含了部品部件的生產與集成。近幾年，國務院、各部委針對行業轉型的趨勢，陸續出臺了一系列相關文件[3-6]，為技術與部品部件的發展提供了政策引領與支持。

2 技術進步成為建筑行業發展的推力

從建筑行業的危機與機遇可以看出，以技術與部品部件集成帶動的技術進步，將成為推動建筑產業發展的巨大力量。

首先，技術與部品部件集成能夠提高建筑產業的勞動效率，使建筑業更接近工業，能夠像造汽車一樣造房子；技術與部品部件集成能夠降低建造成本，不再會出現一臺現代化冰箱與幾塊低技術墻板等價的荒謬現象；技術與部品部件集成，能夠把大量的工作轉移至工廠的生產車間，能夠降低建筑工人現場工作的強度和時間、極大改善了勞動環境水平、促進建筑的完成度提升，也讓用戶在使用過程中，更加安心、生活更加方便，減少被外部裝修活動等打擾的情況。在數字化浪潮的時代背景中，作為智慧城市的重要組成部分，建筑產業將向更為綠色、低碳與可持續的方向發展。

其次，技術與部品部件集成，能夠改變建筑行業現行立項、設計、施工和驗收中阻礙生產力發展的部分。同時，技術與部品部件集成，將會促進《中華人民共和國建筑法》等相關法律法規的調整，充分利用EPC(工程總承包)等可能性，發揮設計在其中的主導作用；進一步培養部品部件集成企業和技術能力。此外，還能極大推動建筑業的勞動生產率，使之適應時代進步。

3 個案剖析：以福州市建筑設計院有限責任公司新樓為例

如今，技術與部品部件集成具有重大意義。它在我司承擔的福州市建筑設計院有限責任公司新樓(以下簡稱院新樓)的項目中得到了運用，其具體的技術集成運用在哪些領域？本文將以院新樓項目為例，展示在設計、施工及運營維護等全生命周期過程中的集成應用。

3.1 項目概述

福州市建筑設計院有限責任公司院新樓位于福州市高新區海西高新技術產業園，地處浦上大橋西橋頭堡位置，西臨旗山大道，南臨馬保路與清華紫光科技園相望，北側為中海恒潤大廈用地，東側為高新區投資大廈用地，可遠眺烏龍江江面。院新樓項目用地地勢平整，用地面積9710.4 m2，院新樓占地面積3139.45 m2，總建筑面積為31714.1 m2。建筑分為南樓和北樓，在底部和頂部進行連接，建筑中部設置內庭院，整體呈“回”字形布局如圖1所示。地上一至十一層為企業辦公用房，面積為24 272.3 m2，地下一層設置停車場及相關設備用房，面積7441.8 m2。項目按綠建三星標準進行設計，作為工業化建筑采用了預制疊合樓板、預制外掛墻板和預制內墻板，系統門窗，室內裝修進行一體化施工，預制率可達20.127%。

圖1 福州市建筑設計院有限責任公司新院樓效果圖

3.2 技術創新點概述

基于我司技術與部品部件集成的技術積淀，設計院新樓的技術創新點主要表現在以下5個方面：

(1)新型工業化及裝配式建筑技術創新；

(2)BIM技術創新；

(3)健康建筑技術創新；

(4)智能建筑技術創新；

(5)超低能耗建筑技術及氫燃料電池技術運用。

具體闡述如下。

3.2.1 新型工業化及裝配式建筑技術創新點

新型工業化及裝配式建筑技術，可以有效帶動建筑行業全面轉型。在設計院新樓的設計與建造中，進行了適應福建地區的若干技術探索，形成我司的技術儲備。技術創新點主要包括：PC外掛墻板與鋼管栓結構、大跨度鋼桁架技術等。在外墻PC掛板集成體系方面，探索了適合福建地區的預制混凝土外掛墻板技術，外掛墻板采用折型的方頁巖陶粒混凝土的技術運用。此外，還對折型PC外掛墻板的連接節點設計與施工技術、折型PC外掛墻板與高性能系統門窗連接技術進行了相關前沿研究與實驗(圖2)，并進入工業化生產環節(圖3)。PC外掛墻板作為裝配式部品部件集成技術的主要載體，以及本文實證研究的主體部分，將在下一章節展開詳細論述。在結構創新方面，體現在鋼管栓技術與大跨度鋼桁架技術及施工提升技術運用上。

圖2 對折型PC外掛墻板進行前沿性研究與實驗 圖3 可批量化工業生產的折型PC外掛墻板

圖4 院新樓建筑、結構、機電BIM模型

3.2.2 BIM技術創新點

裝配式建筑最明顯的特點，是可采用標準化的部品部件。而BIM在其軟件開發與運用上，天然地契合裝配式建筑部品部件集成的思路，建立標準化預制構件庫進行設計，以避免設計人員的設計失誤，促使生產效率和設計質量的提高。同時，可通過三維可視化手段，進行虛擬數字化建造。

結合設計新院樓項目本身的特點，BIM技術在各個階段得到了充分的運用。在項目設計前期階段，利用無人機掃描結合點三維模型，完成基于BIM平臺的現狀采集，為設計人員開展設計提供了便捷、精準的研究平臺。在項目設計階段，構建全專業BIM建筑信息化模型(圖4)，對機電管線施工進行技術深化，檢測碰撞、調整凈高，指導施工圖進行優化設計。在項目施工階段，精細化的BIM建筑技術，及對生產、施工的直接指導，運用BIM精細化模型，對不同重量墻板的吊裝方案，配合進行經濟性分析，BIM工程量統計，在設計與施工過程中進行成本精細化把控，基于BIM應用智慧工地技術。在項目對外展示階段，用戶可掃碼查看建筑信息模型(圖5)。在建筑全生命周期管理中，設計院新樓BIM建筑信息化模型將會在設計、施工以及運維全過程環節進行協同運用。

圖5 手機掃碼查看院新樓BIM模型

3.2.3 健康建筑技術創新點

一場突如其來的新冠肺炎疫情，給人民生命安全和身體健康帶來嚴重威脅，促使全社會高度關注人民健康的保障，建立公共衛生預警機制。而健康建筑正是這一保障的有力載體。在建筑功能方面，設計院新樓將工作和運動休閑進行融合設計，保障了充足的鍛煉場所。在環境調控方面，采用高可靠性水質控制和供水安全技術措施、應用高效能智能室內空氣品質控制及室內環境控制技術(圖6)、運用護眼燈等相關技術，在飲用水、空氣和采光方面給予員工安全保障。在應對突發疫情方面，設計院新樓采用門禁無觸通行的智能樓宇門禁抗疫系統,如圖7所示。

圖6 空調感應智慧眼

圖7 樓宇門禁抗疫技術

3.2.4 智能建筑技術創新點

設計院新樓作為智能建筑，如同裝備了一顆智慧的“大腦”。首先，新樓妥當安排了“大腦神經”的走線空間，采取高度靈活、安裝便捷的架空地板布線技術，在建設成為現今較為先進的“大腦”同時，也為未來的智能化升級改造創造了可能性。新樓智慧“大腦”包含了樓宇智能控制、人臉識別以及物聯網技術、智能燈光及照明管理系統、智慧空調技術以及智慧停車技術。

3.2.5 超低能耗建筑技術及氫燃料電池技術運用

氣候變暖已成為全球共同面對的問題，我國也力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，體現了我國在推動構建人類命運共同體事業中的大國責任與擔當。目前，建筑物總能耗占全國能源消耗總量的1/3，建筑物碳排放同樣占據了較大比例，可持續發展對建筑發展提出了新的要求。因此，在新樓項目中對節能減排和能源的創新轉型進行了前瞻性探索。例如，新樓的南樓九層設置了超低能耗實驗室，采用超低能耗建筑技術，如圖8所示；采用固態氫燃料電池實驗技術，如圖9所示；符合超低能耗技術要求的集成空調技術運用。新樓建筑本身，加強門窗氣密性設計，對相關門窗節點提出了更高要求，執行更高的標準，如圖10所示。

圖8 超低能耗實驗室研究實驗系統圖

圖9 氫燃料電池系統

圖10 超低能耗(對于門窗氣密性的要求)

3.3 體系歸一：技術與部品部件集成之后的再集成

技術與部品部件集成運用，并非只是先進技術的簡單堆砌。建筑作為一個整體，需要建筑師對各個技術專項進行統籌規劃與協調，尤其是對于設計院新樓采用了眾多技術集成的創新型建筑，更需技術與部品部件集成之后的再集成。因此在各個環節，各專業、分項、各個子項都應匯總于建筑師，由建筑師協調、平衡，再集成于一棟建筑的設計、施工、采購和運營維護，貫穿全過程，達成總體目標，以彰顯技術與部品部件集成優勢。這在設計院新樓的實踐中得到了充分的體現。

4 以折型PC外掛墻板集成體系作為項目技術創新亮點

4.1 折型PC外掛墻板集成體系基本概況

設計院新樓獨特的折型外墻PC掛板在建筑外立面肌理與顏色上，從周邊的環境中脫穎而出，產生出“熟悉的陌生感”“簡單的復雜性”的直觀感受。新樓獨特的形態特征，源于建筑外圍護的裝配式折型PC外掛墻板，折型PC外掛墻板源于基本的建筑學問題，同時又集成了多項子系統。

4.1.1 利用折型PC外掛墻板解決由場地產生的建筑朝向問題

設計院新樓所處的基地邊界與正南北向存在30°夾角，建筑由于順應基地邊界，使其朝向亦與正南北存在著夾角，因此將墻面設計成波紋式折板，讓窗口朝向南側，獲得通透的觀景面，同時避免了西曬影響(圖11)，為建筑創造了良好的節能基礎。

圖11 折型PC外掛墻板的建筑學意義

4.1.2 折型PC外掛墻板模塊種類及自身荷載

折型PC外掛墻板采用不規則異形平面外掛墻板。基于新樓簡潔有力的長方體體塊，折型PC外掛墻板經多次合理拆分優化分類后，形成三種模塊種類：①南北立面折板模塊；②東西立面折板模塊；③四處端角部折板模塊。材料選用新型配方頁巖陶粒混凝土。頁巖陶粒種類和參量配比通過多次試驗選定，最終達到減重約20%，位于標準層的南北立面折板模塊質量為2.75 t，其下掛折板模塊質量為3.83 t，位于標準層的東西立面折板模塊質量為3.54 t，其下掛折板模塊質量為4.93 t，位于標準層的四角部折板模塊質量為4.15 t，其下掛折板模塊質量為5.78 t，如圖12所示。

圖12 裝配式建筑技術模塊化外墻掛板種類及自身荷載

4.1.3 BIM預制折形外墻PC掛板精細化建模分析

利用BIM技術平臺對預制外掛墻板進行精細化建模，在模型進行碰撞檢查，對不易施工位置墻板優化調整，如圖13～圖14所示。同時，精細化建模，能夠自動生成墻板具體參數，根據墻板重量及其所處位置，制定具體的施工吊裝方案(判斷采用塔吊或是汽車吊、吊裝順序、施工流水等)，如圖15所示。在預制構件生產階段，可利用BIM技術平臺建立墻板的鋼筋模型，三維標注鋼筋，并直接生成圖紙，充分發揮BIM技術三維立體可視化的優勢，贏得預制廠家的廣泛認可，對推動BIM正向設計邁出關鍵性的一步，如圖16所示。

圖13 折形PC外掛墻板構造的拆分與拼裝

圖14 折形PC外掛墻板節點模型模擬與施工現場實證

圖15 采用BIM平臺對不同質量外墻板板吊裝方案的判斷

圖16 折形PC外掛墻板配筋模型以及上暗梁配筋做法

4.2 折型PC外掛墻板集成體系的構成技術亮點

折型PC外掛墻板集成體系由各個子系統所構成，主要包含了5個方面：①外墻陶粒混凝土輕質掛板；②高性能集成門窗系統；③幕墻系統；④掛板連接節點設計及施工策劃；⑤架空地板集成吊掛。詳細闡述如下。

4.2.1 外墻陶粒混凝土輕質掛板

以陶粒代替石子作為混凝土的骨料，以減少掛板自身荷載。骨料材料使用了新型配，即方頁巖陶粒混凝土。頁巖陶粒混凝土具有重量輕、保溫性能好、抗滲性好、耐火性好、施工適應性強等特點；頁巖陶粒的種類和參量配比通過多次試驗選定，最終減重可達20%。

4.2.2 高性能集成門窗系統(含高性能玻璃、節點連接設計等)

設計院新樓外立面門窗分布于預制外掛墻板之間，起到通風、采光與觀景功能。外立面門窗與折型PC外掛墻板一虛一實的材料搭配，形成豎向條紋立面肌理。與外掛墻板預制做法相匹配，外立面門窗系統集成體系。

折型PC外掛墻板與門窗系統并非同步成型，而是在外掛墻板吊掛完成后，進行集成門窗安裝。因此，在外掛墻板與集成門窗之間必然存在拼縫，而拼縫的處理關系到建筑能否抵抗外界極端的氣候。為此，我司在預制構件工廠進行門窗實驗模擬，對墻板及墻板節點在小、中、大震下的變形性能及氣密、水密、抗風壓性能進行試驗(圖17)。試驗結果證明，外掛墻板及集成門窗系統達到優良的物理安全性和耐久性要求。

圖17 高性能集成門窗系統氣密、水密、抗風壓性能試驗

門窗系統中的外窗采用高性能玻璃，其特點是有較好的節能、保溫、隔熱，保持室內環境舒適度。所采用的高性能玻璃在玻璃夾層內充填導熱系數低的空氣層，使得該玻璃的熱貫流率約為普通單板玻璃的一半。高性能玻璃與內側噴涂保溫材料與預制PC外墻掛板，共同構成設計院新樓有效阻隔能量傳導的外圍護系統。

4.2.3 幕墻系統

設計院新樓的幕墻系統分為兩類，第一類為常規玻璃幕墻，主要分布在設計院新樓的建筑內庭院外墻(圖18)，第二類設置在設計院新樓外立面，位于預制折型PC外掛墻板之間。第二類幕墻寬度尺寸較小，需要在預制PC掛板設置高性能附框連接。

圖18 院新樓內庭院玻璃幕墻

4.2.4 掛板連接節點設計及施工策劃

預制折型PC外掛墻板與建筑結構主體的連接，是通過金屬構件外掛來實現。外掛墻板采用上承式點支承預制混凝土外掛墻板轉動型的連接節點，預留形變容納度，新型節點系統使墻板運動適應主體結構變形，同時簡化了節點設計，提升外掛墻板安裝效率，如圖19所示。

圖19 掛板連接節點設計

4.2.5 架空地板、家具集成

在設計院新樓統一設計方法框架下，室內地板以及部分家具亦采取裝配與集成式設計安裝,如圖20所示。金屬制的掛板連接節點在沒有修飾的情況下，顯得過于粗大、銹色，架空地板能夠快速地實現地面面層施工，利用地面面層與結構層之間的空隙距離，可將掛板連接節點進行妥當隱藏。同樣，沿外墻布置的集成家具，在修飾內墻面的同時，也將高處的連接節點進行巧妙隱藏。此外，架空地板、家具集成系統便于安裝與拆卸，為金屬制的掛板連接節點的檢查、檢修提供了便利。

圖20 架空地板、家具集成

4.3 折型PC外掛墻板集成體系的優勢與有待改進之處

在外墻PC掛板集成體系的設計、施工實踐中，較好地完成了復雜構造的預制、運輸、吊裝和安裝等流程，展現了裝配式設計、施工的優點。同時，對預算起到了較好的明確作用，對造價起到了控制作用，但也出現了安裝誤差較大，無法達到窗框、玻璃的誤差要求，節點設計還過于復雜、造價較高、施工吊裝也較復雜等缺點。這些都需要在未來逐步積累經驗的基礎上加以克服，進行設計迭代升級。

4.4 折型PC外掛墻板集成體系在項目運用中的環節與程序

在設計過程中，應即與施工單位溝通，并在招標環節確認相應部品部件的生產、及集成供應、檢測、運輸、配合等事項。制造生產環節是聯系前端設計和后端安裝施工的重要環節，應借鑒其他先進生產理念，總結已有工程經驗，在全過程和全程序鏈條的基礎上，構建出精細化管理體系。

5 結語

設計院新樓的設計與建造，不僅是一項常規的復雜型工程項目，更是一項實證性的研究工作。它證實了新型工業化及裝配式建筑技術、BIM技術、健康建筑技術、智能建筑技術以及超低能耗建筑技術及氫燃料電池技術在我省應用的適宜性，從而充分體現了技術與部品部件集成的優越性。技術與部品部件集成在實施過程中，做到了省工、省時，減少勞動力成本的基本訴求，這也是我司對技術與部品部件集成持續性研究的推動力。在設計院新樓建筑生產新模式的探索中，初步建立了具有自主知識產權的技術與部品部件集成庫，集合各專業優勢力量，打破了傳統的設計、施工等環節完全脫離的思維慣性，打通了行業上下游關鍵環節，建構了適合企業自身的應用平臺，技術和部品部件集成的理念，并已化作我司設計理念與方法，在日常工作中得到應用推廣。

作為技術和部品部件集成探索與實踐的先行者，我司從中積累了寶貴經驗，但同時也留下了些許遺憾，部分問題有待做進一步的研究與解決。設計院新樓作為探索案例，權當拋磚引玉，供業內同行對現階段技術與部品部件集成技術進行進一步思考。