預制構件設計方案比選的量化分析

曾裕泉

（筑友智造建筑設計有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

裝配式建筑工程造價相比傳統現澆結構普遍偏高是當前較為突出的問題，主要是因為預制構件生產成本較高，而構件成本受設計方案影響，如何選擇經濟性更優的設計方案是值得探索的話題。現階段在設計前期進行多方案比選時大多是憑經驗判斷，因為成本測算是滯后的，對項目而言，往往要等到預制構件生產完成之后，才有條件進行生產成本測算。因此，我們希望解決成本測算滯后的問題，找出設計方案比選的量化分析方法，實現在設計前期就能用量化分析結果來選擇更優的設計方案。

1 研究方法

本研究以預制疊合樓板為對象開展工作，由于預制構件成本與生產密切相關，首先要把生產工藝流程搞清楚；其次，要把預制構件成本組成梳理出來，并找出與設計方案相關聯的各項參數；最后，給出研究結果，即提煉出分析方法及建立數學計算式并進行驗證與分析討論。

1.1 疊合板生產工藝

目前大多采用流水線生產疊合樓板，主要的循環生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 循環生產工藝流程

上述各項關鍵工序的流水節拍如表1 所示，從表中可以看出，鋼筋安裝是瓶頸工序，如果能縮短其流水節拍，則可提升生產效率。

表1 各項關鍵工序的流水節拍

1.2 疊合板生產成本構成

預制疊合樓板生產成本主要由直接材料費、制造費、直接人工費、折舊及期間費組成，其中直接材料費占比最大，包含鋼筋、混凝土、預埋件，如圖2 所示[1]。

圖2 疊合樓板生產成本分解

占比第二位的制造費用又由輔助人工費、物流費、模具費、能耗費、工具輔材費、生產管理費構成，如圖3所示。

圖3 制造費用構成

1.3 構件成本與設計方案的關聯

通過深入挖掘成本各子項可以發現，一部分子項是與設計方案關聯，另一部分主要由生產條件決定，基本不受設計因素影響，現將與設計方案關聯的子項逐一分析，并提煉出各差異項輸入參數。

1.3.1 直接材料費

直接材料費主要受含鋼量影響，含鋼量是指每一立方混凝土所含鋼筋的重量。在選擇不同的設計方案時，含鋼量是有差別的，比如采用單向板拆分設計方案與雙向板拆分設計方案，又比如采用HRB400 鋼筋與CRB600H 鋼筋，其含鋼量都是不同的，因此可確定含鋼量為差異項輸入參數[2]。

1.3.2 模具費

模具費由模具重復使用次數控制，模具重復使用次數是指每一套邊模從首次使用直至報廢或當廢鐵賣出重復使用的次數。不同的設計方案，預制構件能共模的數量也是不同的，標準化程度高的項目比非標的相差甚遠，因此可確定模具重復使用次數為差異項輸入參數[3]。

1.3.3 物流費

物流費由構件裝車滿載率控制，滿載率是指每車裝載的預制構件重量與車載允許值的比值，一般用百分數表示。預制構件裝車受單塊預制板最大輪廓尺寸、每層預制板裝框數、每一框的預制板堆疊層數影響，不同的拆分設計方案會有不同的裝車次數，滿載率就會有差別，因此可確定滿載率為差異項輸入參數。

1.3.4 人工、制造、折舊等費用

人工、制造、折舊等費用由產能控制，而產能主要由流水節拍、模臺利用率兩項指標決定，流水節拍是指所有工序中持續時間最長的一道工序用時，模臺利用率是指疊合樓板所占模臺的投影面積與模臺總面積的比值，一般用百分數表示。不同的設計方案會有不同的預制構件數量、外輪廓尺寸，進一步決定著生產排摸方案即所用模臺數與項目之間切換時間，就會得到不同的結果，因此可確定流水節拍、模臺利用率為差異項輸入參數。

2 研究結果

2.1 設計方案比選的量化分析方法

在建筑設計方案、預制構件拆分設計方案、選配筋設計方案完成之后，可進行項目預排產，即確定模具配置方案、模臺排布方案、裝框運輸方案，完成預排產后，即可得出含鋼量、模具重復使用次數、滿載率、流水節拍、模臺利用率、換模周期等與設計關聯的差異項輸入參數。非設計關聯輸入參數主要有兩類，一類由實際項目條件讀取，比如運輸里程、標準層方量等；另一類采用基準值，是以歷年工廠成本測算樣本數據為基礎，結合生產條件得出，比如產線工人數、材料價格基準值、工具輔材費及生產管理費基準值等。

多組不同的設計方案可得出多組不同的差異項輸入參數，將各參數輸入數學計算公式中，即可得到各組設計方案所對應的構件成本，成本最低者即為經濟最優設計方案。

2.2 數學計算公式

預制疊合樓板的成本分析采用每立方構件的費用表達，其計算方法如下。

式中：C——預制構件成本，元/m3；H——混凝土及預埋件的費用，元/m3；G——含鋼量，kg/m3；g——鋼筋單價，元/kg；ρ——滿載率，%；a——運輸起步價，元；b——運輸單價，元/km；L——扣除起步里程以外的運輸距離，km；f——計劃生產標準層的構件方量，m3；γ——鋼筋混凝土密度，t/m3；W 為運輸車標準載重值，t/車；M——計劃生產標準層全套模具的費用，元；n——模具重復使用次數，次；Q——與產能有關的各項費用總和之基準值，元/m3；Pj——實際測算產能，m3/臺班；P0——額定產能，m3/臺班；h——預制板厚度，m；δ——模臺利用率，%；S——單張標準流水模臺面積，m2；D——工作臺班，一般按8h 計；ψ——項目之間切換模具影響系數；t——疊合樓板生產流水節拍，min；T——項目之間切換模具的周期，即換模周期，d。

可以看出輸入參數較多，計算較為復雜，數據量大，本研究采用了編寫智能小程序的方法，利用計算機程序進行計算，提高了工作效率與計算準確度。

3 結果驗證和討論分析

3.1 單個差異項輸入參數變化時

利用前述給出的計算公式，分析單個差異項輸入參數發生變化時構件成本的反應情況。僅改變單個差異項輸入參數，其余輸入參數保持相同。

3.1.1 含鋼量

含鋼量變化時，成本為輸出結果如圖4 所示，可知含鋼量與成本呈線性關系，成本隨著含鋼量的增加而上升。

圖4 成本與含鋼量關系

3.1.2 模具重復使用次數

模具重復使用次數變化時，輸出結果如圖5 所示，小于50 次時，下降斜率較大，且斜率逐漸減小，模具重復使用次數與成本呈非線性關系；大于50 次以后，斜率較小，呈線性關系，成本隨著模具重復次數的增加而下降。

圖5 成本與模具重復次數關系

3.1.3 滿載率

滿載率變化時，輸出結果如圖6 所示，可知滿載率與成本近似線性關系，成本隨著滿載率的增加而下降。

圖6 成本與滿載率關系

3.1.4 流水節拍

流水節拍變化時，輸出結果如圖7 所示，可知流水節拍與成本近似線性關系，成本隨著流水節拍的增加而上升。

圖7 成本與流水節拍關系

3.1.5 模臺利用率

模臺利用率變化時，輸出結果如圖8 所示，可知模臺利用率與成本近似線性關系，成本隨著模臺利用率的增加而下降。

圖8 成本與模臺利用率關系

3.1.6 分析討論

從上述結果中可以看出，構件成本變化趨勢與工廠實際經驗一致，且與歷史成本數據基本吻合，工廠在生產管理中也是以降低含鋼量、流水節拍，提高滿載率、模臺利用率、模具重復使用次數來控制生產成本。因此，可以采用此量化分析方案進行不同的設計方案比選。

3.2 不同的設計方案比選

在實際項目設計方案比選時，有可能出現單個差異項輸入參數變化，也有可能出現多個差異項輸入參數同時變化。接下來進行三種情況的設計方案比選量化分析驗證，一是不同的結構配筋方案比選，二是不同的拆分設計方案比選，三是標準化設計與非標準化設計比選。

3.2.1 不同的配筋方案比選

以實際高層住宅項目的一個標準層為例，選取了五種疊合樓板設計方案，分別為：

（1）單向板+預應力抗裂鋼筋+CRB600H 底筋。

（2）單向板+桁架鋼筋+CRB600H 底筋。

（3）雙向板+桁架鋼筋+CRB600H 底筋。

（4）單向板+桁架鋼筋+HRB400 底筋。

（5）雙向板+桁架鋼筋+HRB400 底筋。

上述設計方案在相同板厚且均滿足結構計算及規范要求，差異項輸入參數為含鋼量，分別為89、97、111、125、163，輸出結果如圖9 所示。

圖9 五種配筋方案成本對比

從圖9 可以看出，單向板+預應力抗裂鋼筋+CRB 600H 底筋的配筋設計方案成本最優，主要原因如下。

（1）單向板優于雙向板，減少了伸出拼縫的搭接鋼筋。

（2）預應力筋+馬鐙筋組合替代桁架鋼筋，同樣起到了增加預制疊合板剛度、強度、疊合面抗剪的作用，含鋼量明顯下降，說明預應力效率高。

（3）CRB600H 替代HRB400 鋼筋，構造配筋控制時的最小配筋率限值變小，當采用HRB400 時為0.179%，采用CRB600H 時為0.15%；計算配筋時，HRB400 鋼筋抗拉強度設計值為360MPa，CRB600H 鋼筋抗拉強度設計值為430MPa，有明顯提升，因而用鋼量降低，直接材料費相應降低。

3.2.2 不同的拆分設計方案比選

疊合樓板拆分設計方案有多種方法，需要綜合考慮流水模臺尺寸、構件運輸車尺寸、吊裝操作、結構受力情況等因素，可以拆分成單塊或者多塊拼接。較大板格拆分較常用的一種拆分方法是采用均分法，以6000寬為例，單向板設計時均分為三塊，即2000×3；也有的采用固定一種標志寬度拆分方法，比如固定寬度2400，上述板拆分為2400+2400+1200；筑友設計采用標準板組合拆分方法，即選取一定數量的固定寬度的板型，通過排列組合方式拼裝。

以高層住宅項目為例，分別采用上述三種拆分設計方案后，各差異項輸入參數如表2 所示，輸出結果如圖10 所示。

表2 不同拆分方法差異項輸入參數

圖10 三種拆分方案成本對比

從圖10 可以看出，采用標準板組合拆分設計方法的成本最優，主要是兩方面原因：①標準規格通用板的應用實現了大量的后續項目均能通用模具，延長了產線模具切換時間，提高了產能，因此制造費、人工費、折舊攤銷費、期間費降低，同時模具費用也相應降低。②通用板的規格是考慮了流水模臺尺寸、構件運輸車尺寸，基于最優模臺利用率、最優滿載率的目標經過大量數據測算總結得出的較優值，多個項目測算結果表明，標準+組合的方法與另外兩種拆分方法相比，以一個標準層計，預制板所用模臺數量可以減少1～2 張，運輸車可減少1 個車次，因此降低了制造費、人工費、折舊攤銷費、期間費、物流費。

3.2.3 標準化設計與非標準化設計方案比選

預制構件的標準化設計分為3 個層次：①建筑規劃方案設計階段的戶型標準化。②裝配式專項方案設計階段的拆分設計標準化。③預制構件詳圖深化設計階段的構件設計標準化。以高層住宅項目為例，選取了四種設計方案，分別為：

（1）戶型標準化+拆分標準化+構件標準化。

（2）戶型非標+拆分標準化+構件標準化。

（3）戶型非標+拆分非標+構件標準化。

（4）戶型非標+拆分非標+構件非標。

各差異項輸入參數如表3 所示，輸出結果如圖11所示。

表3 標準化與非標差異項輸入參數

從圖11 可以看出，戶型標準化+拆分標準化+構件標準化設計方案成本最優，主要原因如下：

圖11 四種設計方案成本對比

（1）戶型標準化是指在規劃方案設計時，大量復用同一個標準戶型。比如一個高層住宅項目有5 棟裝配式建筑，5 棟樓都采用同一個戶型明顯優于分別采用5個不同的戶型。主要體現在三個方面：①可以用高效流水節拍生產，5 棟樓共用同一組模具，共用同一組模臺，作業人員每天重復一樣的操作，熟練度高，效率非常高，因此大幅提升產能。②流水生產節拍與流水施工節奏契合程度高，現場施工周期大多5～6d 一層，而工廠生產節奏是一天一個標準層，5 天剛好可以生產5 個標準層，正好吻合施工進度要求，因此，同一標準層的生產模臺可以長時間連續生產，產線切換模具時間大大拉長，產能得到顯著提升，制造費、人工費、折舊攤銷費、期間費降低。③所有樓棟標準層相同，模具能完全共用，因此模具費用降低。

（2）拆分標準化是指在疊合樓板拆分設計時，采用標準規格通用板+組合拼裝的設計方法，通過對常見住宅戶型的梳理與統計分析，選定了一系列出現頻度較高的板格尺寸作為標準規格通用板，標準板的標志寬度尺寸為1100、1300、1600、1700、2100、2200、2400、2500、2600，經過測算分析，任意寬度大于3000 需要拆分的板格都可以從上述9 種標準板中組合拼裝而成，比如以3600 板格為例，雙向板設計時可以拆分成1700 標準板+1600 標準板+300 寬拼縫，也可以拆分成2200 標準板+1100 標準板+300 寬拼縫，實現任意板格的標準化組合。

（3）構件標準化是指在疊合樓板生產詳圖設計時，通過統一細部構造、出筋間距、鋼筋網格形成標準的設計方法。主要體現在兩個方面：①細部構造、出筋間距統一標準以后，實現了模具通用復用，模具費降低。②鋼筋網格標準化可以采用智能網片機自動化生產，取代傳統直條鋼筋人工綁扎方式，鋼筋制作及安裝效率大大提升，流水節拍大幅縮短。

4 結語

從上述研究分析可得出結論：本研究提供了一種有效的設計方案比選量化分析方法，可用于預制構件設計時進行多組方案比選，解決了當前成本測算的滯后問題，實現了在設計方案階段就測算預制構件成本，直接通過評價計算出來的成本指標來選擇最優的設計方案。同時，在應用本研究提供方法分析時，需要收集和處理大量的數據信息，也需要采集眾多的歷年樣本，如果采用傳統人工統計與計算方式，工作量巨大；因此，建議采用編寫智能計算機程序輔助進行處理，可取得更高的效率和更精準的計算結果[4]。

誠然，本研究還需要進一步完善與改進，本文只研究了疊合樓板這一類預制構件，預制樓梯、預制剪力墻、預制非承重墻、預制陽臺、預制柱、預制梁等各類構件有待下一步深入研究；另外，本研究提供的方法需要用到大量生產歷史數據，海量數據的實時更新以及保證數據的有效性、準確性，也是后續需要深度思考與研究的事情；最后，本研究提供的方法與預制構件生產方式、運輸方式、施工方式密切相關，隨著相關作業方法的升級或改變，測算方法也需要相應改進與完善，后續將會持續深入地開展相關研究工作。