基于BIM技術的裝配式建筑標準化設計與節能降耗路徑研究*

武 琳 李忠秋

（1.吉林農業科技學院，吉林 吉林 132000；2.吉林澤信房地產有限公司，吉林 吉林 132000）

中國建筑業已經進入綠色化、工業化、信息化發展的關鍵時期，裝配式建筑是實現建筑工業化的重要途徑之一，可以有效促進節能減排、全面提升建筑品質、縮短工期、提高建筑工業化水平。相對于傳統的現澆鋼筋混凝土結構，裝配式建筑在設計、施工、裝修、驗收和管理層面均具有很大優勢。一體化、信息化協同設計保證了工程質量；工程總承包管理，可以使全過程追求整體效益最大化；裝配化、專業化、精細化程度高，裝修與主體結構同步的特點又保證了工程效率。

裝配式建筑具有五大特征，分別是標準化、工廠化、裝配化、一體化和信息化，其中，標準化是其他幾個特征的基礎和核心。在裝配式建筑標準化設計的研究上，我國還處于起步階段，目前還沒有關于標準化設計的相關規范和標準，雖然國內的預制裝配式結構技術和結構體系已出現很多，但是裝配式結構的設計標準化概念仍然不強，一些工程項目為了預制而預制，反而造成大量資源的浪費和成本的增加。為了提高建造效率、降低生產難度、減少生產成本，提高建筑產品質量，建筑工業化必須遵循標準化的原則，逐漸實現構件標準化和建筑體系標準化，是裝配式結構設計的趨勢。

1 裝配式建筑體系在多層住宅中應用的可行性

1.1 不同結構體系在多層住宅中的應用分析

按承重結構所用的材料劃分，現有多層住宅常用的結構體系包括磚混結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構。在磚混結構中，由于墻體既是承重構件又是圍護構件，住宅的戶型和布局受到墻體的限制，室內空間不夠靈活，無法滿足購房者的多樣化需求，因此逐漸被鋼筋混凝土結構所取代。鋼筋混凝土結構比磚混結構強度高，抗震性能好，整體性強，并且室內空間分隔相對自由，開間和進深相對較大，是目前常用的多層住宅結構體系。

隨著城市化進程的加速以及人們生活水平的提高，越來越多的購房者偏愛大開間的客廳布局，對住宅戶型的功能性提出了更高的要求。鋼筋混凝土結構與磚混結構相比，雖然有著很大的優勢，但受到材料性質的影響，大開間、大進深的房屋勢必要增大柱子的截面面積、梁的高度和板的厚度，使得結構面積占用了室內使用空間。梁柱外露又影響了室內的美觀，加大了后期改造的難度。因此，大跨度、便于后期戶型改造、減少梁柱節點外露是目前亟須解決的問題。

鋼結構是彌補鋼筋混凝土結構不足的較為有利的解決方案。目前，鋼結構廣泛應用于大型廠房、場館和超高層建筑中，在多層住宅中應用較少，究其原因主要有兩個方面：其一是與傳統的磚混結構、鋼筋混凝土結構相比，造價相對較高；其二是受到制作以及安裝的影響，鋼結構住宅質量問題時有發生，且技術體系沒有前兩者成熟，導致鋼結構在住宅應用比例偏低。

近幾年，隨著中國經濟逐步向高質量發展，中國鋼材需求處于減少和調整階段。與此同時，供給側仍在不斷增加，導致出現鋼產能過剩的局面，建筑業作為鋼材的需求大戶，在鋼材內銷方面有著重要的調節作用。推動多層鋼結構住宅發展，一方面可以推動鋼鐵工業發展，另一方面有助于鋼結構建筑的規?；a，構建完善的技術體系，減少生產成本，兩者相輔相成，對建筑業和鋼鐵產業發展均有重大意義。

鋼框架結構體系常用在多層住宅中，該體系中梁柱為承重構件，其截面尺寸小，節省結構面積，增加建筑物使用面積達4%～8%，而墻體主要承擔圍護及分隔作用，室內空間靈活性較大，經濟效益較高。此外，鋼結構住宅抗震性能好，整體性高，自重輕，與同面積的建筑樓層相比，重量可減輕30%。

裝配式鋼結構是鋼結構體系中的一個分支，由于施工方法的改變，使其應用在住宅建筑中的優勢愈發明顯。首先，與裝配式混凝土結構相比，裝配式鋼結構的部品部件運輸便捷，采用干式連接工藝使安裝工作量減少，提高施工效率，縮短工期，提高資金周轉率，進而提高經濟效益和社會效益；其次，裝配式鋼結構質量控制精度高，管線布置方便——鋼梁允許小口徑孔洞，便于電氣管線穿越，從而增加建筑凈高；再者，由于鋼材本身的特性，便于后期改造、材料拆除和回收，在拆除的過程中成本低，污染小。綜上所述，裝配式鋼結構應用在多層住宅建筑中有著明顯的優勢和可行性。

1.2 現有裝配式多層住宅設計中存在的問題

受傳統現澆建筑的影響，裝配式多層住宅一直存在實用性、美觀性和裝配化之間的矛盾，主要表現為以下三點：

（1）住宅體型復雜，未有效利用模數化理念，生產效率低。由于生活習慣、采光通風和建筑個性化的要求，建筑設計師通常會采用墻體錯位變化、角度轉折等處理手法，由此產生了不規則的平面形式，導致施工難度加大，構件規格種類較多，通用性降低，不利于鋼結構住宅戶型的施工，增加建造成本。

（2）過度考慮模塊化設計，戶型缺少靈活性，同時減少了空間的實用性，造成室內空間利用率降低，個性化不足，不滿足人們對住宅建筑的需求。

（3）以傳統現澆建筑體系的思路進行設計，未結合裝配式自身特點，為了裝配而裝配，使設計與生產、施工嚴重脫節，導致在拆分設計中出現困難，增加生產成本和施工難度，違背了建筑工業化的初衷。

要解決以上問題，就要構建裝配式建筑標準化設計體系，嚴格遵守標準化設計思路和設計方法，在實踐中不斷地更新和完善具體的實施路徑。

2 多層裝配式建筑標準化設計

2.1 標準化設計方法

標準化設計方法即是采用標準化的構件組合成標準化的模塊，進而組合成標準化的戶型。雖然在此過程中使用的是標準化的處理方法，但通過不同的組合形式能夠得到多樣化的建筑產品。在設計過程中，首先將建筑整體劃分為若干層，根據不同的使用功能將每一層劃分為不同規格尺寸的模塊，再將每一種模塊分解成不同類型和尺寸的構件，最后將構件按照戶型、單元、層的邏輯順序組合起來，最終形成整棟建筑。需要注意的是，在層層劃分的過程中要注重規格和類型盡量縮小，保證構件的通用性，實現效益的最大化。

利用BIM技術可以很好地解決裝配式建筑標準化設計問題，基于BIM的裝配式建筑設計方法能夠將標準通用的構件統一在一起，形成預制構件庫，在下次設計時可以直接套用構件庫里的信息，減少了設計成本和時間成本。此外，成熟的BIM建模技術可以直觀地反映出模塊的組合效果，戶型的實用性，為施工提供參考。

2.2 模塊化設計

模數和模數協調是建筑工業化的基礎，聯系著設計、施工、運輸、安裝、運營等各個環節，使不同流水線批量生產出來的構件和部品能夠有效組合在一起，避免交叉和碰撞。設計階段合理布局，應用建筑模數協調統一標準，能夠有效減少部件規格和種類。

2.2.1 功能模塊設計

根據走訪調查采集的數據顯示，住宅中不同功能房間的尺度基本滿足3M的模數（1M=100mm）?？蛷d作為家人休息和會客的場所，占據較好的位置，隨著人們生活習慣的改變以及對住房更高層次的需求，客廳還兼顧了書房、娛樂等其他功能，使得開間、進深在近幾年的設計中有擴大的趨勢。同時，敞開式廚房成了廚房設計的主流，與餐廳、客廳融為一體，增加了住宅的進深尺寸。對于廚房的設計，也不僅僅局限于傳統的中廚，西廚的加入豐富了廚房的功能，對空間的需求也更高。

臥室的面積在近幾年的住宅設計中有減少的趨勢，小戶型和緊湊型布局使得臥室在整個套內面積中所占比例較少。究其原因，一方面是擴大客廳面積帶來的后果，另一方面是傳統設計理念的影響。隨著科技的進步，智能家居逐漸改變人們的生活方式，融入住宅設計中，在房間的尺度方面，要充分考慮智能產品的使用空間，滿足人們多樣化的需求。

結合上述調查數據以及人們對房間功能上的需求，依據建筑模數協調理念，統一相關尺寸，設計臥室、廚房、客廳、餐廳、衛生間、陽臺和樓梯等功能模塊。

2.2.2 模塊化組合——戶型設計

隨著城市化進程的加快，一、二線城市更好的就業機會吸引了大批的年輕人，而居高不下的房價一直是擺在購房者面前的難題，橫在城市和家之間。據調查顯示，2020年北京首次購房年齡為35.5歲，上海為36.7歲，天津為37.5歲，購房難的問題使新入人口的租房周期達到了10年以上。2020年，杭州、上海等地出現長租公寓暴雷事件使租房問題再次高調地呈現在大眾的視野中，想要解決這一問題，緊湊型公寓和公租類保障性住房是有效途徑之一。

在進行戶型設計時，要充分考慮購房者的需求以及未來的人口趨勢。多層住宅的平面類型有獨立單元式和通廊式，通廊式又包含內廊式和外廊式。獨立單元式有利于通風、采光，且平面布置靈活，體形美觀，是多層住宅中常用的布置方案。內廊式的特點是各個套型住宅的入戶門均朝向建筑中部，與走道、公共樓梯相連，各戶之間干擾大，部分套型朝向較差。外廊式的特點是建筑物的外墻一側是公共走廊，通過走廊進入各個房間，雖然各套型之間略有干擾，但每套均可占用建筑物的全部進深，從而獲得較好的朝向和采光，此外公共走廊也可作為活動場所加以利用。本設計中采用外廊式布局進行公寓設計，如圖1所示。

圖1 模塊拼接與戶型設計

2.2.3 構件拆分規劃，建立預制構件庫

從結構受力的合理性和經濟性分析，鋼結構柱網以6m～9m為宜。通常鋼結構中梁的高跨比為1：15～1：20，隨著跨度的增大，梁的高度也隨之增大，為了滿足開窗及使用要求，結合各使用空間的開間和進深尺寸，按照建筑模數協調的設計原則，選取6M為柱網的基本模數，以此進行部件設計，建立預制構件庫，包括預制外墻板、預制內墻板、疊合樓板、整體衛浴等，如圖2所示。

圖2 整體衛浴

3 多層裝配式建筑節能降耗路徑分析

據相關數據顯示，2016年中國建筑能源消費總量為8.99億噸標準煤，占全國能源消費總量的20.6%；建筑碳排放總量為19.6億噸CO2，占全國能源碳排放總量的19.4%。而2018年全國建筑能耗總量達到21.47億噸，占全國能源消費總量比重為46.5%；建筑碳排放總量為49.3億噸CO2，占全國碳排放的比重為51.3%。為盡早實現碳達峰、碳中和目標，建筑節能是首要解決的問題之一。

建筑外墻是建筑節能設計的重要組成部分。目前，裝配式結構中外圍護墻體有兩種形式，一種是混凝土剪力墻外墻，用于裝配整體式剪力墻結構中；另一種為外掛墻板，用于框架結構中，只起圍護作用。兩種墻體在構造中均嵌入了保溫材料，形成了自保溫墻體。在實際應用中，兩種墻體都表現出一定的節能問題。

在鋼框架結構體系中，除墻體外，其他構件均為鋼梁和鋼柱，墻體和梁柱間存在很大的熱橋，在使用過程中容易產生結露現象。通常做法是在外墻進行外保溫處理，但此種處理方式增加了墻體厚度，在套內面積的約束下，使得實際使用面積減少。而在裝配整體式剪力墻結構中，相鄰預制構件之間往往采用后澆混凝土進行濕式連接，雖然外葉墻體能夠達到良好的保溫效果，但接縫處仍然沒有完全阻斷熱橋。

裝配式建筑是建筑產業轉型升級的關鍵所在，而節能降耗又是裝配式建筑發展的目標之一。在裝配式建筑節能方面，首先應發揮政府的主導作用，用政策引導制定裝配式建筑節能設計標準，完善技術體系；其次發揮市場作用，重視節能設計方法和設計理念，形成建筑節能的完整產業鏈體系，從設計出發，落實到生產、施工、后期運營的各個環節；最后，技術創新是關鍵所在，高校、設計單位和企業應充分聯動，發揮各自優勢，攻堅克難著力解決裝配式建筑節能問題。