預(yù)制裝配式建筑設(shè)計要點解析探討

文／魯麗娜、毛澤豐 浙江省工業(yè)設(shè)計研究院有限公司 浙江杭州 310000

引言：

建筑行業(yè)作為推動社會經(jīng)濟快速發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，直接影響到人們的生活質(zhì)量和經(jīng)濟發(fā)展層次。預(yù)制裝配式建筑作為建筑產(chǎn)業(yè)當(dāng)中新型的建設(shè)形式，在實際的發(fā)展過程中具有批量化和集成化生產(chǎn)的優(yōu)勢，通過生產(chǎn)廠家將建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中各個不同部位的構(gòu)件批量生產(chǎn)，然后直接運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場來進行安裝。這種建筑施工模式具有施工周期短、經(jīng)濟效益高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，同時也對方案設(shè)計質(zhì)量提出了較高要求。通過總結(jié)預(yù)制裝配式建筑設(shè)計過程中的注意要點，希望可以為設(shè)計體系的不斷完善提供有效參考，提升預(yù)制裝配式建筑施工結(jié)果的可靠性。

1、預(yù)制裝配式建筑應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 經(jīng)濟成本較低

在傳統(tǒng)建筑工程的施工中，需要投入數(shù)量眾多的人力成本、物力成本、時間成本、安全成本、管理成本等，尤其是在建筑工程施工規(guī)模、施工高度不斷增大的情況下，不確定成本也會不斷增多，從而影響到建筑工程的經(jīng)濟效益。預(yù)制裝配式建筑的應(yīng)用，則具備了經(jīng)濟成本較低的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾方面：（1）預(yù)制件都是在工廠中進行集中制作，整個制作過程流程化，能夠減少預(yù)制件生產(chǎn)過程的材料浪費，降低材料成本支出。（2）在預(yù)制構(gòu)件的方案設(shè)計過程中，會利用BIM技術(shù)對各項參數(shù)進行優(yōu)化，這樣也可以盡量避免可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，減少預(yù)制件返工成本。（3）在裝配式建筑工程施工期間，可以同步進行預(yù)制構(gòu)件制作、現(xiàn)場支架搭設(shè)等工作，從而減少工程時間成本，增加工程所帶來的綜合效益。

1.2 資源能耗更低

在建筑工程施工過程中，會消耗大量能源，而預(yù)制裝配式建筑的應(yīng)用，能夠基于信息技術(shù)對建筑工程綜合效益進行客觀評估，并且在兼顧經(jīng)濟效益的同時，減少工程能源損耗量，促進建筑工程的可持續(xù)發(fā)展。例如，在施工過程中，建筑使用的材料種類日益增多，增加了材料的管理難度，若材料出入庫管理、生產(chǎn)管理存在不足，也會帶來材料浪費的問題，增加資源損耗；而在預(yù)制件建筑工程施工過程中，雖然依舊使用鋼筋混凝土作為主要原材料，但是大部分結(jié)構(gòu)都是在工廠內(nèi)進行統(tǒng)一制作，借助完善的管理體系和生產(chǎn)體系，可以最大限度降低制作過程中的能源損耗，有效改善工程的施工環(huán)境，達到更好預(yù)期的環(huán)保效果。

1.3 施工效率更高

在傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑施工中，需要投入較多的時間成本，例如，在鋼筋混凝土樓板施工中，從澆筑到完成養(yǎng)護、拆除模板、進入下階段施工，時間周期不低于20d，并且在樓板澆筑完成到養(yǎng)護結(jié)束期間，也會在一定程度上干擾到其他施工活動的進行，影響到整個工程的施工進度。而預(yù)制裝配式建筑工程的應(yīng)用，可以在完善的預(yù)制技術(shù)的輔助下，縮短建筑工程封底、樓板安裝、墻面安裝等環(huán)節(jié)的時間，有效加快建筑工程的施工進度。另外，在裝配式建筑工程的施工中，多依靠裝配技術(shù)、吊裝技術(shù)來對預(yù)制件進行安裝，也可以有效提升施工結(jié)果的可靠性，更好地滿足建筑工程施工要求。并且在預(yù)制裝配式建筑工程的施工中，也可以添加保溫、隔音等材料，在確保建筑工程性能與質(zhì)量的同時，提高建筑工程的保溫性與隔音效果。

2、預(yù)制裝配式建筑常用結(jié)構(gòu)

2.1 預(yù)制剪力墻板

如圖1所示，目前常用的預(yù)制剪力墻外墻板主要為夾芯墻板，自外向內(nèi)包括外頁板、保溫板和內(nèi)頁板三層。從整體上看，外墻板的上下口構(gòu)造形式仍然保留了上世紀預(yù)制大板建筑中預(yù)制墻板上高下平的形式，即外墻板下口的內(nèi)頁板和保溫板與下層樓板的上表面平齊，外頁板下緣略有降低，起滴水作用；將外墻板上口的外頁板與保溫板拉高至與樓板的構(gòu)造上表面平齊，方便將預(yù)制樓板搭接在內(nèi)頁板上，外頁板上端略有降低，以便于與上層墻板咬合，可以從外立面上防止樓板外露，從而減小排水需要分層處理而帶來的難度，并規(guī)避冷橋的產(chǎn)生。在預(yù)制外墻板的制作中，所使用的預(yù)埋件會集中埋設(shè)在內(nèi)頁板中，而墻板的上方與兩側(cè)也會對外伸出預(yù)埋件和鋼筋（外露深度不低于10cm），而且為了避免鋼筋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受力偏差的問題，在前期預(yù)制過程中也會采用錯位分布的方式來預(yù)埋鋼筋。另外，在預(yù)制剪力墻板的制作中，也會在內(nèi)頁板上預(yù)設(shè)套筒灌漿口和預(yù)埋鐵件等結(jié)構(gòu)，預(yù)制件之間也會利用灌漿的方式進行連接，以提升預(yù)制剪力墻板的質(zhì)量。

圖1 預(yù)制剪力墻板示意圖

2.2 預(yù)制樓板

在預(yù)制裝配式建筑工程的施工過程中，預(yù)制樓板也是經(jīng)常應(yīng)用到的結(jié)構(gòu)。目前常用的預(yù)制板類型為預(yù)制大樓板、桁架鋼筋混凝土疊合板等，前者多用于大板建筑工程，如商場、工廠等；后者多用于民用建筑、辦公建筑工程，屬于半預(yù)制結(jié)構(gòu)。以桁架鋼筋混凝土疊合板為例，在施工時會結(jié)合預(yù)制和現(xiàn)澆兩種方式進行施工，在工廠預(yù)制環(huán)節(jié)，會制作預(yù)埋鋼筋桁架的薄混凝土板，利用吊裝設(shè)備將薄混凝土板吊裝到合適位置后，再進行現(xiàn)澆作業(yè)，以此來確保樓板上下表面的平整性，同時也可以起到提升建筑整體性的作用。

2.3 預(yù)制樓梯

在預(yù)制裝配式建筑工程中，也經(jīng)常采用預(yù)制樓梯。在以往的施工過程中多采用現(xiàn)澆樓梯，制模、拆模均需要耗費較多時間，從而影響到了整個工程的施工進度。而采用預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)，在施工過程中，會根據(jù)提前擬定好的預(yù)制方案來建立模板，拆模時的底模、側(cè)模可以繼續(xù)保留并進行使用，從而節(jié)省了較多的時間成本。在預(yù)制樓梯的制作中，也需要在梯段底部、頂部和梯段側(cè)面采用錯位分布的方式來預(yù)留預(yù)埋件和鋼筋（外露深度不低于10cm）。利用吊裝設(shè)備將薄混凝土板吊裝到合適位置后，再進行現(xiàn)澆作業(yè)，以此來確保銜接位置的穩(wěn)固性，提高建筑結(jié)構(gòu)的完整性。

3、預(yù)制裝配式建筑設(shè)計流程

3.1 方案設(shè)計

進行預(yù)制裝配式建筑設(shè)計時，首要任務(wù)便是做好方案設(shè)計工作，這也是后續(xù)圖紙細化的重要保障。在具體的設(shè)計活動中，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）需要對工程項目建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)要求、項目定位、框架結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)功能等內(nèi)容進行整理，同時也需要做好預(yù)制構(gòu)件加工性能、構(gòu)件施工工藝等內(nèi)容的綜合性考量，根據(jù)綜合分析結(jié)果來完成預(yù)制裝配式建筑立面結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)形式等內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。（2）對各部位預(yù)制構(gòu)件的尺寸、外觀質(zhì)量、性能要求等內(nèi)容進行整理，并以此來確定預(yù)制件的安裝方式和位置，同時對預(yù)制構(gòu)件的工程總量、工程造價進行初步預(yù)估，并擬定完善的預(yù)制件設(shè)計方案。（3）擬訂方案時需要做好建筑立面和建筑平面的協(xié)調(diào)處理，各節(jié)點的制定也需要契合建筑項目要求，這樣也可以在確保建設(shè)質(zhì)量的同時，實現(xiàn)同尺寸、同類型預(yù)制件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，更好地滿足建筑工程作業(yè)要求。

3.2 圖紙設(shè)計

完成設(shè)計方案并校核其合理性之后，進入到圖紙設(shè)計階段。在具體的設(shè)計過程中，需要對設(shè)計方案中的工作重點、設(shè)計要求等內(nèi)容進行整理，并完成各個分支系統(tǒng)布局、相關(guān)技術(shù)、預(yù)制構(gòu)件參數(shù)等內(nèi)容的論證，查看各個模塊之間是否處于相互協(xié)調(diào)的狀態(tài)。在BIM技術(shù)應(yīng)用背景下，可以通過碰撞實驗、參數(shù)校核等途徑來校核各項參數(shù)的匹配度，對于不匹配的內(nèi)容也需要進行及時修正，提高這些內(nèi)容相互之間的協(xié)調(diào)性。例如，在對墻體、樓板、梁柱等預(yù)制結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，利用BIM技術(shù)來進行建模，在模型中對不同結(jié)構(gòu)的種類、尺寸這些參數(shù)進行細致化分析，并對圖紙中存在不足的內(nèi)容進行優(yōu)化設(shè)計和深度設(shè)計，這樣也可以確保不同預(yù)制構(gòu)件在應(yīng)用中可以同時滿足多結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工要求，不斷拓展同屬性預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用范圍。管線預(yù)留設(shè)計、模板結(jié)構(gòu)預(yù)制等環(huán)節(jié)也需要遵循一體化的原則，有序開展工程計算和測驗工作，以此來提高不同施工模塊之間的適應(yīng)性，從而優(yōu)化拓展不同預(yù)制構(gòu)件的使用途徑。

3.3 方案設(shè)計向圖紙設(shè)計過渡

在設(shè)計活動中做好方案設(shè)計向圖紙設(shè)計過渡屬于非常重要的工作內(nèi)容，這也是提升設(shè)計內(nèi)容轉(zhuǎn)化率的重要基礎(chǔ)。方案的具體建設(shè)活動中，需要做好技術(shù)語言的合理利用，并將其順利轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的初步設(shè)計，所有的設(shè)計內(nèi)容都需要在初步圖紙中進行體現(xiàn)。在具體的初步設(shè)計活動中，需要對建筑工程功能性進行討論，以此來完成預(yù)制構(gòu)件加工方案的初步規(guī)劃設(shè)計。同時，設(shè)計活動中也需要做好平面設(shè)計，參考統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)完成平面設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成設(shè)計圖紙的細化處理，提高精確化施工結(jié)果的合理性。需要注意的是，初步設(shè)計的過程中，需要做好多組合共同設(shè)計的方式，盡量規(guī)避定制化預(yù)制構(gòu)件的使用，以提高裝配式建筑設(shè)計結(jié)果的合理性。

4、預(yù)制裝配式建筑設(shè)計要點

4.1 建筑立面設(shè)計

在開展裝配式建筑設(shè)計活動時，建筑立面合理化設(shè)計屬于非常基礎(chǔ)的工作內(nèi)容。在具體的設(shè)計過程中，需要充分突出其審美特性，并以此為基礎(chǔ)來完成立面結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮出裝配式建筑工程的應(yīng)用優(yōu)勢。可以通過以下幾方面展開設(shè)計：（1）對多樣化組合形式進行應(yīng)用，充分利用預(yù)制構(gòu)件的形態(tài)特征，對其進行不同形式的排列，使建筑形體三維視覺效果可以得到充分體現(xiàn)，同時也滿足了建筑的獨特性要求。（2）做好建筑層次的打造工作，在建筑立面的設(shè)計中，包括建筑外墻、女兒墻、陽臺、空調(diào)板等結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)形態(tài)也會直接影響到立面設(shè)計效果，對此在設(shè)計活動中也需要綜合考慮不同結(jié)構(gòu)尺寸、形態(tài)上的搭配方法，以此來豐富度立面結(jié)構(gòu)層次，這也為預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)創(chuàng)造相應(yīng)的便利條件，以提高所設(shè)計內(nèi)容的合理性與可靠性。（3）在設(shè)計中也需要做好質(zhì)感元素、色彩元素、紋理元素的合理化融入，不斷提升立面設(shè)計結(jié)果的審美性。目前常用的立面施工材料有鋼筋混凝土、裝飾混凝土、瓷板材料等，利用這些材料自身紋理、質(zhì)感的不同，來建立合理的裝飾立面，以滿足不同情況下的建筑要求。

4.2 建筑平面設(shè)計

在裝配式建筑設(shè)計過程中，也需要做好建筑平面的設(shè)計工作，在具體的設(shè)計過程中需要注意以下內(nèi)容：

在平面設(shè)計時需要遵循協(xié)調(diào)性設(shè)計原則，基于得到的可靠數(shù)據(jù)，對相關(guān)內(nèi)容進行多次測量、客觀評估、綜合比對，從而找到最為合適的應(yīng)用尺寸和設(shè)計方案，充分利用裝配式建筑的應(yīng)用優(yōu)勢，提高建筑工程的施工質(zhì)量，降低工程的建設(shè)的成本。例如，在設(shè)計活動開始前，需要根據(jù)建筑的功能分布情況，對整個空間進行合理劃分，根據(jù)劃分結(jié)果來完成各模塊類型的優(yōu)化設(shè)計，得到最優(yōu)化的模塊組合方式。

在平面設(shè)計活動中，會按照標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊、單元模塊的順序來展開平面化設(shè)計，并且，設(shè)計原則也需要和工業(yè)化生產(chǎn)要求保持一致，提升設(shè)計結(jié)果的統(tǒng)一性。例如，在大空間布局中，需要基于實際情況，對承重墻體、陽臺、管線等結(jié)構(gòu)布局位置進行靈活調(diào)整。并且在滿足工程質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減輕建筑工程自重，降低對承重結(jié)構(gòu)的壓力，為隔板拆除工作的順利推進創(chuàng)造便利條件。

4.3 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計

在預(yù)制裝配式建筑工程的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)連接設(shè)計也屬于非常重要的設(shè)計內(nèi)容，構(gòu)件相互間連接方式的選擇，直接影響到構(gòu)件連接結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)性與穩(wěn)定性。以預(yù)制剪力墻外墻板為例，在此類墻板的設(shè)計中，根據(jù)其形狀可以細分為L型、一字型和T型3種（如圖2所示），在對其連接節(jié)點進行設(shè)計時，需要對其具體的施工過程進行梳理，即連接節(jié)點位置會在施工時插入縱向鋼筋，搭配箍筋結(jié)構(gòu)將縱向鋼筋和預(yù)埋吊筋關(guān)聯(lián)在一起，穩(wěn)定后再進行澆筑。那么在前期設(shè)計活動中，需要做好預(yù)埋吊筋長度、位置、布置形式進行確定，使其更加貼合現(xiàn)場實際需求，提高設(shè)計結(jié)果的可靠性。需要注意的是，在L型墻板連接節(jié)點的設(shè)計中，由于此類墻板結(jié)構(gòu)特殊性，在設(shè)計時也需要標(biāo)記預(yù)制外墻模板的具體位置，從而形成滿足現(xiàn)場澆筑作業(yè)的封閉區(qū)域，以提高結(jié)構(gòu)連接結(jié)果的可靠性[1]。

圖2 預(yù)制剪力墻連接點結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 建筑管線設(shè)計

在建筑工程施工過程中，伴隨著許多管線系統(tǒng)的施工，如給水管道、排水管道、供暖管道、供氣管道、供電管道等，這些管道在施工時存在穿墻、交叉作業(yè)等情況，這也需要在設(shè)計環(huán)節(jié)做好建筑管線設(shè)計，確保管線施工過程的有序性。在具體的設(shè)計過程中，需要做好部門作業(yè)間的配合，做好管線系統(tǒng)位置、具體走向、預(yù)留孔位置等內(nèi)容的綜合考量，提高設(shè)計內(nèi)容的合理性。例如，在管線預(yù)留設(shè)計活動中，需要注意以下內(nèi)容：做好不同管道線路分布區(qū)域、具體位置等內(nèi)容的系統(tǒng)分析，搭配BIM技術(shù)所建立的三維模型，完成設(shè)計管線預(yù)留方案，基于模型來校核參數(shù)合理性，滿足要求后進入到下一施工環(huán)節(jié)。根據(jù)裝配式建筑的相關(guān)要求，對于管線預(yù)留內(nèi)容的合理性進行客觀評估，以此來防止結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理帶來的功能干擾問題，提高所設(shè)計內(nèi)容的合理性[2]。所有設(shè)計內(nèi)容完成后，也會利用BIM技術(shù)來進行碰撞實驗，根據(jù)實驗結(jié)果來判斷設(shè)計中是否存在不合理的內(nèi)容，及時進行內(nèi)容修正，提高設(shè)計方案的可行性。

4.5 吊裝設(shè)備設(shè)計

在預(yù)制構(gòu)件的安裝過程中，吊裝設(shè)備屬于非常重要的工作載體，做好吊裝設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計，這也是確保后續(xù)施工活動可以有序推進的基礎(chǔ)條件。在設(shè)計過程中，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）需要綜合考慮預(yù)制構(gòu)件的基礎(chǔ)參數(shù)（如重量、體積等），以此來選擇相應(yīng)噸位的吊裝設(shè)備，如目前使用較多的龍門吊，可根據(jù)實際情況來選擇相應(yīng)噸位的龍門吊（噸位超過標(biāo)準(zhǔn)噸位的20%），為后續(xù)施工活動的推進奠定基礎(chǔ)[3]。（2）做好吊裝設(shè)備位置的合理布局，建筑工程現(xiàn)場會擺放許多的施工設(shè)備，并且為了加快作業(yè)進度，都會選擇多區(qū)域同步施工的方式，這也要求吊裝設(shè)備所在位置在滿足安全要求的基礎(chǔ)上，可以盡量輻射到更多區(qū)域，以此來降低施工現(xiàn)場的擁擠度，加快預(yù)制構(gòu)件的施工速度。

4.6 構(gòu)件參數(shù)設(shè)計

除上述提到的設(shè)計內(nèi)容外，做好構(gòu)件參數(shù)設(shè)計也非常重要。在預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計過程中應(yīng)滿足規(guī)范化要求，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況合理選擇預(yù)制構(gòu)件尺寸、外觀與性能，這樣也可以提升預(yù)制構(gòu)件的適應(yīng)性，降低后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝時的復(fù)雜程度，從而起到節(jié)約工程建設(shè)成本的作用。在設(shè)計中，需要先對結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高的構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，并且選擇最為合適的方法來強化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，避免運輸和安裝時出現(xiàn)構(gòu)件損壞問題。在設(shè)計時也需要做好構(gòu)件抗震性能、防火性能、耐久性等參數(shù)的綜合考量，借此來提高構(gòu)件的可靠性[4]。另外，對于一些特殊部位的構(gòu)件，如廚衛(wèi)區(qū)域的預(yù)制構(gòu)件，需具有較強的防潮性、防水性，這也是前期設(shè)計中需重點考量的內(nèi)容。

結(jié)語：

綜上所述，預(yù)制裝配式建筑具有施工效率高、施工成本低等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在許多工程項目施工中得到了應(yīng)用，本次通過整理預(yù)制裝配式建筑設(shè)計時需要注意的內(nèi)容，希望可以提高設(shè)計方案的合理性和可行性，能對加快工程施工進度起到積極的促進作用。