新型工業建筑設計探析
——以工業4.0下智慧工廠的規劃與建設為例

廖小明

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在2013年漢諾威工業博覽會上，德國率先提出工業4.0戰略，隨后，在2015年5月，國務院正式印發《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略[1]。我國制造業規模已連續多年保持世界第一，在驅動經濟發展、參與國際競爭中發揮著不可替代的重要作用[2]。因此在發展工業4.0的時代背景下如何提升制造業的智能化水平，建立具有適用性、效率性及自我學習性的新型工業建筑（智慧工廠）就顯得至關重要。

1 新型工業建筑（智慧工廠）設計要點

新型工業建筑與傳統工業建筑在設計要點上雖有相似但又不盡相同，傳統工業建筑多為勞動密集型，即人為第一生產力，所涉及的空間布局及生產要素大多圍繞人而展開，工人是設計開展的核心。而以智慧工廠為首的新型工業建筑則是以科學技術為第一生產力，采用整套智能化設備代替人工進行生產活動。因此需要在建筑設計過程中要充分考慮能智能化生產設備的兼容性與靈活性。

2 總平面及場地設計原則

在廠區總平面布局中首先要明確工廠的組成內容（建筑物、構筑物及設施等），總平布局可分為有機分散與綜合緊湊兩種。分別以南方兩工業項目為例，案例一為佛山國星光電吉利產業園項目（圖1），園區位于城郊，用地面積5.5萬m2總建筑面積19萬m2。主要建筑單體為研發辦公樓（兼顧生產）、餐廳及員工宿舍、生產車間及相關設備用房。建筑群呈東西向排布，場地由南北向市政道路分為東西兩塊，東邊設置科研辦公及配套宿舍，西區為生產車間，建筑間通過二層連廊相連。在總平面上形成了東部辦公/生活公建組團和西部生產/設備工業組團的平行式規劃布局結構模式。兩大組團長邊相連，既能相對獨立又互有聯系，通過在組團間設置環形車道結合二層人行連廊形成的立體式水平交通有機的實現了人車分流（車下人上）。總體而言，平行式平面布既能體現建筑的獨立運營和又能滿足使用者間的有機聯系，屬于合理的分散式布局工業園區。

圖1 佛山國星光電吉利產業園項目

案例二為某智能基地制造項目（圖2），項目位于城市近郊，用地面積1.9萬m2總建筑面積12萬m2，建筑主要功能為智能設備的研發與生產。該工業項目用地緊湊且容積率較高（4.5），因此在總平布局上采用了商業綜合體設計手法，東塔科研辦公西塔生產制造，兩塔樓通過裙樓組合坐落在場地中心。基地四周設置環形車道，人行出入口設在西南側，貨物出入口設在東南側，該處理能在用地緊湊的條件下實現較好的人車分流效果。

圖2 智能基地制造項目

因此，總圖規劃布局結構形式應根據用地條件及生產工藝來確定，同時對于新型智慧工廠除了原有的產業工人外更多的是引入了大量的科研辦公人員，即在工業功能外賦予了額外的辦公屬性，因此設計上應充分考慮人車分流。

3 水平空間設計原則

工業建筑平面布局應優先滿足工藝生產及相關研發辦公需求，與傳統廠房相比，智慧工廠在運營上不僅具有傳統工業建筑功能，同時還兼備公建、網絡通信、物聯網、大數據、自適應學習等功能，提供全方位的信息交互功能，創造更為舒適和智慧化的生產、研發等空間[3]。因此在方案設計階段應首先和建設單位落實生產規模需求。正常生產運營中所需的建設面積常占比為80%～90%，交通及輔助空間則占比約為10%～20%，且交通及輔助空間占比會隨每層建筑面積增大而減少。同時應將每層平面建筑面積控制在6000m2內，則較為經濟合理（參考丙類高層廠房最大允許防火分區面積）。在國星光電項目中，生產車間（101#）功能定義為生產車間+科研辦公，因此在平面布局上就需同時滿足生產線對大空間的要求及研發辦公空間對靈活分隔的要求。在設計上采用了正方形平面，該經典建筑形態呈四平八穩格局，并讓使用者從空間中心到任意一邊的距離接近等長，有較優的通達性，同時規避了不規則空間及流線迂回，規整了生產設備的有序陳列及提高辦公人員水平移動效率。

在功能分區上建筑存在三種形態，以生產部門為主的生產車間，生產部門和研發部門共同配合協調的生產研發空間（圖3），及全為研發部門的辦公空間。考慮到生產設備的運輸及荷載，因此將生產車間布置在建筑的低區，生產研發空間布置在中區，高區則為辦公區，低中高三段區間通過兩側交通服務核形成垂直串聯關系。在布置垂直交通時應注意，對于大多新型智能工廠，項目中使用的原材料、生產中產生的全部中間產物、生產的最終產品及其副產品的火災危險性類別一般為丙類（應與建設方明確），在此基礎之上確認高層廠房內任一點至最近安全出口的直線距離不大于40m，同時，防煙樓梯間的疏散寬度應根據產業人數計算且最小凈寬度不宜小于1.10m。

圖3 交通服務核兩端布置，室內便可靈活劃分

生產車間（101#）同時具有生產及辦公性質，因此在柱網上選擇了8.4m×8.4m等距式柱網，該跨度的柱網優點在于地上能取得較大的開敞空間，同時在地下單個柱跨內又能布置三個機動車停車位。停車位、設備房、人防設施是地下室的主要構成部分。其中機動車位是功能的核心，普通帶人防地下室一般可通過單位面積停車指標來估算地下室面積。按大多設計參考數據地下車庫車位按35m2/位估算，此參數可能略為失真，由于車位位均指標不僅僅為每輛機動車自然停車面積，還包括行車通道、人行通道等停車基本設施，還包括人防及相應設備用房等輔助設施的面積。同時，車庫車位位均建筑面積受項目所處地塊形狀、大小、柱網結構、停車方式影響較大，考慮地下車庫作為永久性建筑，建設完成后規模不易調整，其設計應為地下室各項功能預留足夠空間。因此結合筆者項目經驗，45m2/位是一個存有安全邊際的參數值，方案設計階段可參考此參數對地下室面積進行估算。

智能制造是復雜的系統工程，智能產品是主體，智能生產是主線，以智能服務為中心的產業模式變革是主題[4]，因此智慧工廠呈現動態式發展。在智能基地制造項目中為契合動態發展的工藝流程，在生產區平面布局中采用了較大跨度柱網（9m×9m橫縱柱網）。從車間空間適用性角度出發，該柱跨能在一跨內布置一條生產線，同時環繞產線四周能設置2m寬的AGV智能搬運車物流通道（圖4），智能搬運車是智慧工廠中的重要交通元素，在設計中應充分考慮。生產區布局除了考慮生產線外，輔助部分亦是同樣重要的空間。這一部分主要包括但不限于樓電梯間、茶水衛生間、輔助性辦公及設備房等。這些輔助單元常呈組團式布局，通過單邊走道連通形成并聯式空間。由于輔助單元大多需提供通風及采光條件，因此常將其沿建筑四邊布置。

圖4 生產線及貨物通道設置

綜上所述，廠房平面布局核心可大致歸納為以下三點：①采用較大跨度柱網（8～10m），該跨度能滿足大多制造設備放置同時也能為日后產線擴展提供充足的空間。②以平面中心為起點往四周拓展出足夠大的開敞空間作為生產線放置區。③輔助空間呈并聯式組合沿建筑四邊布置。

4 垂直空間設計原則

智慧廠房的層數主要取決于生產工藝、城市規劃、建筑場地、結構形式和經濟效益等因素[5]。對于建筑層高的設定主要有以下影響因素：①滿足生產、設備運輸的需要；②廠房內部功能劃分不同；③滿足采光和通風要求；④設備管道高度要求；⑤滿足工藝的基礎上從經濟角度分析層高影響。在國星項目生產車間（101#）中，建筑共11層建筑高度50.1m，考慮生產線凈高要求2.7m、梁高0.8m設備管線0.6m及預留空間，再結合科研辦公使用空間綜合考慮后設定樓層層高為4.5m。首層考慮有展示大廳及會議等公共區域因此將該層高設置為5.1m，配合主入口的落地大幕墻可將更多的室外光線引入室內，減少燈具使用節能經濟。在智能基地制造項目中層高設定也應用相似邏輯，結合廠房樓層層高擴大模數3m數列和當地城市規劃管理容積率指標計算辦法得出生產區層高4.5m建筑共10層高度為45.0m。

智慧工廠產線布局不僅在同層平面中要有緊密聯系在垂直樓層中也同樣存有進階關系。將建筑樓層按生產工序及生產資料分為低中高區，樓層功能從高到低可依次布置：研發設計→調解測試→產品制作→原料堆放→產品組裝→包裝運輸（圖5）。在生產工藝允許的條件下，把一些質量重、體積大和運輸頻繁的設備布置在底層，中間層為生產加工區，低、中區滿足生產資料密集型需求，高區則是知識密集型區域，該區通過研發辦公等行為突出人的活動。各樓層通過垂直交通設施聯系，廠房建筑常用的垂直交通包括樓梯及電梯，其中電梯包括客梯、專用貨梯和提升機（物料電梯）。專用貨梯起重常用3T，提升機或物料電梯屬于非載人電梯，此類電梯常設置于低中區配合生產過程使用，投入成本低利用效率高，因此在設計中應加以考慮。

圖5 樓層功能定位

5 結語

隨著工業發展快速進入“工業4.0”時代，越發多的傳統制造工廠尋求智慧化轉型。本文通過對新型智慧廠房的案例分析，淺略提煉出該類建筑的主要設計原則，以期能夠為相關建筑設計從業者提供設計參考。