淺析預(yù)制裝配式建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)問(wèn)題

江淑芳

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，建筑項(xiàng)目數(shù)量明顯增多，為解決施工周期長(zhǎng)、建設(shè)成本高等問(wèn)題，預(yù)制裝配式建筑的應(yīng)用日益廣泛，逐漸形成設(shè)計(jì)、制造與施工一體化的生產(chǎn)模式。其中，預(yù)制空心樓板、裝配式混凝土建筑是典型代表，在整個(gè)市場(chǎng)中占比達(dá)到70%以上[1]。然而，此類(lèi)建筑在性能、功能上仍存在不足，須通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，為后續(xù)制造和施工作業(yè)打下基礎(chǔ)。本文結(jié)合實(shí)踐探討了預(yù)制裝配式建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)原則

1.1 少規(guī)格，多組合

預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)，要考慮建筑安裝要求，符合建筑模數(shù)，遵循少規(guī)格、多組合的原則。具體來(lái)說(shuō)，就是對(duì)建筑平面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、定型化設(shè)計(jì)，打造標(biāo)準(zhǔn)部件模塊和功能模塊，將一個(gè)個(gè)模塊組合起來(lái)，提高基本模塊的重復(fù)使用率。這樣既能提高建設(shè)效率，又能控制建設(shè)成本，降低對(duì)制作、運(yùn)輸和安裝環(huán)節(jié)的特殊技術(shù)要求。

1.2 質(zhì)量?jī)?yōu)先

不論是傳統(tǒng)施工技術(shù)還是預(yù)制裝配式施工技術(shù)，均要保證建筑質(zhì)量，這是設(shè)計(jì)人員必須遵守的基本原則[2]。具體到預(yù)制裝配式建筑中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)先方法如下：一是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，減少不同的規(guī)格類(lèi)型；二是使用高強(qiáng)、高性能、耐久性的材料，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；三是嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。以建筑高度為例，不同裝配式建筑結(jié)構(gòu)的高度設(shè)計(jì)限值如表1 所示。

表1 不同裝配式建筑結(jié)構(gòu)的高度限值

2 預(yù)制裝配式建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法

2.1 預(yù)制構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)

2.1.1 預(yù)制混凝土墻板的精細(xì)化設(shè)計(jì)

預(yù)制混凝土墻板是常見(jiàn)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，多為預(yù)留門(mén)窗洞口的窗間墻形式。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)房間采光、通風(fēng)、視線等功能要求，形成有序的立面效果。以麻省理工學(xué)院的西蒙斯樓為例，混凝土墻在工廠內(nèi)預(yù)制形成，墻面的洞口分為2 種類(lèi)型：一種是規(guī)則的小洞口，橫向、豎向形成多孔結(jié)構(gòu)，窗戶(hù)凹進(jìn)去的邊框使用多種顏色，提高了外墻的美觀性；另一種是不規(guī)則的大洞口，與室外活動(dòng)平臺(tái)相連接，能增加空氣流通。這種設(shè)計(jì)既能滿(mǎn)足外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能要求，又能產(chǎn)生良好的視覺(jué)效果。

2.1.2 預(yù)制玻璃幕墻的精細(xì)化設(shè)計(jì)

預(yù)制玻璃幕墻多用在大跨度空間建筑、高層建筑中，一方面將玻璃幕墻與門(mén)窗合二為一，另一方面將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和裝飾融為一體，提高了建筑的現(xiàn)代感。以西格拉姆大廈為例，墻面直上直下、整齊劃一，采用簡(jiǎn)潔細(xì)致的設(shè)計(jì)風(fēng)格，突出材質(zhì)和工藝。整體上看，建筑像一個(gè)玻璃盒子，具有較強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力。

2.1.3 預(yù)制樓梯的精細(xì)化設(shè)計(jì)

樓梯是建筑內(nèi)不同空間的聯(lián)系通道，預(yù)制樓梯的靈活性、可塑性較強(qiáng)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)利用樓梯構(gòu)造、材料的多樣性，將室內(nèi)不同空間巧妙銜接，在滿(mǎn)足實(shí)用性的基礎(chǔ)上產(chǎn)生藝術(shù)效果。以木質(zhì)樓梯為例，木材的加工難度小，便于方案的設(shè)計(jì)與修改，且木材本身的紋理優(yōu)美，容易與周?chē)h(huán)境相融合。近年來(lái)，在“自然綠色”的設(shè)計(jì)理念下，木質(zhì)樓梯煥發(fā)生機(jī)，在裝配式建筑中得到廣泛運(yùn)用。

2.1.4 預(yù)制遮陽(yáng)構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)

不同類(lèi)型的預(yù)制遮陽(yáng)構(gòu)件，會(huì)產(chǎn)生不同的藝術(shù)美。遮陽(yáng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，應(yīng)做到與建筑立面有機(jī)結(jié)合，考慮到建筑項(xiàng)目的特性、地區(qū)氣候條件，從整體性、適宜性2 個(gè)方面入手[3]。從光影效果看，如果建筑局部使用玻璃墻面、局部使用混凝土墻面，可在混凝土墻面部分使用格柵式遮陽(yáng)方案。

2.2 功能空間的精細(xì)化設(shè)計(jì)

2.2.1 內(nèi)部空間可變

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間可變，主要采用2種方式：一是硬彈性設(shè)計(jì)，即在建筑內(nèi)設(shè)計(jì)可以移動(dòng)的墻體，以適應(yīng)居住需求的變化；二是軟彈性設(shè)計(jì)，即提供一個(gè)開(kāi)放性的建筑平面，根據(jù)使用者的不同需求對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行分配。其中，軟彈性設(shè)計(jì)具有良好的發(fā)展前景，通過(guò)設(shè)計(jì)可滑動(dòng)、可旋轉(zhuǎn)、可折疊的構(gòu)件，增加室內(nèi)空間分隔的靈活性，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間可變的目標(biāo)。

2.2.2 單元模塊組合

模塊化是預(yù)制裝配式建筑中常見(jiàn)的一種形式，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)“搭積木”的方式拼裝組合起來(lái)。這些單元模塊可進(jìn)行定制，滿(mǎn)足不同氣候、不同地點(diǎn)、不同用戶(hù)的具體要求；而且這些模塊容易改造、擴(kuò)展，適應(yīng)建筑功能的轉(zhuǎn)變。以美國(guó)著名的Res4 建筑事務(wù)所為例，包含公共功能模塊、私有功能模塊和輔助功能模塊3大類(lèi)，采用不同的組合方式即可形成需要的功能空間。

2.2.3 群體空間豐富

建筑外部空間會(huì)涉及公共領(lǐng)域，如城市、街道。在組群建筑中，各建筑的界面圍合起來(lái)，限定了外部空間區(qū)域[4]。目前，建筑組群多采用園區(qū)、Block 的形式，施工完成后建筑界面位置難以改變。預(yù)制裝配式建筑在群體空間設(shè)計(jì)上，首先確定一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，其他建筑單元模塊圍繞著支撐結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際需求進(jìn)行增加或拆除，就能形成滿(mǎn)足實(shí)際需求的有機(jī)體。這種設(shè)計(jì)能適應(yīng)城市的不斷發(fā)展變化，建筑界面位置變化后會(huì)產(chǎn)生新的空間體驗(yàn)，增加群體空間的豐富性。

2.3 安裝施工的精細(xì)化設(shè)計(jì)

2.3.1 可重復(fù)利用

預(yù)制構(gòu)件在工廠內(nèi)制造時(shí)的可控性更強(qiáng)，對(duì)施工材料進(jìn)行回收再利用的可能性增大。因此，此類(lèi)建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮安裝施工需求，考慮到材料的循環(huán)使用，減少有毒有害材料的使用。

另外，預(yù)制構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，具有較強(qiáng)的可識(shí)別性，為了降低建筑安裝和拆卸難度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：一是盡量減少連接；二是準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)拆卸點(diǎn)；三是提供備用構(gòu)件并儲(chǔ)存在現(xiàn)場(chǎng)；四是在項(xiàng)目初期對(duì)裝配和拆卸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.2 整合組件

預(yù)制構(gòu)件整合后，方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，有助于進(jìn)行管理，進(jìn)一步縮短施工時(shí)間。對(duì)于沒(méi)有特殊要求、體型較小的預(yù)制構(gòu)件，可直接棄用，或與其他構(gòu)件進(jìn)行整合。國(guó)外某設(shè)計(jì)公司對(duì)預(yù)制裝配式建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)的數(shù)量降至最少，其主要做法就是減少不必要的零件，將更多構(gòu)件加入一個(gè)特定的組件中。

2.3.3 調(diào)整裝配順序

裝配順序是否科學(xué)合理，也會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工效率和成本。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)調(diào)整裝配順序，可對(duì)設(shè)計(jì)的組件進(jìn)行評(píng)估，拆開(kāi)后按照預(yù)設(shè)順序重新安裝，得到最優(yōu)的裝配順序。其中，體積較大的預(yù)制構(gòu)件如預(yù)制墻板、預(yù)制模板等，按照定制產(chǎn)品進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，形成完整的供應(yīng)鏈，減少交叉流動(dòng)，以保證工期。

2.3.4 問(wèn)題檢查

預(yù)制構(gòu)件在裝配過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)人員、施工人員全面了解構(gòu)件的尺寸、性能、安裝位置等。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要考慮可能存在的安裝問(wèn)題，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝后及時(shí)檢查[5]。以專(zhuān)業(yè)碰撞為例，通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)、外立面與內(nèi)部空間之間，設(shè)計(jì)人員可借助建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）進(jìn)行碰撞檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題并進(jìn)行修正，避免現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)出現(xiàn)返工。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某度假村建筑群位于旅游景區(qū)，作為一座沿海城鎮(zhèn)，擁有豐富的旅游資源，每年接待的國(guó)內(nèi)外游客超過(guò)300萬(wàn)人次。該景區(qū)的整體環(huán)境較為安靜，當(dāng)?shù)鼐用褡⒅乇Ｗo(hù)自然環(huán)境，對(duì)城市宜居性提出較高要求。因此，度假村建筑設(shè)計(jì)工作存在一定難度。

3.2 總體布局的精細(xì)化

3.2.1 設(shè)計(jì)理念

度假村建設(shè)項(xiàng)目位于山谷內(nèi)，建筑群隨著山谷向海平面延伸，形成V 字形的截面。這個(gè)V 字形的視覺(jué)軸線，成為建筑群總體布局的基本要素，一方面提供了開(kāi)闊的景觀視野，另一方面保留了山谷造型，最大程度上減少對(duì)自然景觀的破壞。

3.2.2 平面布局

該建筑群共包括5 個(gè)別墅區(qū)、3 個(gè)公寓區(qū)和以及1 個(gè)活動(dòng)中心，總建筑面積約4.5 萬(wàn)m2，室內(nèi)建筑面積2.3 萬(wàn)m2。平面布局上，建筑用地呈不規(guī)則狀，其中別墅和公寓位于山谷兩側(cè)的坡地，活動(dòng)中心位于山谷較平坦處，總體上形成中間高密度、兩側(cè)低密度的組群形式。

3.2.3 空間關(guān)系

建筑群在空間關(guān)系上，與山谷起伏的地勢(shì)相呼應(yīng)。建筑統(tǒng)一采用暗色平屋頂，置于整個(gè)環(huán)境中并不突兀，從遠(yuǎn)處望去建筑與環(huán)境渾然一體。在度假村中，充分利用道路與山體之間的可建設(shè)用地，建筑群布局錯(cuò)落有致，保證每個(gè)房間均有全景視線。

3.3 建筑功能的精細(xì)化

3.3.1 別墅

別墅分為森林別墅和海濱別墅，前者位于地段南部，設(shè)計(jì)時(shí)從客廳中延伸出露天平臺(tái)，預(yù)留野生動(dòng)物觀賞走廊，拉近人與自然的距離；后者位于地段北部，靠近陽(yáng)光沙灘，擁有良好的海景視線。在建筑內(nèi)部，各個(gè)功能空間簡(jiǎn)潔，臥室、餐廳、客廳、室外露臺(tái)等相互獨(dú)立卻又彼此關(guān)聯(lián)。空間劃分上采用可移動(dòng)滑門(mén)，使室內(nèi)空間富有變化性，充分利用通風(fēng)和光照條件。

3.3.2 公寓

公寓分為一間臥室和兩間臥室2 種房型，適用于短期度假的游客。公寓建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，以山體為背景，對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行保護(hù)和利用。每個(gè)房間內(nèi)有獨(dú)立的開(kāi)放式陽(yáng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)與室外空間的無(wú)縫銜接。開(kāi)放性的平面設(shè)計(jì)，有助于海風(fēng)吹進(jìn)室內(nèi)，并且配置現(xiàn)代化家具和設(shè)備。

3.4 預(yù)制構(gòu)件的精細(xì)化

3.4.1 預(yù)制鋼框架

該建筑群在施工前，并未進(jìn)行大面積場(chǎng)地平整，而是根據(jù)地勢(shì)變化施工。其中，別墅區(qū)建筑所處場(chǎng)地較為陡峭，無(wú)法使用傳統(tǒng)的地基，而是采用鋼結(jié)構(gòu)框架承重體系，配合預(yù)制木樓板，使用螺栓進(jìn)行連接。在設(shè)計(jì)階段，用專(zhuān)業(yè)軟件構(gòu)建鋼框架的三維模型，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，有助于控制成本和工期。

3.4.2 預(yù)制屋頂板

當(dāng)?shù)氐匦螚l件復(fù)雜，現(xiàn)澆屋頂操作難度大，且陽(yáng)光強(qiáng)烈，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)中屋檐出挑較遠(yuǎn)，要求屋頂板的自重較輕。基于這兩點(diǎn)考慮，設(shè)計(jì)人員采用Ritek 屋頂板，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、隔熱性好、維護(hù)費(fèi)用低，適合當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境。而且，屋頂板在工廠內(nèi)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，相較于現(xiàn)澆作業(yè)，工期可縮短30%～50%。建筑群均采用Ritek 屋頂板，配合暗色飾面，將分散的建筑統(tǒng)一起來(lái)，并且很好地融入周邊環(huán)境中。在室內(nèi)，屋頂內(nèi)側(cè)直接作為天花板，表面使用淺灰色，與簡(jiǎn)潔的室內(nèi)布局相協(xié)調(diào)。

3.4.3 預(yù)制鋁遮陽(yáng)板

遮站樣板是當(dāng)?shù)亟ㄖ豢扇鄙俚臉?gòu)件，除了遮陽(yáng)功能外，也是建筑外立面的裝飾物。預(yù)制鋁遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑朝向與間距，準(zhǔn)確計(jì)算陽(yáng)光照射角度、時(shí)間，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。第一，陽(yáng)光照射時(shí)間較長(zhǎng)的房間，遮陽(yáng)板垂直懸掛；照射時(shí)間較短的房間，遮陽(yáng)板水平懸掛。第二，開(kāi)窗面積大的位置，將垂直懸掛與水平懸掛組合起來(lái)。第三，建筑有外廊，且陽(yáng)光能照進(jìn)室內(nèi)，在走廊外側(cè)也安裝遮陽(yáng)板。第四，活動(dòng)中心的屋頂下折，利用屋頂下折的部分進(jìn)行遮陽(yáng)。不同類(lèi)型的預(yù)制鋁遮陽(yáng)板實(shí)物如圖1 所示。

圖1 不同類(lèi)型的預(yù)制鋁遮陽(yáng)板實(shí)物圖（來(lái)源：龍巖城市發(fā)展集團(tuán)有限公司預(yù)制鋁膜安裝前圖）

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)制裝配式建筑具有功能現(xiàn)代化、制造工廠化和施工裝配化的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要遵循成本控制、進(jìn)度安排、質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則。本文結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了預(yù)制裝配式建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，以期為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考，提高綜合效益。