裝配式技術在住宅建筑設計中的應用

文／張倩 山東華科規劃建筑設計有限公司 山東濟南 250202

侯軍 濟南高新控股集團有限公司 山東濟南 250101

張振華 山東同創設計咨詢集團有限公司 山東濟南 250013

引言：

裝配式技術與傳統施工方式相比，具有顯著的優勢。首先是成本節約、綠色環保，在建筑施工過程中減少了建筑垃圾和污染物排放；其次是資源利用最大化，通過對現場進行標準化設計和建設，實現構件工廠化生產，大大節省人力成本、物力成本以及原材料成本等；其次是節能減排、提高能源利用率。然而由于受傳統建筑材料性能限制以及自身條件限制等原因，目前在實際使用中其存在著許多弊端。此外，目前國內關于裝配式結構設計方面還存在著諸多問題，比如缺乏系統完整的理論研究，相關規范不統一，技術標準也相對落后，導致一些新概念、新方法出現并被廣泛應用于實際工程當中，從而使其無法真正發揮出其優越性。因此，需要結合當前社會經濟的發展趨勢，以先進的科學技術為基礎，借鑒國外優秀研究成果，不斷地優化創新，才能更好地促進我國裝配式結構設計事業的進一步發展。

1.裝配式住宅種類分析

1.1 輕鋼種類

裝配式結構擁有豐富的結構體系，其中輕鋼結構由于其造價低、施工簡便等特點在國內得到廣泛應用。輕鋼結構具有良好的抗風能力和抗震性能，同時還可減少鋼材用量。目前，我國正在積極推進新型工業化進程，大力發展鋼結構建筑。輕鋼結構更加輕薄，可以有效地減輕建筑物自重并提高房屋質量，從而節約土地資源。輕鋼結構經常用于舊房改造或者是新建住宅項目中，它以輕質高強材料為主要原材料，采用預制構件方式進行拼裝而成，因此能夠極大的降低建造成本。和其他結構相比，輕鋼結構現場施工量少、工期短，并且無需對施工現場進行任何改動。另外，輕鋼結構不需要使用水泥澆筑便能完成安裝工作，這使得輕鋼結構工程節省了大量時間以及勞動力，大大提升了工程質量。但在實際過程當中，想要使得輕鋼結構裝配式設計符合相關標準要求，就必須要將輕鋼結構設計與裝配化施工相結合，這樣才能保證輕鋼結構裝配式的整體效果。

1.2 混凝土種類

混凝土結構適用于裝配式住宅建設，混凝土結構建筑具有施工速度快、抗震性能好、質量可靠等特點。在我國的住宅中應用廣泛。混凝土結構房屋是以鋼筋和水泥為主要材料，通過澆筑成型并進行養護而成的建筑物。由于采用了大量的鋼材及混凝土制成墻體、屋頂和樓體。它可以節省木材，提高工效；同時還可減少污染，有利于環境保護；并且能夠節約土地資源?；炷两Y構自身具有耐久性、強度高等優點，所以廣泛應用于高層樓房的建造過程之中，尤其是高層建筑中，其作用尤為重要。混凝土結構裝配式建筑與傳統建筑施工方式相比，不僅能實現經濟高效地生產出優質的產品，而且還能有效地控制工程造價，從而使建筑成本大大降低。隨著國家對建筑行業越來越重視，對于新型工業化建筑業的發展也給予了大力支持，因此混凝土結構建筑也得到了較高的認可，受到社會上眾多人士的歡迎。但是，當前人們對混凝土結構的使用情況仍然存在很多誤區。首先，一些人認為混凝土只是一種建筑材料，只要將它用于建筑工程即可完成任務。其實這種觀點是不正確的，混凝土本身就是一種特殊材質的物質，且含有豐富的礦物質成分，如石膏、鎂鹽等。而這些礦物成分會影響到混凝土的力學性能，導致構件產生變形甚至斷裂。其次，有些人買回的商品混凝土外觀顏色雜亂，沒有統一標準，有的出現色差現象。這使得混凝土結構建筑更加難以驗收，容易造成二次裝修問題。

1.3 木結構種類

木結構體系大多出現在南方高級別墅上，而在北方則很少見。這也是為什么中國的一些高檔住宅多采用木質結構的原因。木構架作為一種承重、穩定和堅固的構件，被廣泛地應用于各種建筑中。木結構體系建筑具有防火性能好、抗震能力強、保溫隔熱性能優異等特點，其使用范圍已遍及各行各業，然而隨著人們對居住要求的日益提高以及我國經濟建設水平不斷提升，傳統建造方式已經不能滿足當代社會發展需要，一些對天然木質有需求的愛好者對木質房屋需求增加了許多新內容，于是就產生了很多新型木制建筑材料，促使建筑行業對傳統木質結構住宅進行更新改造，以適應當前時代發展趨勢，為改善人民生活質量做出貢獻。對于木結構建筑來說，要想達到理想的效果，除了本身木材資源豐富以外，還要根據實際情況合理選擇材料，從而使之發揮出最佳效益，這樣才能保證木結構建筑的安全性和合理性。

2.簡述裝配式建筑“可復制單元”

當前我國住宅品質日益提升，且具有明顯的居住舒適性和健康性。在此背景之下，在對現代化住宅建筑進行設計時，需要將多種復雜的結構形式納入其中并合理運用其功能及性能特點，以達到滿足人們生活需求為目標。與此同時，需要考慮居民對住宅建筑有多元化選擇的實際情況，從而保證整個工程能夠獲得更好地建設效果。因此，裝配式技術在現代住宅產業中得到了廣泛推廣與應用，成為一種有效提高房屋質量以及使用效率的先進建造方式。而裝配式建筑設計是一個非常重要的環節，它不僅可以優化建筑物各部分之間的比例關系，還能實現空間布局、材料等方面的靈活創新，并且通過采用更多新型建筑材料來改善施工條件，最終達到節能環保的目的。

2.1 裝配式建筑“可復制單元”應用

在運用裝配式技術時，應當關注“可復制單元”這一概念。例如，我們可以把一個工廠分為多個車間（如裝配生產線、裝配線）；或者將一個生產單位劃分為若干個小的子單位。對于大范圍內的企業來說，每個人都可能有自己獨立的工作和生活區域。因此，要想實現真正意義上的建筑工業化是不現實的。而如果能夠有效地利用已有的資源來進行設計和制造，則就能使人們獲得更高的效率。裝配式建筑自身具有規模效益的優勢，同時也具備了降低成本的潛力，這一點已經被越來越多的國家所重視并實踐。在住宅建筑過程當中運用“可復制單元”概念，既有利于提高房屋質量、降低工程造價，又有利于改善居住環境。它不僅體現了現代科學技術發展對人類社會進步帶來的積極影響，而且還符合當前世界各國建設和諧社會的要求。在住宅建筑過程當中合理使用“可復制單元”，可以對不同功能的房間進行模板化加工，從而減少裝修費用[1]。同時，由于采用標準化施工，可以避免因人工因素造成的浪費，也節省了材料成本。另外，“可復制單元”與傳統建造方式相比，其主要優點在于：一是節約時間和空間，二是縮短工期，三是便于安裝維修。因此，在我國實施裝配式建筑設計中，應優先考慮用“可復制單元（BIME）”取代以往的各種形式的結構體系及構件等，以達到節能減排、節材增效的目的。

2.2 裝配式建筑設計要點

目前，對于裝配式建筑設計來說，存在著一些問題亟待解決，主要表現在以下幾個方面：一是由于各種因素影響，導致傳統構件不能很好地適應新時代要求，尤其是鋼結構這種新型建材在發展過程當中出現嚴重滯緩現象；二是現行規范體系下裝配式建筑沒有足夠數量的標準模板，無法解決大量生產加工預制產品。另外，隨著工業化進程不斷加快，企業為了降低成本，會越來越多地采購國外或國內知名品牌的模具制造設備，這使得模架成本居高不下，甚至有些企業已經放棄自己生產模架上的鋼材。以上這些因素都直接影響到裝配式建筑設計水平，進而制約著該行業的進一步發展。所以，要想從根本上解決問題，就必須加強裝配式建筑理論研究，完善相關技術標準體系，推動相關領域的進步。

在裝配式建筑設計過程當中，需要注意的是地方的建筑結構以及相關材料是否符合設計要求。而這些都是裝配式建筑工地管理中非常重要的一部分內容，所以想要做好施工階段的工作，就必須要對這一點進行重視，只有這樣才能夠確保工程整體質量達到標準，從而更好地提高工程質量。在建筑工程設計當中，被采用的預制構件有一些特殊功能，例如隔墻、門窗等，因此也會受到很多方面的影響，為了保證預制構件與外界環境之間的隔絕性，還需要根據實際情況來選擇使用什么樣的建筑材料和混凝土等等，并且還要考慮到不同類型的預制構件的性能特點。將預制構件運輸到施工工地進行固定時，首先應該按照規定的方法安裝好螺栓或者螺母，然后再利用吊裝設備把預制構件從施工現場吊至指定位置，并進行嚴格檢查確認無誤后才能開始拆卸，否則將會導致預制構件出現問題。如果發現沒有合格的預制構件則不能繼續進行拆除，而是應盡快向施工單位報告，由施工單位予以處理。同時在拆除前一定要先做一個詳細的安全評估，一旦發生安全事故就要立即停工整改，以免造成二次事故的產生，給企業帶來不必要的損失。

在住宅建筑施工過程當中運用裝配技術之前，需要對建造的住宅面積及戶型進行嚴格分析與計算，這樣才能夠確定預制構件是否符合設計要求。同時還必須考慮根據現場實際情況采用合適的預制構件類型，并保證其質量滿足施工需求。如果預制構件數量過多，或者是結構體系不合理的話，就會造成建筑成本過高或浪費等問題。所以說要想提高裝配式裝修效率、降低造價，那么就要從合理規劃入手，以達到良好的經濟效益。除此之外，在設計人員設計住宅施工圖時，也應該注重自身知識和經驗以及對于相關規范標準的理解程度，從而避免盲目照搬別人的圖紙來完成自己的任務，這也是提高工作效率的一種有效手段。與此同時，設計工作者還應當考慮到構件的制作方式及其安裝工藝的合理性，相關施工人員可以根據施工圖紙明確可以復制的構件種類，并且將這些材料加工成所需尺寸，以便于實現高效生產，減少資源消耗[2]。依照住宅建筑多具有的特性，應當從立面系統、集成系統等多方面思考構建時采用什么樣的裝配技術。

3.裝配式技術在住宅建筑設計中具有應用

3.1 在立面系統中的應用

住宅建筑中可以使用的通用構建主要為外立面圍護結構件，主要組成分為框架和剪力墻,構件類型是采用立面圍護結構件產品時必須考慮的重要因素之一,主要構件類型包括雙向分體構件式，指的是通過設置不同尺寸及規格的柱、梁或板來實現豎向承重功能[3]。也有部分企業生產用于水平方向荷載傳遞作用的裝配式樓板；還有一些特殊情況下需要在墻體上增加橫向支撐的新型構造形式如預制空心砌塊墻等。由于這些構件種類繁多且具有各自獨特的特征，其性能特點各異。通常情況下均可直接應用于住宅建筑設計中。而單向分體結構式的優點在于:不受外部環境條件限制，能滿足各種復雜地形地區對房屋平面布局的要求;安裝方便，施工質量好;能夠承受較大范圍內建筑物自重與外界來風載荷;適用于較高樓層或高度超過一定程度的樓房設計;材料節省，易于回收利用。另外，該體系還具備良好的耐久性，便于后期維修，減少了能耗，并能降低工程造價。此外，整體單元式組合裝配技術將整個空間劃分成若干單元進行組裝，使每個房間都擁有獨立的臥室，客廳和廚房，從而達到緊湊化布置。這種方法既有利于提高居住環境品質又節約土地資源，而且對于改善住房條件有著非常積極的意義。但是適應整體單元式時，需要在安裝圍護板時搭配玻璃窗或窗框，同時還要保證窗戶的保溫隔熱效果[4]。在住宅建筑過程當中，需要使用整體單元式時，首先需要確定單元大小，然后根據計算得出的各個模塊之間的位置關系以及對應面積的分配方案，最后再按照具體圖紙完成總體構架的搭建工作[5]。整體單元式結構設計流程一般包括：方案設計—施工圖審查—預算審核—設計變更管理—合同簽署與履行。其中初步設計階段為基礎設計，它是決定整體結構是否符合工程設計規范的重要環節。如果設計方案出現偏差，就會導致整幢樓無法正常運行，甚至可能造成安全事故。因此，總體設計人員必須掌握相關知識，了解自身所承擔的責任。

在住宅建筑中需要的構件要具有足夠的強度、剛度和耐久性。在實際情況下，住宅建筑使用的外圍護板大小可以是一定尺寸或某一規格（如200mm），但不應超過其最大允許直徑。通常，建筑物外圍護板應采用與墻體厚度相同或相近的材料制成。如果外部護板不能滿足設計要求時，可通過改變結構形式來解決。住宅建筑內部的柱和填充墻都需要住宅設計人員根據當地環境條件進行選擇，盡量可以成為可復制構件的一種類型，以便于對它加以利用和改造，以使這些部件能更好地適應當前的技術和經濟狀況[6]。

3.2 在平面構件系統中的應用

平面構件系統所使用的構件中，可以復制為通用構件的主要為預制樓板[7]。在建筑結構體系設計時，可考慮將其應用于現澆混凝土框架柱和剪力墻等裝配式梁板或組合板內，以提高施工效率、降低工程造價、簡化工程工序，也能滿足一些特殊功能要求的需要。與此同時，在住宅建筑平面構件系統中需要大量使用預制疊合板，這種材料具有強度高、耐久性好、安裝方便、抗震性能強等特點，而且它還具有良好的裝飾效果，特別適用于外立面裝修以及廚房、衛生間、陽臺等外墻面與室內地面連接的部位。平面構件系統的開間跨度大、高度多、空間利用率較低，因此，必須采用合理而有效的方案來進行結構設計。在設置開間跨度時，需要小于6m，樓板需要使用疊合樓板，即利用現有鋼筋加工設備及裝配技術制造出足夠數量的成品疊合樓板；另外還要預留一定尺寸的活動模板以便實現各種不同形狀和規格的板材之間的自由拼接，這就要求對現場條件有很高的要求。目前，住宅建筑設計當中預制疊合梁（板）已成為一種重要的建筑材料。由于疊合梁（板）是由多種截面形式組成，所以不僅要保證各部分受力均勻且剛度一致，同時還應避免因應力集中而產生開裂現象，并確保整體力學性能達到規范規定的指標。

3.3 在集成式單元系統中的應用

集成式單元系統就是把多個子系統通過總線連接在一起，構成一個統一的整體[8]。集成式單元是將設備、線路和網絡有機地整合到一個模塊中，以滿足不同用戶對功能要求的一種方案。集成式單元系統主要運用在住宅建筑中的配電設施上，包括配電柜、開關站、開關箱等，這些都是需要經常維修更新的部件。而這種集成方式的特點在于：既可以使整個系統實現模塊化設計，又可避免重復建設，從而降低了成本。目前，衛生間可還是采用集成式單元系統技術安裝，但由于其使用場所較為有限，因此還不能很好地解決實際問題。如果要提高整體性能，則應考慮采用集中布線、綜合布線等方法，才能更好地發揮集成技術的優勢。衛生間采用集成式方式可以減少現場施工難度，也能節約工程費用。另外，與傳統分體式相比，它具有體積小、重量輕、造價低、運行靈活、維護方便的優點。

結語：

對住宅建筑進行設計時，需要做好裝配式技術在施工過程中的應用，對其進行分析和研究，能夠有效提升住宅建造質量。在住宅建筑設計當中，對裝配式技術進行多方位運用設計與優化是必要且重要的工作內容，通過合理地利用鋼結構、混凝土結構等材料來實現構件之間的連接以及支撐作用，從而使整個建筑物整體更加牢固安全。