裝配式地鐵車站評價體系研究*

張 軍,莫振澤,2,李 鵬,魏明光,管東芝

(1.無錫地鐵集團有限公司,江蘇 無錫 214044; 2.錫澄中車(無錫)城市軌道交通工程有限公司,江蘇 無錫 214000; 3.江蘇中車城市發展有限公司,江蘇 無錫 214000;4.上海市政預制技術開發有限公司,上海 200092; 5.東南大學,江蘇 南京 210096)

隨著我國社會經濟快速發展,國家對建筑質量與安全、資源節約、環境保護的要求越來越高。較現澆建筑而言,裝配式建造具有效率高、質量好、環保、節省勞動力等優點,從而逐漸成為建筑行業發展的趨勢[1]。2016年國務院出臺《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》,此后,國家各部委及地方政府均出臺了相應的推動裝配式建筑發展的政策,裝配式建造技術在我國建筑業的各個領域(如民用建筑、橋梁、隧道)中均得到了飛速發展。地鐵車站是軌道交通建設過程中的關鍵節點,其建造速度及質量至關重要。裝配式地下車站在國內的研究應用剛興起,目前主要有全預制拼裝和裝配疊合整體式兩種體系[2]。與地面建筑相比,裝配式地鐵車站作為大型地下結構有其自身特點,在結構形式、防水、圍護及施工工法方面均存在差異。

評價標準是引導裝配式建筑發展方向的重要政策工具。目前住房和城鄉建設部頒布了GB/T 51129—2017《裝配式建筑評價標準》,我國各省、自治區、直轄市也基于住建部的評價標準,結合各地方情況,編制了地方性評價標準。但以上標準主要針對地面建筑,對于地下車站建筑并不完全適用。此外,目前國內絕大多數裝配式建筑評價標準均以裝配率為唯一評價指標,在裝配式建筑發展初期可起到評價作用,但單純追求裝配率可能會出現很多異形非標準預制構件,造成資源浪費,增加工程造價,進而降低裝配式結構競爭力,不利于產業發展。

本文在調研國內外裝配式地鐵車站及裝配式評價標準體系的基礎上,提出了裝配式地鐵車站評價體系。采用建立的評價體系對一座裝配式地鐵車站進行試評價,評價結果表明本文提出的評價體系具有較好的系統性、科學性和適用性。

1 研究現狀

1.1 裝配式地鐵車站技術現狀

1.1.1國外裝配式地鐵車站

日本曾采用盾構法建造地鐵車站,如采用雙圓盾構修建的裝配式車站,如圖1a所示。法國和俄羅斯曾采用礦山法結合裝配式技術進行車站的建設,如圖1b所示[2]。盾構法和礦山法的預制構件間采用干接,施工效率較高,但若將該技術應用于有一級防水要求的地鐵車站建設中,其連接和防水需進一步進行研究和論證。

圖1 盾構法和礦山法建造裝配式車站Fig.1 Prefabricated station constructed by shield method and mining method

俄羅斯曾采用明挖法進行裝配式地鐵車站建設,車站結構采用現澆整體式,如圖2所示。該方法通過合理的設計可實現等同現澆的效果,但施工效率需要進一步提高。

1.1.2國內裝配式地鐵車站

國內裝配式地鐵車站目前均采用明挖法,主要有全預制拼裝和裝配疊合整體式兩種形式。全預制拼裝技術主要在長春、青島、深圳的地鐵建設項目中應用。目前該體系主要采用大構件、干接頭,并在接頭處采用特殊防水構造保證結構防水性能滿足設計規范的要求。裝配疊合整體式主要在無錫、北京、上海、廣州等地的地鐵建設中采用,該體系主要采用小構件、濕接頭。

目前這兩種結構體系均有較多創新,如采用專用設備進行車站施工,采用“永臨結合”降低造價等。文獻[3]列出了較多的技術創新細節。

1.2 裝配式建筑評價體系現狀

1.2.1國外裝配式建筑評價體系

德國裝配式建筑采用DGNB評估體系進行評價。該評估標準從生態質量、環境質量、節能質量、經濟質量、功能質量、社會性質量、設計和規劃質量、技術質量、工程質量及基地質量等方面進行評價[4]。日本對裝配式建筑評價主要表現在住宅標準化及優良住宅部品認定制度,沒有專門針對裝配式建筑的評價標準 。美國聯邦政府住房和城市發展部(UHD)頒布了《美國工業化住宅建設和安全標準》(National Manufactured Housing Construction and Safety Standards),對裝配式建筑的設計、施工、熱能、電能、管道系統進行了規范。新加坡裝配式建筑注重易建性,并頒布了國家標準《易建性規范》,對總建筑面積 2 000m2以上建筑實行建筑物易建分值評定,針對不同類型建筑從設計和施工環節對建筑易建性進行評價[1]。

總之,國外裝配式建筑評價主要側重于質量、綠色、環保及節能等方面,不刻意追求裝配率。

1.2.2國內裝配式建筑評價體系

《裝配式建筑評價標準》作為針對裝配式建筑的評價標準,采用裝配率為唯一評價指標對民用建筑的裝配化程度進行評價,并且裝配率計算限制為室外地坪以上的主體結構部分。該標準通過單一評價指標,對評價過程進行了簡化,涵蓋了裝配式混凝土、鋼、木、組合及混合結構。參與評價的建筑必須采用全裝修,并對裝配率、主體結構、圍護墻、內隔墻的最低值均進行了限制。根據裝配率將裝配式建筑分為3個等級,即A,AA,AAA級。該標準以結果為導向,并未考慮建筑建造過程,由于過于強調裝配率,易導致為追求高裝配率而忽略高效益。另外,由于缺乏設計建造過程中的指標,對建設、設計和建造單位缺乏較為具體的指導。

基于國家標準,截至2022年已有31個省、自治區、直轄市頒布了各自的裝配式評價標準,絕大部分地方標準對國家標準的內容進行了補充和細化。北京市在國家標準基礎上增加了信息化、綠色建造的加分項[5];廣東省增加了標準化設計、綠色與信息化、施工與管理[6];貴州省增加了BIM技術、EPC模式、標準化設計、綠色建造部分[7];江蘇省增加了標準化與一體化設計、綠色建造技術、集成技術、項目組織和施工技術,并對國家標準中部分評分項的權重進行了調整[8];浙江省對國家標準中部分指標進行了細化[9]。

上海市地方標準與國家標準存在一定差異。從建筑設計、生產和施工、項目管理3個維度進行評價,在評價指標中也設置了引導新技術、新工藝、新產品推廣應用的條款[10]。

2 裝配式地鐵車站評價體系構建

2.1 構建目標、原則及邊界

2.1.1構建目標

1)對工程項目的工業化程度進行有效度量,采用量化科學的方法對每個評價指標進行清晰打分,并在綜合的過程中不丟失信息,最終利用較為可觀的結果反映車站的工業化程度。

2)評價體系能適用于不同使用者,不僅可用于建設方的效益評價,還能用于設計、施工等各方的自評估和第三方評價。

3)能對前期策劃、設計、施工起到指導優化作用。

4)評價體系簡潔易懂、可操作性強,方便各方使用。

5)工業化評價體系應顧及科技創新,只有通過不斷的創新,才能不斷提高裝配式車站各項效益。

6)工業化評價體系最終目的是成為市場改革的重要工具,理想的評價體系能促進裝配式車站的建設向高質量方向邁進,促進市場轉型。

2.1.2構建原則

1)全面性和代表性相結合 本評價體系評價對象為地鐵車站建筑結構,需考慮設計、生產、施工、效益四大維度,各維度提煉出能反映地鐵車站建造水平的關鍵指標,突出評價指標的重點性和代表性。

2)控制項和評分項相結合 參考目前國內評價體系,結合地鐵車站特點,設置控制項和評分項。控制項為車站設計和施工中必須滿足的最低限制,不滿足則不進行評分項評價。評分項為反映車站建造水平的指標。

3)定量和定性相結合 評價指標應盡量定量化,但由于評價的復雜性,不可避免地會存在定性指標,定性指標應結合評價方法進行設置。

4)科學性原則 評價指標的選取必須以建筑工業化理論為基礎,指標的選擇要結合地鐵車站和建筑行業的實際情況,具體指標均能合理、科學地反映建筑工業化概念、內涵、目標,且指標的計算方法、數據收集、權重確定等均要以科學理論為基礎。

5)獨立性和互償性可控 評價指標間要盡量避免存在信息重疊交叉或相互包含的關系,通過科學方法對指標進行篩選處理,使指標間相對獨立。各指標間具有一定的互償性,保持評價體系的相對靈活,但又可以進行一定約束。

6)動態性原則 評價指標應根據行業發展進行動態調整,既保持一定的超前性,又結合當前實際情況,鼓勵政府及企業進行自主創新,激發市場活力。

2.1.3構建邊界

評價對象為地鐵車站建筑結構,包括地鐵車站所有主體結構和附屬設施,適當考慮圍護結構。評價的時間維度包括設計階段和施工階段,不包括項目前期策劃階段和車站后期運營階段。評價的專業包括建筑、結構、裝修和技經。

2.2 評價體系指標及權重

評價體系指標分為控制項和評分項,控制項條款為必須滿足的條款,控制項全部滿足則進入評分項進行評分,否則不進行工業化評價。通過評分項最終確定評價等級。評分項指標共分為三級,第一級分為四項,即設計、生產、施工、效益。

1)在設計的一級指標下,設有車站總體設計、標準化設計、裝配率、結構體系適應性、BIM技術應用、科技創新和綠色設計二級指標。其中,在裝配率計算中除了考慮主體結構還綜合考慮裝修和設備管線的影響。三級指標是對二級指標的進一步細化,在二級指標車站總體設計下設置預制標準段長度、柱(墻)網重復率兩項三級指標;在標準化設計下設置基準定位、尺寸公差、模數協調、構件重復率等三級指標;在結構適應性下設置運輸吊裝適應性、地層適應性、圍護適應性三級指標;在科技創新和綠色設計下設置新結構體系、新連接構造、新材料、永臨結合等三級指標。

2)在生產的一級指標下設置生產管理、預制工藝及技術、預制構件儲運堆放及成品保護、科技創新和綠色生產二級指標。

3)在施工的一級指標下設置施工管理、主體結構施工措施及技術、二次結構和機電裝修一體化施工、科技創新和綠色施工二級指標。

4)在效益的一級指標下設置經濟效益、社會效益、環境效益二級指標。

各項指標的權重由專家咨詢和層次分析法確定,由于設計對施工以及最終的效益有關鍵作用,因此設計所占權重最高,為0.45。在設計方案確定后,生產和施工仍有優化空間,生產和施工過程控制有助于實現設計目的和高效益,故權重僅次于設計,均為0.20。效益是設計和施工產生的結果,是裝配式建筑得以推廣的關鍵,在現階段效益權重最低,為0.15。各級指標及權重如圖3所示。

圖3 評價體系指標和權重Fig.3 Evaluation system index and weight

2.3 評價方法及分級標準

裝配式地鐵車站評價指標中控制項必須全部滿足本標準的相關要求。四類一級指標總分均為100分,二級指標和三級指標的最高分分別按式(1),(2)計算：

Q2i(max)=100W2i

(1)

Q3i(max)=100W3i

(2)

式中：Q2i(max),Q3i(max)分別為二級指標和三級指標最高分;W2i,W3i分別為二級指標和三級指標權重。

裝配式車站最終得分按式(3)計算：

(3)

式中：Q為總得分;Q1i為四類一級指標(設計、生產、施工、效益)評分項得分;W1i為四類一級指標(設計、生產、施工、效益)權重。

通過對比工程項目中各項指標實施情況,對三級指標進行打分后求和可得各一級指標總分。車站工業化評價等級分為五級,根據最終得分Q,按表1規定進行分級。

表1 地鐵車站工業化建造等級劃分Table 1 Classification of industrialized construction grade of subway station

3 工程項目評價實例

3.1 工程概況

無錫地鐵S1號線是一條正在建設的城際軌道交通工程,連接江蘇省無錫市、江陰市。南門站為第三座車站,車站位于規劃長慶路與虹橋南路交叉口,沿虹橋南路敷設,為地下2層島式車站。車站外包長198.7m,有效站臺寬11m,單柱雙跨結構,縱向柱距9m。車站采用明挖法施工,除兩端盾構井采用現澆外,其余150m長度采用裝配疊合整體式結構,車站標準段如圖4所示。主體結構設計采用預制疊合梁、預制鋼管柱、預制預應力疊合板、預制樓梯等,構件尺寸和質量較小。工廠生產采用先張法流水線及組合結構柱流水線;現場施工采用新型構件吊裝、構件翻轉、安裝精調等設備。

圖4 裝配式地鐵車站結構示意Fig.4 Prefabricated subway station structure

3.2 評價結果

評價結果如表2所示。由表2可知,計算獲得的總得分為90.15分,達到國內領先水平。從評價結果中可以看出,現場施工表現最為突出,設計、生產和效益還有提升空間。本評價結論與國內眾多專家的評價結論較接近。同時,通過基于本文提出的評價體系的評價,項目各參與單位能較為清楚地了解各自有待提升的地方,對裝配式地鐵車站的發展具有指導性。

表2 裝配式地鐵車站評價Table 2 Evaluation of prefabricated subway station

4 結語

本文在對國內裝配式車站及裝配式評價標準充分調研的基礎上,提出了裝配式地鐵車站評價體系,并對無錫地鐵S1號線裝配式地鐵車站進行了評價,得出以下結論。

1)地下車站和地上建筑在結構類型和發展成熟度上均存在差異,構建考慮建造過程的評價體系具有重要意義。

2)從設計、生產、施工、效益角度,采用三級指標對裝配式車站進行評價,能夠對裝配式車站的工業化程度和先進性進行有效度量,可以引導項目各參建方對建造各環節進行優化及創新。

3)裝配式車站實際工程的評價表明本評價體系具有很好的適用性和可操作性。