以装配率为导向的装配式建筑方案设计优化

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

1 引言

装配式建筑是由预制部品部件在工地装配而成的建筑[1]，以系统化、标准化、集成化为特点，并具有生产效率高、受天气影响小、环境影响小等优点，是我国“十三五”期间大力推广的建筑形式。迄今为止，国家出台了一系列相关规定及措施推进配式建筑的发展。由于装配式建筑在设计、部件预制及现场安装等环节还存在诸多技术及管理问题，尤其是装配式建筑的评价指标和方法不统一，规定差别大、可实施和指导性不强、关键技术标准缺乏，阻碍了装配式建筑发展[2-3]。2018年2月1日，由住房和城乡建设部科技与产业化发展中心会同有关单位编制的国家标准《装配式建筑评价标准》(以下简称《标准》)正式实施。该标准作为国家强制标准，明确了相关概念，制定了统一的评价标准，为装配式建筑的发展指明了方向。

装配式建筑强调设计、生产、施工、运营维护一体化[4]，设计阶段在整个流程中发挥着核心和统筹作用。规范规定了装配式建筑设计的流程方法及相应的技术标准[5]。目前，装配式建筑设计的研究主要集中于模块化设计理念、BIM技术运用、参数化协同设计、构建拆分与深化设计[6-12]，以及对于装配式建筑构件剪力墙、梁、板等单项预制构件的结构拆分设计的研究[13-16]。以往研究虽然也涉及到装配率的概念，但不能体现装配率作为国家标准的强制性和导向性作用。“装配率”不仅是综合反映建筑装配化程度的指标，也是国家依据此标准作为对装配式项目实施经济补偿的重要标准。本文基于BIM技术和参数化设计理论，将正向设计和逆向设计相结合，研究以装配率为导向的装配式建筑方案设计优化。

2 基于《标准》的设计原则和预制构件选择

2.1 装配式建筑评价标准

(1)《标准》的内涵和外延

《标准》将《工业化建筑评价标准》中的构件预制率和建筑部品装配率概念进行整合，将各地区的预制率、预制装配率、装配化率等概念统一为“装配率”：即单体建筑室外地坪以上的主体结构、围护墙和内隔墙、装修和设备管线等采用预制部品部件的综合比例，并指出装配率是对单体建筑装配化程度的综合评价结果。《标准》以控制性指标明确了最低准入门槛，以主体结构、围护墙和内隔墙、装修和设备管线等指标，确定装配率和建筑单体的装配化程度。

《标准》规定：“建筑装配率不低于50%、采用全装修、主体结构部分的评价分值不低于20分、围护墙和内隔墙部分的评价分值不低于10分”的建筑为装配式建筑。并且主体结构竖向构件中预制部品部件的应用比例不低于35%，可进行装配式建筑等级三级评价(见表1)，该标准不但明确界定了装配式建筑的内涵和外延，也为政府制定奖励机制提供了弹性范围。

表1 装配式建筑等级评价

(2)装配式建筑的设计程序

装配式建筑的设计程序分为方案设计、初步设计、施工图设计3个阶段，如图1所示。

1)方案设计阶段主要从户型设计、标准层设计、确定构件拆分原则以及PC布置方案几个方面进行。装配式建筑户型设计主要采用模块化的方式，将建筑空间根据功能分块，通过模块组合设计户型[17]。构件拆分原则见2.2节，并对其进行PC构件布置。

2)初步设计阶段对预制构件类型和尺寸进行合理选择，以此提升工业化生产效率。

3)施工图设计阶段主要进行PC构件的深化设计，扩展设计信息，提高设计质量。

图1 装配式建筑设计程序

(3)预制构件设计优先次序

装配式建筑按结构类型分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构四种类型，预制部件主要为预制剪力墙、预制外挂墙板、预制柱、预制叠合板、预制梁、预制楼梯和阳台、空调板等。鉴于剪力墙结构在我国的普及性，本文以装配式剪力墙结构体系为研究对象，通过对合肥蜀山产业园公租房等11项代表性装配式建筑工程的统计分析，得出装配式建筑剪力墙结构的外部权重和内部权重，以及评级标准规定的单项构件预制率的最低要求，结合《标准》评分表，剪力墙结构预制构件率最低要求和相应权重如表2所示。

表2 剪力墙结构建筑PC构件权重评分表

由表2中可知，主体结构部分占比较大，其中梁、叠合板以及预制非承重外围护墙对装配率的贡献程度最高，承重墙次之，其余次要结构受力构件贡献率最小。根据现有的装配式建筑设计经验，在构件选择时，除考虑构件占比外，还需结合预制构架的制作、施工工艺和安装等特点进行综合考虑[18]。一般来说，预制构件的选择顺序如图2所示，此外，通过统计分析，得到不同评价等级对应的构件应用比例(如表3 )，因预制构件中梁、板对装配率影响最大，所以装配率的变化主要以调整梁、板应用比例为主。

图2 预制构件选择顺序

表3 不同评价等级的构件应用比例

在等级评价过程中，若装配评价等级要求达到A级及以上，在优先选择PC构件时应同时满足该构件的最低要求。另外，装修和设备管线中全装修为必选项，体现了装配式建筑采用全装修的导向。虽然这一整体项占分较低，但从长远发展的需求看，在设计时使用主体结构和装修、管线全分离形式、装修全干式工法作业、集成式装配厨卫等，可以提高施工的精度和质量，实现装修的部品化和产品化，在一定程度上可以提高预制装配率。

2.2 构件拆分原则

装配式建筑构件拆分是设计的关键环节，本文利用Structural Precast for Revit插件对PC构件拆分。Structural Precast for Revit 是Autodesk 2017年发布的一款插件，主要功能是根据拆分原则设定的拆分条件分割结构楼板、基础底板或者结构墙体，进行预制构件分块设计。根据《预制预应力混凝土装配式整体式框架结构技术规程》JGJ224-2010和相关文献中的规定[5,19]，对构件的拆分一般遵循“少规格、多组合”的原则，具体规定见表4。此外，设计者还需根据项目实际情况进行拆分，方便拆分、生产及装配。

表4 构件拆分原则

(续)

3 基于BIM-Dynamo的参数化设计

BIM作为我国十三五期间大力推广的技术，是推广装配式建筑有力的工具，可以实现基于网络的信息共享和协同工作，实现项目设计、构件制作、构件安装及后期运营的集成化管理目标。

3.1 Dynamo平台

Dynamo是一个运行在Autodesk Vasari和Revit上的开源可视化编程平台，2017及以上的Revit版本中，Dynamo已经成为默认安装的插件。Dynamo的节点库中包含了一系列用于选择、创建、编辑、查询Revit中图元的节点。 Dynamo深度集成了大量的Revit API命令，可以实现图形化算法编辑器来访问Revit数据，实现深层次的数据信息挖掘。其一方面补充了Revit的功能，可以进行异性复杂形体的创建；另一方面对于流程中机械重复的工作，通过Dynamo程序提升作业效率，提升设计质量和效率[20]。

3.2 基于装配率的Dynamo参数化方案优选设计流程

根据2.2节介绍的拆分原则，预先确定及预制构件，结合Dynamo参数化平台，进行装配式建筑方案设计。基本思路是：首先确定和选中构件图元，利用Dynamo提取模型构件参数信息，然后根据各评价项应用比例公式对各项评分(评分标准见表1)，利用评分值进行装配率计算，最后根据装配率进行等级评价。若装配率未达标，可以通过Dynamo中的相关节点进行交互式设计，快速调整设计方案，直到装配率和评级等级达到预期望，具体流程如图3所示。

图3 Dynamo参数化设计流程图

4 应用实例

4.1 工程概况

本工程为两层剪力墙结构住宅，共计4户，二类建筑，采用65标准化户型模块，建筑总面积570.16，共两层，设计使用年限50年，建筑耐火等级不低于2级，屋面防水等级为2级，耐用年限15年，抗震设计七度设防。采用装配剪力墙结构体系，目标装配率为78%，AA级装配式建筑,工程全装修。图4为本工程的BIM三维图。

图4 BIM三维图

图5 标准层平面图

4.2 标准化设计

(1)户型标准化设计

通过归纳整理住宅户型设计及组合形式，本文户型设计主要有35、50、65三种标准化户型，图5为基于标准化设计的基本户型平面布置图。

(2)预制构件设计原则

本项目结构设计执行《装配式混凝土结构技术规程》JGJ 1-2014相关规定以及上述的构件拆分原则，其中主体部分结构采用预制剪力墙、叠合板、预制楼梯等预制部品。

(3)预制构件选择顺序

本项目预制构件选择顺序为楼梯、女儿墙、叠合板、内墙、剪力墙。

4.3 装配率计算及方案优选

(1)装配率计算

利用Structural Precast for Revit插件对Revit模型中的构件进行拆分，拆分界面和拆分部分结果分别如图6和图7所示，当楼梯、内墙、剪力墙、叠合板、女儿墙等构件分别采用预制构件的情况下，利用Dynamo通过计算规则计算预制部品部件的应用比例，其应用比例计算结果见表6。最后通过编写python评分公式对相关项评分，得出装配率为58.8%，程序运行的工作空间如图8所示。

图6 Structural Precast for Revit拆分界面

图7 板、墙拆分示意图

表6 单体建筑应用比例计算表

图8 Dynamo程序运行空间

(2)方案优化

上文计算出的装配率未达到目标，通过可滑动节点Number Slider将装配率调整为78%， Dynamo会按照构件权重比例更改构件应用比例，从而根据应用比例的变化，更改方案设计。项目修改装配率后，各构件应用比例如表7所示。

同时，在其他预制构件应用比例不变的情况下，分别增加预制梁和预制柱整体装配率亦会发生变化，只增加预制梁的情况下，预制梁的应用比例只需7%，就可使装配率达到78%，而只增加预制柱的情况下，预制柱的应用比例要达到49.5%才能使装配率达到78%。

表7 修改前后构件的应用比例

5 结语

以装配率为目标导向，利用Dynamo参数化插件和BIM技术对装配式建筑方案设计，有助于整体设计方案的拟定。在总体设计目标确定的基础上，依据现有技术手段和实践经验，优先确定预制构件和拆分设计，在此基础上进行预制构件的深化设计，是装配式建筑方案设计的关键。本文研究了预制构件拆分原则和优选顺序，通过参数化设计实现了装配率的自动计算和方案优选，为装配式建筑方案设计提供借鉴和指导。