基于部品库标准化构件的装配式混凝土建筑设计优化研究

■ 住房和城乡建设部科技与产业化发展中心 刘美霞

江苏省建筑设计研究院有限公司 卞光华 董嘉林

北京交通大学土木建筑工程学院 袁泉

装配式建筑已经成为世界各国建筑业发展的趋势之一，同时也是我国建筑业转型发展的新需求、新动力。装配式建筑的多种优势符合我国建筑产业现代化和节能减排的要求，能有效地解决“粗放”建造方式带来的资源、能源过度消耗和浪费，促进建筑产业可持续发展。

装配式建筑是指用预制部品部件在工地装配而成的建筑，具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用六大特征，装配式建筑既包含主体结构的装配化，也包含装修的装配化[1]。

专家学者已对装配式建筑标准化设计做了一定的研究，标准化设计作为装配式建筑的首要特征，是装配式建筑构件生产及施工的必要前提，具有提高品质、缩短工期、提高效益、降低成本等优点[2]。文林峰、刘美霞通过对国内外装配式建筑标准化部品库的研究，提出了部品部件标准化的系统解决方案，以实现装配式建筑关键部品与装配式建筑标准化关键技术的融合和应用[3]；李海洋、周建强等提出了标准化设计是住宅建筑设计的发展趋势，并从住宅户内、公共空间以及建筑部品部件标准化设计等方面阐述了标准化设计带来的综合效益[4]-[5]；王广明、刘美霞针对建筑建造过程中的节能减排效益进行实证分析研究，从资源能源消耗、建筑垃圾排放、噪音和空气污染排放等多方面进行分析，验证了装配式建筑具有较大的综合效益[6]；张颖杰结合工作实践从功能定位、空间组织设计及户型设计三个方面，对住宅建筑的标准化设计内容、步骤等进行了阐述[7]；蔡恩健等从建筑设计过程中模数化、精细化、选择合适的模块、构件标准化等方面进行了研究，给出了常用部品部件标准化设计方法[8]。

本文以南京市某装配式住宅楼项目为例，对该项目的标准化设计方法进行探讨，并总结由此带来的综合经济效益和社会效益，以期为同类装配式建筑项目的标准化设计提供参考。

1.项目概况

南京市和燕路560E地块项目位于南京栖霞区，用地性质为二类居住用地，用地面积为52784m2，容积率为1.01～1.6，建设内容为住宅及相关配套设施。拟采用剪力墙结构，全板式布局模式，共有12栋建筑，其中9栋为小高层住宅，总建筑面积为126677m2，其中地上建筑面积为84455m2。该项目原设计为现浇结构，通过采用装配式建造方式进行优化并达到了以下效果：（1）全装修住宅交付；（2）使用预制外墙体，且预制外墙体的水平截面积超过相对应地面以上规划总建筑面积的2%；（3）预制装配率不低于50%。

2.装配式建筑标准化设计

标准化设计是装配式建筑的首要特征。该项目在平面设计中首先进行模数化、模块化等标准化优化，汇总归集模块的类型和尺寸，选用标准化部品部件库的BIM模型进行组合设计，以达到构件重复使用率高、“少规格、多组合”的课题示范工程目标。

平面标准化设计总体目标

原有建筑方案户型种类繁多，分为A、B、C、D、E五大类主力户型，各功能区尺寸凌乱不一，同时建筑层数较低，各种功能区间尺寸零碎且尺寸梯度不大，不利于发挥装配式建筑的优势。为此，重新以“少规格、多组合”对建筑平面进行优化：一是居住建筑宜选用大开间、大进深的平面布置，增加建筑布局的灵活性；二是各户型中南阳台较多是镜像关系，可考虑调整为平移复制关系；三是建筑楼梯、阳台、空调板宜采用标准化产品；四是凸窗有1700mm、1800mm、2000mm、2100mm、2300mm等不同尺寸，可在一定范围内进行归并，同时凸窗位置可考虑居中布置；五是厨房、卫生间存在尺寸规格、布置相近的情况，可以将其规格归并统一；六是提高每一项内装部品部件的标准化程度。厨房和卫生间的平面尺寸满足标准化整体橱柜及整体卫浴的要求。

图1 楼梯、电梯的模块化设计

图2 厨房模块化设计

楼梯和电梯模块化设计

该项目将部分户型的公共楼梯、电梯间采用模块化设计，楼梯间的净宽为2500mm，长度为5600mm，如图1所示。

厨房模块化设计

户型A1、B1、C1的厨房采用模块化设计，其开间为1950mm，进深为3350mm，如图2所示。

主卧模块化设计

户型A1、A2主卧采用模块化设计，模数为3400mm×3700mm，如图3所示。

卫生间模块化设计

户型A1、A2的公共卫生间采用模块化设计，模数尺寸为1500mm×2900mm，如图4所示。

客厅和阳台的模块化设计

户型A1A2、户型C1C2的客厅和阳台采用模块化设计，阳台的面宽为3900mm，外挑尺寸为1800mm；客厅的开间为3700mm，如图5所示。

标准化设计优化结果

通过对原建筑方案进行标准化设计与优化后，户型种类得到合理归并，构件类型大为减少，大多数均采用标准化构件，从而减少了预制构件的开模数量，降低了PC 构件的预制成本，取得了良好的经济效益。优化后的标准户型如表1所示。

图3 主卧模块化设计

图4 卫生间模块化设计

图5 客厅和阳台模块化设计

表1 标准化户型

3.标准化部品设计与部品库应用

装配式建筑标准化部品部件设计应考虑其全生命周期，根据部品部件在建筑物所处功能和要求的不同，遵循受力合理、连接简单、施工方便、重复使用率高、易维护和更换的原则[9]。标准化部品以实现集成化功能为特征，进行成套供应，如预制整体厨卫等。

标准化部品部件设计

根据优化后的建筑方案，设计了以下预制方案：主要预制构件包括预制叠合楼板、预制楼梯、预制外墙、预制内剪力墙、预制叠合阳台、凸窗、女儿墙等；标准层除卫生间等降板区外，采用预制叠合楼板；标准层采用预制楼梯；地上3层及以上采用预制剪力墙。具体采用的预制构件种类，见表2。

表2 预制构件种类

标准化部品库应用

标准化部品库是采用建筑信息模型BIM手段对标准化部品部件数字化表示的模型集合。课题组通过使用部品部件分类与设计标准，建立标准化的部品部件库，包括部品部件的规格、制造商、编号以及在设计和使用过程中的所有相关信息，如图6所示，通过参数化查找和设计，基于排列组合，以大数据作为支撑，实现装配式建筑的标准化设计。

该项目采用的标准化部品库中的预制部品部件包括预制内外剪力墙、预制钢筋桁架叠合板、预制阳台、预制楼梯、预制女儿墙等。各种构件类型数量及尺寸，如表3所示。

图6 标准化部品部件库

表3 标准化部品部件

标准化部品库模型实例

该项目采用了大量标准化部品库中的模型，主要有：预制叠合板采用标准化钢筋桁架叠合板，BIM图见图7-1；预制内剪力墙标准化部品BIM图见图7-2；带门框及窗框的预制外剪力墙标准化部品BIM图见图7-3；预制飘窗标准化部品BIM图见图7-4。

本项目预制阳台采用预制叠合阳台板，阳台板连同周围翻边一同预制，现场连同预制阳台隔板共同拼装成阳台整体，标准化部品BIM图见图7-5所示；标准层楼梯采用预制混凝土梯段板见图7-6所示，预制楼梯安装时，梯段直接搁置在楼梯梁挑耳上，一端铰接一端滑动连接，预制楼梯在工厂制作，采用清水混凝土而无需再做饰面。

4.工程效益分析

从宏观层面讲，装配式建筑的推广应用可实现节能、环保和低碳的综合效益。本项目工程效益分析主要从社会效益、环境效益、经济效益三个方面进行考虑。

社会效益

该项目中装配式建造方式的应用顺应了时代的发展，作为南京市商业地产的装配式项目，在社会上起了很好的示范效应，为其后续项目中装配式建筑的推广应用提供了经验和借鉴。另外，装配式建造方式的应用使现场建筑工人的施工环境得到了优化，减少了招工难度及用工量，工人都是经过考核后培训上岗的专业技术工人，从原先的手工劳动转变为专业机械化劳动，从传统的农民工转型为产业工人，促进了其稳定就业及定居，顺应了城镇化发展的趋势。

图7-1 标准化BIM图

图7-2 标准化预制内剪力墙BIM图

图7-3 标准化预制外剪力墙BIM图

图7-4 标准化预制飘窗BIM图

图7-5 标准化预制阳台BIM图

图7-6 标准化预制楼梯BIM图

环境效益

从环境角度考虑，本项目采用装配式建造方式，一方面，节约了现场用水量。装配式建筑是在工厂生产PC预制构件，避免了湿作业，减少了现场混凝土和设备用水。此外装配式建筑采用机械安装，减少了工人数量，便于现场管理，同时也减少了各种生活用水和浪费；另一方面，节省了建材及能源消耗。装配式建筑是在工厂制造预制构件，对其生产方式以及使用的材料和产品质量都有着严格的控制和管理，相对于传统的现场浇注最大程度上降低了建筑材料的浪费及用电量。

经济效益

以1号及9号楼为例，单体建筑应用预制外墙体层数为地上4～11层。应用预制外墙体截面积共计为180.58m2（已扣除需要现浇部分，如边缘构件等）。单体地面以上部分总面积为8508.23m2。此单体根据《南京市关于进一步推进装配式建筑发展的实施意见》[10]，不计入容积率核算的建筑面积不应超过相对应地面以上规划总建筑面积的2%，即8508.23×2%=170.16m2。该项目申请“第二个”2%奖励“不计入容积率核算的建筑面积不超过相对应地面以上规划总建筑面积的2%”，即本项目预制外墙共有170.16m2不计入外墙面积核算，为甲方争取了利益最大化，也意味着降低了装配式建筑的建安成本。该项目构件采用部品库中的部件，通过复杂构件模型的下载及应用，减小了深化设计的工作量，提高了设计效率，通过模型数据参数化的调整，在标准化设计方面进行了优化。

单纯的从单方造价考虑，现阶段采用装配式建造方式会增加建造成本，其主要原因还是在于建筑产业化发展初期，采用装配式建造的建筑尚未形成规模效应，标准化部品部件应用不足，无法发挥工业化批量生产的价格优势。后期随着建筑产业化发展，预制构件标准化、模数化的逐步完善，通用产品应用比例的逐步提高，从而形成规模化生产，必然能够降低装配式建筑的建安成本，其综合效益也将日益突出。

5.结语

装配式建筑具有能够有效降低现场施工的劳动强度，缩短工期、节能环保，提高建筑质量等方面的优势。本文以南京市装配式建筑商业项目为例，通过建筑平面标准化、结构部品部件标准化、构件的拆分优化以及所带来的综合效益等方面，分析研究了标准化、模数化设计的方法和优势，实现建筑主体、建筑内装及部件部品等相互间的尺寸协调，减少了构件类型，降低开模数量，降低PC 成本，取得了较好的社会、环境与经济效益，为同类装配式建筑项目的标准化设计提供了参考。