基于装配式钢结构中小学教学建筑设计标准化的浅议

原雪风 高学芹 李维松 杨雪峰

1. 中国矿业大学工程咨询研究院（江苏）有限公司 江苏 徐州 221008；2. 江苏建筑职业技术学院 江苏 徐州 221008

引言

工业化快速发展对我国建筑行业具有极大的促进作用，在其设计方面，工业化的生产线为建筑标准化奠定了基础，是标准化设计的前提。在建造水平日益提高和国家教育建设大力推进的现状下，中小学建筑的标准化设计具有重要意义。以标准化手段，从个体到总体的设计，从局部简单设计到系统复杂设计，以实现控制成本、提高生产效率、保障产品品质为目的，将中小学教育建筑按照工业制品的工业化生产方式进行生产，以现代化的生产模式从而得到标准化的建筑成品。并且中小学教育建筑依据标准化设计，呈现出统一化、系列化、组合化、模块化的特点，在实际建设过程中能够保证质量的同时快速设计、施工，并进一步降低生产成本，因此，将钢结构中小学建筑标准化设计运用到实际工程中具有重要的实践意义。

1 中小学建筑设计标准化的意义

中小学建筑的标准化设计是通过建立标准化体系，对工程的建设规模和建造标准进行规范，通过控制产品的品质，建立有利于实现中小学建筑产品安全性和良好的使用性能，能够满足使用者的功能及情感需求。在工程造价上，标准化设计也具有得天独厚的优势，能够降低造价并为控制工程投资提供依据。在中小学建筑项目建设中，标准化设计有利于建筑、结构部件、部品系列化和模块化生产，促进装配现代化，也加快了中小学建筑的建设速度。

在此基础上，我们提出中小学建筑可采用以普通教室为单元的标准模块化设计策略，既满足现代教学的功能，保证教育空间的均好性、经济性，又实现可持续发展背景下的建设需求[1]。

2 中小学建筑设计标准化的内容

2.1 建筑功能空间设计标准化

中小学教学建筑是以普通教室的教学空间为主，与交通空间（走道、楼梯）、生活服务空间（卫生间）等构成完整教学建筑。

2.1.1 教学空间：依据《中小学设计规范》对建筑空间面积的要求：小学普通教室最小使用面积为67.5m2（45人/班），中学普通教室最小使用面积为75m2（50人/班），即生均为1.5m2。从而得出教学楼的普通教室柱网空间可定为7.5×9.6m（小学）、8.0×9.9m（中学）标准化尺度；（如图1所示）。

图1 小学普通教室标准平面图与中学普通教室标准平面图

2.1.2 交通空间。

2.1.2.1 疏散走道。根据《中小学设计规范》要求：中小学校建筑的疏散通道宽度最少应为2股人流，并应按0.60m的整数倍增加疏散通道宽度（每股人流的宽度应按0.60m计算），其宽度按照每100人的净宽度计算（见表1），同时应满足教学用房的内走道净宽度不应小于2.40m，单侧走道及外廊的净宽度不应小于1.80m。所以常用1.8、2.4、3.0、3.6m等模数化净尺寸控制设计空间尺度，通常柱跨取2.6、3.0、3.6、4.2m（包含防火及外饰面后柱截面取0.6×0.6米）。（见图1）

表1 安全出口、疏散走道、疏散楼道和房间疏散门每100人的净宽度（m）

2.1.2.2 楼梯间。《中小学设计规范》（GB50099-2011）要求：中小学校教学用房的楼梯梯段宽度应为人流股数的整数倍。梯段宽度不应小于1.20m，其宽度按照每100人的净宽度应按表1计算，并应按0.60m的整数倍计算梯段宽度。每个梯段可增加不超过0.15m的摆幅宽度。

由此，在实际项目设计中，通常单个中小学教学楼长度多为4～6口教室，按照规范要求，则楼梯梯段净宽度多为2.4～3.6米，所以楼梯间开间可以采用3.0m或4.2m柱跨（柱截面取0.6×0.6m）。疏散楼梯宽度应根据实际项目具体人数最多一层经计算确定。

2.1.3 生活服务空间（卫生间）。卫生间设置见给排水设计标准化详述。

2.2 维护结构设计标准化

根据《中小学设计规范》（GB50099-2011）要求：中小学校主要教学用房的最小净高应符合以下规定：普通教室3米（小学）、3.05m（初中）3.1m，通常中小学教学建筑教学楼设计则采用3.6m（小学）、3.9m（中学）层高，满足教室单元的标准化空间、采光、通风要求。从而形成以围合教室空间为组成单元标准的外墙、外窗、内隔墙及内门窗的标准化部品部件，实现维护结构设计标准化。

2.3 结构构件设计标准化

为了充分实现设计标准化目标，在钢结构中小学建筑设计中，根据《建筑结构荷载规范》及《建筑抗震设计规范》、《装配式钢结构建筑技术标准》，以满足结构设计原则：结构坚固、耐久，建筑物的各项功能符合要求，美观大方，技术先进 ，合理降低造价。

以普通教室为单元结构布置时，应着眼于满足建筑使用功能、施工方便快捷、标准化程度高等几方面因素。以教学用房一般较为规则方正的特点，主体结构采用统一的构件布置方案，统一的节点连接方式，实现了设计标准化和施工模式化。其中：钢柱采用钢制箱型（壁厚根据荷载计算），钢梁采用H型钢梁，梁柱结构平面布局及构件见图2、图3所示，具体项目根据实际荷载及计算选用主次梁高度及型材规格。其节点连接采用螺栓连接。

图2 小学普通教室标准平面结构布置及构件选用表

图3 中学普通教室标准平面结构布置及构件选用表

在满足规范要求及结构安全前提下，以选用大批量少规格钢结构构件，实现工厂标准化制作、现场标准化安装。

2.4 设备配置设计标准化

在《中小学设计规范》（GB50099-2011）中，对教学建筑室内环境的空气质量、采光、照明、噪声控制均有明确规定，因此在标准化模数空间里，对各项设备则可采用标准化设计、选型、安装，从而实现设备配置设计标准化，主要分为以下几方面：

2.4.1 给排水设计标准化。中小学教学建筑中给排水专业设计包含给水、排水两方面。给水有生活给水、消防给水等，其中生活给水按照下式计算：

式中：qg-计算管段的给水设计秒流量(L/s)；

Ng-计算管段的卫生器具给水当量总数；

α-根据建筑物用途而定的系数，应按教学楼α值取1.8采用。

中小学教学建筑通常以固定班级数量及师生总人数计算出卫生间器具数量，依据规范要求：①男生应至少为每40人设1个大便器或1.20m长大便槽；每20人设1个小便斗或0.60m长小便槽；女生应至少为每13人设1个大便器或1.20m长大便槽； ②每40-45人设1个洗手盆或0.60m长盥洗槽；所以卫生间空间可以根据班级数量采用模数化设计：每班约设男卫大便器（小学0.6个/班，中学0.7个/班）、小便器（小学1.5个/班，中学1.5个/班）；每班约女卫设大便器2个/班，每40-45人设1个洗手盆或0.60m长盥洗槽。根据一栋教学楼包含的教室数量从而能够估算出其需要的给水量，进而设计相应给水管管径、数量[2]。

消防给水则按照现行国家标准《建筑给水排水设计规范》有关规定设计。

中小学教学建筑中排水专业设计包含生活污水、雨水排水，其中污水排水设计依据 《建筑给水排水设计规范》中小学教学楼建筑生活排水管道设计秒流量，应按下式计算：

式中：qp-计算管段排水设计秒流量(L/s)；

Np-计算管段的卫生器具排水当量总数；

α-根据建筑物用途而定的系数，按2.0～2.5计算；

qmax-计算管段上最大一个卫生器具的排水流量(L/s)。

当计算所得流量值大于该管段上按卫生器具排水流量累加值时，应按卫生器具排水流量累加值计算。

雨水排水则按照现行国家标准《建筑给水排水设计规范》有关规定设计。

2.4.2 暖通设计标准化。中小学校建筑的采暖通风与空气调节系统的设计应满足舒适度的要求，并符合节约能源的原则。可根据所在地的气候特征、能源资源条件及其利用成本，经技术经济比较确定采暖与空调冷热源形式。房间采暖设计温度不应低于18℃。

中小学校建筑的通风设计应优先采用有组织自然通风设施，室内空气质量应符合现行国家标准，普通教室的新风量应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189的有关规定。当采用换气次数确定室内通风量时，各主要房间的最小换气次数应符合小学2.5（次/h）、初中3.5（次/h）、高中4.5（次/h）的标准。

2.4.3 电气设计标准化。中小学校建筑的普通教室电气设计可分为强电（照明、动力）和弱电系统，以普通教室为标准单元，其强、弱电布置及电气设备数量如图4与图5所示。（见文末）

图4 中小学普通教室照明布置平面图与中小学普通教室动力布置平面图

图5 中小学普通教室弱电布置平面图与中小学普通教室电气设施数量统计表

3 装配式钢结构中小学建筑设计标准化的应用

目前全国各地有一大批已建或在建钢结构中小学建筑，尤以中建科工先后在北京、上海、深圳、天津、成都、石家庄、厦门、徐州、宿迁等多个国内重点城市以及海外地区承建了近百所装配式钢结构学校，大力推行钢结构装配式建筑新理念、新体系、新技术，形成GS-SCHOOL的钢结构装配式学校建筑品牌，具有抗震安全、结构耐久、空间灵活、舒适度高、跨度更大、净空更高、装配率高、造价经济、快速交付、绿色环保等显著优点，并在项目建设过程中大力推广应用智能制造、智慧建造、智慧工地等新技术。其中仅2020年在江苏省宿迁市就有11所约52万m2的中小学建成并成为省级建筑产业现代化示范项目。

此外，还有以装配式钢结构技术建成的典型学校：

深圳大磡小学：深圳首个装配式钢结构学校建成。60多间教室像积木一样搭建而成，由于预制构件配件可在工厂内同步进行，因此该项目现场投入的木工、钢筋工等只占同等建筑面积现浇结构的60%，工期缩短约35%，只用了4个多月，现场施工人员也减少了40%。

绍兴县钱清中学：该项目从接受委托到建设完成投入使用只有短短17个月，设计团队仅耗时两个月便将全套施工图纸交付施工。针对教育建筑的独特性：中小学教育建筑普通教室的开间进深比例相似，功能用房具有相当的适应性，各个功能模块组合相对固定，因此使得中小学教育建筑符合预制装配式建筑最需要满足的经济可操作性。采用定制化的钢结构体系，节省大量的项目运作时间，降低至少5%以上的中间环节成本[3]。

4 结束语

从长远发展来讲，装配式钢结构中小学建筑采用标准化设计是社会和科学技术发展的必然要求，是我们在当前社会工业化产生的，需要一定发展过程。本文通过对标准化在装配式钢结构中小学建筑设计运用中的分析与研究，使我们充分认识到标准化设计的优点：减少设计工作量，提高劳动效率；促进建筑工业化、装配化，加快建设速度；有利于采用和推广新技术；便于实行构配件生产工厂化、装配化和施工机械化，提高劳动生产率，加快建设进度；可为后期的施工、运营管理等带来便利。装配式钢结构中小学建筑采用标准化设计的推广和运用，可以使我们的设计更加合理和完善，进而为使建设工程可持续发展贡献自己的一分力量。