浅析预制装配式建筑的精细化设计问题

江淑芳

近年来，随着我国城市化进程不断加快，建筑项目数量明显增多，为解决施工周期长、建设成本高等问题，预制装配式建筑的应用日益广泛，逐渐形成设计、制造与施工一体化的生产模式。其中，预制空心楼板、装配式混凝土建筑是典型代表，在整个市场中占比达到70%以上[1]。然而，此类建筑在性能、功能上仍存在不足，须通过优化设计方案进行改进，为后续制造和施工作业打下基础。本文结合实践探讨了预制装配式建筑的精细化设计问题。

1 预制装配式建筑的设计原则

1.1 少规格，多组合

预制装配式建筑的设计，要考虑建筑安装要求，符合建筑模数，遵循少规格、多组合的原则。具体来说，就是对建筑平面进行标准化、定型化设计，打造标准部件模块和功能模块，将一个个模块组合起来，提高基本模块的重复使用率。这样既能提高建设效率，又能控制建设成本，降低对制作、运输和安装环节的特殊技术要求。

1.2 质量优先

不论是传统施工技术还是预制装配式施工技术，均要保证建筑质量，这是设计人员必须遵守的基本原则[2]。具体到预制装配式建筑中，实现质量优先方法如下：一是标准化、模块化，减少不同的规格类型；二是使用高强、高性能、耐久性的材料，提高结构稳定性；三是严格执行规范标准。以建筑高度为例，不同装配式建筑结构的高度设计限值如表1 所示。

表1 不同装配式建筑结构的高度限值

2 预制装配式建筑的精细化设计方法

2.1 预制构件的精细化设计

2.1.1 预制混凝土墙板的精细化设计

预制混凝土墙板是常见的外围护结构，多为预留门窗洞口的窗间墙形式。在设计时，应根据房间采光、通风、视线等功能要求，形成有序的立面效果。以麻省理工学院的西蒙斯楼为例，混凝土墙在工厂内预制形成，墙面的洞口分为2 种类型：一种是规则的小洞口，横向、竖向形成多孔结构，窗户凹进去的边框使用多种颜色，提高了外墙的美观性；另一种是不规则的大洞口，与室外活动平台相连接，能增加空气流通。这种设计既能满足外围护结构的功能要求，又能产生良好的视觉效果。

2.1.2 预制玻璃幕墙的精细化设计

预制玻璃幕墙多用在大跨度空间建筑、高层建筑中，一方面将玻璃幕墙与门窗合二为一，另一方面将围护结构的构件和装饰融为一体，提高了建筑的现代感。以西格拉姆大厦为例，墙面直上直下、整齐划一，采用简洁细致的设计风格，突出材质和工艺。整体上看，建筑像一个玻璃盒子，具有较强的视觉冲击力。

2.1.3 预制楼梯的精细化设计

楼梯是建筑内不同空间的联系通道，预制楼梯的灵活性、可塑性较强。设计时，应利用楼梯构造、材料的多样性，将室内不同空间巧妙衔接，在满足实用性的基础上产生艺术效果。以木质楼梯为例，木材的加工难度小，便于方案的设计与修改，且木材本身的纹理优美，容易与周围环境相融合。近年来，在“自然绿色”的设计理念下，木质楼梯焕发生机，在装配式建筑中得到广泛运用。

2.1.4 预制遮阳构件的精细化设计

不同类型的预制遮阳构件，会产生不同的艺术美。遮阳构件的设计，应做到与建筑立面有机结合，考虑到建筑项目的特性、地区气候条件，从整体性、适宜性2 个方面入手[3]。从光影效果看，如果建筑局部使用玻璃墙面、局部使用混凝土墙面，可在混凝土墙面部分使用格栅式遮阳方案。

2.2 功能空间的精细化设计

2.2.1 内部空间可变

为实现内部空间可变，主要采用2种方式：一是硬弹性设计，即在建筑内设计可以移动的墙体，以适应居住需求的变化；二是软弹性设计，即提供一个开放性的建筑平面，根据使用者的不同需求对室内空间进行分配。其中，软弹性设计具有良好的发展前景，通过设计可滑动、可旋转、可折叠的构件，增加室内空间分隔的灵活性，实现内部空间可变的目标。

2.2.2 单元模块组合

模块化是预制装配式建筑中常见的一种形式，现场通过“搭积木”的方式拼装组合起来。这些单元模块可进行定制，满足不同气候、不同地点、不同用户的具体要求；而且这些模块容易改造、扩展，适应建筑功能的转变。以美国著名的Res4 建筑事务所为例，包含公共功能模块、私有功能模块和辅助功能模块3大类，采用不同的组合方式即可形成需要的功能空间。

2.2.3 群体空间丰富

建筑外部空间会涉及公共领域，如城市、街道。在组群建筑中，各建筑的界面围合起来，限定了外部空间区域[4]。目前，建筑组群多采用园区、Block 的形式，施工完成后建筑界面位置难以改变。预制装配式建筑在群体空间设计上，首先确定一个支撑结构，其他建筑单元模块围绕着支撑结构，按照实际需求进行增加或拆除，就能形成满足实际需求的有机体。这种设计能适应城市的不断发展变化，建筑界面位置变化后会产生新的空间体验，增加群体空间的丰富性。

2.3 安装施工的精细化设计

2.3.1 可重复利用

预制构件在工厂内制造时的可控性更强，对施工材料进行回收再利用的可能性增大。因此，此类建筑在设计时，应考虑安装施工需求，考虑到材料的循环使用，减少有毒有害材料的使用。

另外，预制构件在标准化设计与生产中，具有较强的可识别性，为了降低建筑安装和拆卸难度，在设计时应做到以下几点：一是尽量减少连接；二是准确标识拆卸点；三是提供备用构件并储存在现场；四是在项目初期对装配和拆卸系统进行设计。

2.3.2 整合组件

预制构件整合后，方便现场进行装配，有助于进行管理，进一步缩短施工时间。对于没有特殊要求、体型较小的预制构件，可直接弃用，或与其他构件进行整合。国外某设计公司对预制装配式建筑进行设计时，将现场装配作业的数量降至最少，其主要做法就是减少不必要的零件，将更多构件加入一个特定的组件中。

2.3.3 调整装配顺序

装配顺序是否科学合理，也会影响现场施工效率和成本。在设计环节调整装配顺序，可对设计的组件进行评估，拆开后按照预设顺序重新安装，得到最优的装配顺序。其中，体积较大的预制构件如预制墙板、预制模板等，按照定制产品进行协调管理，形成完整的供应链，减少交叉流动，以保证工期。

2.3.4 问题检查

预制构件在装配过程中，要求设计人员、施工人员全面了解构件的尺寸、性能、安装位置等。在设计环节要考虑可能存在的安装问题，以便现场安装后及时检查[5]。以专业碰撞为例，通常发生在结构、外立面与内部空间之间，设计人员可借助建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）进行碰撞检查，及时发现设计上的问题并进行修正，避免现场安装时出现返工。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

某度假村建筑群位于旅游景区，作为一座沿海城镇，拥有丰富的旅游资源，每年接待的国内外游客超过300万人次。该景区的整体环境较为安静，当地居民注重保护自然环境，对城市宜居性提出较高要求。因此，度假村建筑设计工作存在一定难度。

3.2 总体布局的精细化

3.2.1 设计理念

度假村建设项目位于山谷内，建筑群随着山谷向海平面延伸，形成V 字形的截面。这个V 字形的视觉轴线，成为建筑群总体布局的基本要素，一方面提供了开阔的景观视野，另一方面保留了山谷造型，最大程度上减少对自然景观的破坏。

3.2.2 平面布局

该建筑群共包括5 个别墅区、3 个公寓区和以及1 个活动中心，总建筑面积约4.5 万m2，室内建筑面积2.3 万m2。平面布局上，建筑用地呈不规则状，其中别墅和公寓位于山谷两侧的坡地，活动中心位于山谷较平坦处，总体上形成中间高密度、两侧低密度的组群形式。

3.2.3 空间关系

建筑群在空间关系上，与山谷起伏的地势相呼应。建筑统一采用暗色平屋顶，置于整个环境中并不突兀，从远处望去建筑与环境浑然一体。在度假村中，充分利用道路与山体之间的可建设用地，建筑群布局错落有致，保证每个房间均有全景视线。

3.3 建筑功能的精细化

3.3.1 别墅

别墅分为森林别墅和海滨别墅，前者位于地段南部，设计时从客厅中延伸出露天平台，预留野生动物观赏走廊，拉近人与自然的距离；后者位于地段北部，靠近阳光沙滩，拥有良好的海景视线。在建筑内部，各个功能空间简洁，卧室、餐厅、客厅、室外露台等相互独立却又彼此关联。空间划分上采用可移动滑门，使室内空间富有变化性，充分利用通风和光照条件。

3.3.2 公寓

公寓分为一间卧室和两间卧室2 种房型，适用于短期度假的游客。公寓建筑在设计时，以山体为背景，对自然环境进行保护和利用。每个房间内有独立的开放式阳台，实现了室内与室外空间的无缝衔接。开放性的平面设计，有助于海风吹进室内，并且配置现代化家具和设备。

3.4 预制构件的精细化

3.4.1 预制钢框架

该建筑群在施工前，并未进行大面积场地平整，而是根据地势变化施工。其中，别墅区建筑所处场地较为陡峭，无法使用传统的地基，而是采用钢结构框架承重体系，配合预制木楼板，使用螺栓进行连接。在设计阶段，用专业软件构建钢框架的三维模型，对每一个构件进行编号，有助于控制成本和工期。

3.4.2 预制屋顶板

当地地形条件复杂，现浇屋顶操作难度大，且阳光强烈，遮阳设计中屋檐出挑较远，要求屋顶板的自重较轻。基于这两点考虑，设计人员采用Ritek 屋顶板，其优点是质量轻、隔热性好、维护费用低，适合当地的气候环境。而且，屋顶板在工厂内生产，现场施工方便，相较于现浇作业，工期可缩短30%～50%。建筑群均采用Ritek 屋顶板，配合暗色饰面，将分散的建筑统一起来，并且很好地融入周边环境中。在室内，屋顶内侧直接作为天花板，表面使用浅灰色，与简洁的室内布局相协调。

3.4.3 预制铝遮阳板

遮站样板是当地建筑不可缺少的构件，除了遮阳功能外，也是建筑外立面的装饰物。预制铝遮阳板的设计，根据建筑朝向与间距，准确计算阳光照射角度、时间，设计要点如下。第一，阳光照射时间较长的房间，遮阳板垂直悬挂；照射时间较短的房间，遮阳板水平悬挂。第二，开窗面积大的位置，将垂直悬挂与水平悬挂组合起来。第三，建筑有外廊，且阳光能照进室内，在走廊外侧也安装遮阳板。第四，活动中心的屋顶下折，利用屋顶下折的部分进行遮阳。不同类型的预制铝遮阳板实物如图1 所示。

图1 不同类型的预制铝遮阳板实物图（来源：龙岩城市发展集团有限公司预制铝膜安装前图）

4 结语

预制装配式建筑具有功能现代化、制造工厂化和施工装配化的优点，设计时要遵循成本控制、进度安排、质量优先的原则。本文结合工程实例，详细介绍了预制装配式建筑的精细化设计方法，以期为类似工程的设计施工提供参考，提高综合效益。