基于装配式建筑的模块化设计方法的研究进展

樊俊，张祥康，程超

（中国十七冶集团设计研究院，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

在建筑施工领域，传统的现场施工方式存在着许多问题，如施工周期长、施工质量难以保证等。而装配式建筑作为一种新型的建筑施工方式，通过工厂化生产和模块化设计，能够有效提高施工效率和建筑质量。因此，对于装配式建筑的模块化设计方法的研究具有重要意义。

吴江泠[1]研究了上海市一座高约60m的高层办公楼采用装配式建筑的方案选择。两种方案分别是：装配式钢筋混凝土框架－混凝土核心筒结构和钢框架－混凝土核心筒结构。经过预制构件布置和结构计算分析，发现钢框架－混凝土核心筒结构方案更优。王文静[2]等人总结了国内外模块化建筑结构的最新研究进展，包括结构体系、模块类型和连接方式，并分析了焊接、螺栓连接、自锁式连接等不同形式的节点等连接方式，为模块化建筑的设计与实施提供参考。杨玺[3]研究了模块化框架剪力墙结构的种类、连接方法和应用，通过建立数值模型验证了模块化结构在抗震性能方面的优越性，结果表明模块化结构降低了损伤，提高了抗震性能和恢复能力。

本论文旨在通过对国内外装配式建筑模块化设计方法的研究现状进行分析和总结，探讨模块化设计方法在提高施工效率和改善建筑质量方面的作用，并提出一套适用于国内实际情况的模块化设计方法。

1 装配式建筑模块化设计方法的研究现状

1.1 相关政策

为了推动装配式建筑在中国的发展，国务院办公厅于2016年印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》。该文件明确指出，在未来的十年内，装配式建筑在新建建筑中所占比例将达到30%。住建部则在2017年印发了《“十三五”装配式建筑行动方案》，该方案明确提出到2020年，装配式建筑在新建筑中所占比例要达到15%以上，重点区域还要在此基础上再提高5%。进一步推动装配式建筑的发展，住建部在2019年印发了《住房和城乡建设部建筑市场监管司2019年工作要点》。该文件重点提出要开展钢结构装配式住宅建设试点，选择部分地区进行试点工作。

1.2 国内外研究现状

日本和新加坡作为亚洲的领军代表，在20世纪90年代开始了装配式建筑的发展。德国、加拿大等国紧随其后将这种模式发展为工业化的建造方法，并取得新的进步。由于长期的发展积累和大量学术研究，装配式建筑在这些国家已经建立了广泛的基础。然而，在20世纪90年代初，国内现浇建筑技术的快速发展使得装配式建筑技术所具有的施工速度快、不受道路运输限制等优势逐渐被取代。直到现浇建筑的弊端渐渐显现，装配式建筑再次回到了大众的视野。2015年，住建部在《工业化建筑评价标准》中提高了我国工业化建筑基础理论，推动了装配式建筑的发展。与传统的现浇模式相比，装配式建筑的增量主要体现在标准化程度较低、模块化和规模化程度较低，从而导致额外的增量成本[4]。然而，通过将装配式建筑与工程总承包模式相结合，实施一体化管理可以极大改善增量成本的问题。采用信息化的方法对装配式建筑进行管理，有助于其健康快速地发展。与国外相比，国内装配式建筑的形式更加多样化、研究内容更加细化。目前，国内大多数研究还局限于经济效益评价，对将BIM技术应用于装配式建筑的迫切性方面还需要从多个方面进行阐述由于装配式建筑处于初期发展阶段，各方面标准尚不完善。目前存在着建造质量无法精确控制、工期相对于传统建筑未见明显优势、技术系统和配套制度尚不完备以及客户接受度较低等问题。

综上所述，国内外关于装配式建筑模块化设计方法的研究已经取得了一定的进展，但仍需要进一步加强标准研究、解决实际应用中的技术和工艺问题，并提高建筑信息模型（BIM）在装配式建筑中的应用效果。

1.3 存在的问题

近几年来，装配式混凝土住宅在发展中面临了一些问题。首先，由于装配率要求较低，装配式混凝土建筑的构件种类繁多，导致精度不够准确。这会影响到建筑的质量和稳定性。套筒灌浆检测技术在装配式混凝土建筑中还不够成熟，需要进一步改进，以保证建筑的安全性。此外，装配式混凝土建筑在施工和安装过程中，难度较大，而且造价较高。这使得装配式混凝土建筑的应用受到限制。相比之下，装配式钢结构住宅建筑的发展相对迅速，但同样也面临一些问题。外露梁柱问题是一个较突出的难题，这影响到了建筑的美观性。由于钢结构的使用量较大，造成了一些资源浪费，有些钢结构建筑体系的标准化程度较低，缺乏统一规范，这给建筑的设计和施工带来了一定的困扰。装配式建筑的模块化设计也存在一些问题和局限性。模块化设计需要大量的固定资产投入，规模较小的企业或项目可能面临资金压力。该方法限制了设计的自由度和灵活性，建筑师无法根据个人创意和个性化需求进行设计。此外，不同供应商提供的模块质量和规格存在差异，可能导致兼容性问题。

1.4 模块化设计方法的优势

装配式建筑的核心思想是将建筑分解为标准模块，通过工厂预制和组装，并运输到现场安装。这一方法采用了模块化设计，具有提高生产效率、减少噪声和污染、提高质量和灵活性的优点。在工厂中，预制模块可以大批量生产，减少现场建造时间，加快建筑项目的进度。构件的预制可以减少施工现场的噪声和污染问题。模块化设计使得每个模块都按照标准进行生产和检验，确保质量符合标准。由于建筑结构由标准模块组成，可以根据客户需求和环境变化进行调整，增加灵活性。装配式建筑能提高建筑效率、降低成本、提高质量、保障人员安全，并实现可持续发展。

2 模块化设计方法实践案例分析

通过对国内实际案例进行分析，显示了基于装配式建筑的模块化设计方法在实践中的应用效果，为装配式建筑模块化设计提供参考。

重庆仙桃数据谷的大数据展示馆采用了模块化箱体加钢结构框架的搭建方式，整个建筑面积约1 500m2，内部主要用于展示国家网络数据产品。该项目在40d内完成，建筑充分利用了场地条件，设计师决定以模块箱体直接构成三面的界面，最大程度地凸显了建筑的现代感。同时，钢结构被嵌入到模块箱体中，不仅使建筑更加坚固稳定，也增强了建筑的美观性。通过钢结构的运用，整体的屋面搭设在三面的箱体上，形成了一个完整的挑空空间。此外，混合结构的运用不仅丰富了建筑的空间形态，还为其后续的使用提供了更多可能性。

雄安市民服务中心企业临时办公区的设计采用了集成化模块体系、工厂化加工方式和拼装式施工模式的建造体系。整组建筑均由12m×4m×3.6m的模块组成，通过将建筑分为小模块，实现了工厂化加工和快速拼装，保证了建筑质量和施工效率。设计师以十字式平面布局为基础，使建筑在功能和形式上与自然环境融合，并具备可再利用和可扩展性。这种模块化设计理念体现了建筑行业的现代化和高效化发展趋势，将为其他建筑项目提供借鉴和发展的方向。

3 适用于国内实际情况的模块化设计方法

装配式建筑模块化设计在实际项目中应考虑建筑的建造方式，以避免忽视具体的施工细节。工厂预制化生产的模块单元在标准化设计方面具有优势，可提高建筑质量和施工效率。虽然国内装配式建筑模块化设计以钢结构箱式模块为主，空间形态相对不够灵活，但是通过模块之间的组合，可以实现不同功能和空间需求的灵活布局，从而弥补了空间形态的不足。本节在前文基础上，提出了一套适用于中国实际情况的模块化设计方法，并对其进行了详细说明和解释。

3.1 细化结构体系

目前国内的装配式建筑以钢筋混凝土剪力墙结构为主要形式，适用于高层住宅和各种保障性住房项目，政府批量建设的公租房和廉租房等项目通常采用标准设计。根据抗震设防要求，多层建筑和高层建筑有不同的处理方式。多层建筑可以考虑全装配式建筑，而高层建筑适合半装配式建筑。在具体的建筑设计中，可以采用多种建筑技术和材料来构建建筑物。外墙可以选择使用“三合一”预制外墙板，这种墙板集结构、保温和装饰于一体，能够提高施工效率和建筑的整体性能。内剪力墙可以采用现浇混凝土大模板施工，这种施工方式可以减少构件的连接点，提高建筑的稳定性和承载能力。内隔断墙可以采用轻质混凝土条板，这种墙体材料重量轻、保温性能好，能够满足内部空间的隔离和隔声需求。而楼板方面，可以采用预制和现浇相结合的叠合楼板。这种楼板结构既能够减少现场工作量，又能够保证楼板的强度和使用寿命。对于一些小型构件，可以全部采用预制装配的方式施工，这样可以提高工程的施工质量和速度。在建筑高度较高的20～40层建筑中，可以使用钢管混凝土柱作为竖向构件。钢管混凝土柱具有强大的承载能力和抗震性能，能够满足高层建筑的结构需求。为增强建筑的抗侧力能力，可以采用钢板组合剪力墙作为抗侧力构件，即框架－钢板组合剪力墙体系。这种结构体系能够有效地抵抗侧向荷载的作用，提高建筑的整体稳定性和抗震性能。通过采用这些先进的建筑技术和材料，可以确保建筑物的结构安全可靠，同时提高施工效率和建筑质量。在超高层建筑中，也可以采用钢板组合剪力墙体系，但要避免墙长过长的问题。为了充分发挥钢板组合剪力墙体系的刚度优势，可以将墙体模块化和单元化。在高烈度地震条件下，钢板组合剪力墙体系能够显著提高建筑的整体抗震性能。

3.2 标准化及模数化设计

为实现建筑装配化过程，设计的标准化是至关重要的。标准化和模数化应该用于所有构件，包括外墙三合一预制墙板，为应对不同的工程需求，设计人员可以选择这些标准化构件并灵活组合。卫生间和厨房等区域的具体规格也应当明确，并在建筑设计中进行标准化处理。包括确定各种尺寸和布局的标准配置，例如卫生间的面积、设备与家具的布局等。同样，建筑设计中的柱网、开间和层高等方面也应进行标准化处理，以确保建筑的结构和布局在不同项目中具备一致性。最好能够实现在全国范围。在推广预制装配式建筑时，应优先在住宅工程中进行广泛应用。特别是在“保障房”“廉租房”等住宅工程中应该进行大规模的推广。在住宅工程中，可以采用钢筋混凝土剪力墙结构，并利用外墙“三合一”预制构件和内墙现浇大模板结构，或者选择全装配方案来进行建造。而在大型公共建筑项目，如办公大楼、学校、医院和商场等，则通常采用钢筋混凝土框架结构。在这些项目中，可以逐步推行装配化工艺，例如使用外墙挂板、内非承重隔墙以及预制叠合楼板等等。对于大型房地产企业来说，他们应该扮演领导者的角色，推动预制装配化施工的进程，在设计、施工和工厂加工制造等方面实现一体化发展。建议与工厂、专业公司和建材行业等企业建立长期合作关系，形成一个完整的产业链，以大幅提高企业的竞争能力，并更好地推动建筑工业化和预制装配化的进程。推广钢结构的应用也非常必要，因为钢结构的所有主要构件都是在工厂中进行预制加工，并具有轻重量和易于安装的优点，如果能够降低钢结构的成本，钢结构的造价也会适当降低。降低预制装配化工程造价是实现工程推广装配式建筑的关键，建议在住宅区等条件允许的情况下，采取在现场进行构件加工制作的方式，并且可以在现场建立小型流动构件加工厂。需要改善钢构件连接技术，减轻焊接工人的作业负担，并尽量避免构件生产工厂不属于总承包单位所带来的额外费用。因此，建议建筑企业在加强标准化的同时，加强与工厂等企业的合作，以形成一个完整的产业链，从而应对造价的问题，进一步促进预制装配式建筑的发展。

3.3 BIM技术的应用

BIM技术能够实现建筑信息在各专业间的协同共享，并通过建立统一的信息模型来实现信息交流和协同工作。它能整合不同专业的设计信息，形成完整的建筑信息模型，并在运营阶段与设备管理进行关联。BIM技术还能通过模拟和评估整体效果，提升建筑项目的质量和可视化程度。结合全生命周期理念和模块化设计思维，BIM可以精确管理工程各模块的信息。协同设计模式能有效解决模块化设计中的沟通协调问题，提高装配式构件与建筑工程的适配性，降低生产成本。通过建立基于BIM技术的模块单元数据库，可以解决传统装配式建筑设计中缺乏统一设计标准的问题，提高标准性和量化管理水平，推动装配式建筑的发展。

4 结论

为满足建筑业快速发展的需求，本文基于装配式建筑的模块化设计方法，提出了适用于不同结构体系、考虑生产施工协调一体化和利用BIM技术的模块化设计方法，结论如下：

（1）多层建筑可以考虑全装配式建筑，而高层建筑适合半装配式建筑，即可以使用钢管混凝土柱作为竖向构件。

（2）在推广预制装配式建筑时，应优先在“保障房”“廉租房”等住宅工程中应该进行大规模的推广，而在大型公共建筑项目可以逐步推行装配化工艺，在设计、施工和工厂加工制造等方面实现一体化发展。

（3）推广钢结构的应用，建议在住宅区等条件允许的情况下，采取在现场进行构件加工制作的方式，并尽量避免构件生产工厂不属于总承包单位所带来的额外费用。建筑企业应加强与工厂等企业的合作，以应对造价的问题，进一步促进预制装配式建筑的发展。

（4）利用BIM技术实现建筑信息在各专业间的协同共享，形成完整的建筑信息模型，并在运营阶段与设备管理进行关联。