装配整体式混凝土框架结构的建筑设计研究与应用——以陕西某产业园办公楼与宿舍楼为例

装配整体式混凝土框架结构的建筑设计研究与应用——以陕西某产业园办公楼与宿舍楼为例

刘岩

陕西建工第五建设集团有限公司  陕西西安（710000）

摘要：随着国内装配式建筑的发展，装配式建筑技术的应用领域不再局限于住宅建筑，借鉴东欧和日本等地区一些发达国家的经验，装配式建筑在公共建筑中的应用比例会越来越高。而且装配式建筑在建设中逐渐展现出产品质量好、生产效率高、建造速度快的优点，各地政府对于规模较大的公共建筑也提出了装配式建造的要求。装配整体式混凝土框架结构作为多层公共建筑常用的结构形式，其设计是一项复杂而有趣的工程，本文从实际工程项目出发，对装配式建筑设计从前期策划到方案设计进行了分析研究，提出了装配式建筑方案设计的方法，供广大建筑师参考。

关键词：装配式、标准化、装配率、模数协调

引言

21世纪以来，随着我国城镇化的快速发展，建筑行业在促进国民经济发展、社会稳定、人居环境改善等方面发挥了举足轻重的作用，但由于长期以来建设方式粗放，也带来了大量的资源浪费和环境污染以及质量通病、安全隐患等一系列问题。因此，建筑业在科技创新、提高效率、提升质量、减少污染与排放等方面还有巨大的发展空间。与此同时，人口老龄化和国民受教育程度的不断提高等问题，与建筑行业为劳动密集型行业的矛盾越来越突出，随着科技的进步和可持续发展理念的深入人心，国家推行建筑工业化势不可挡。而装配式建筑作为建筑工业化的基础理论，如何有效地进行装配式建筑设计实践，这将对我们建筑师和工程师提出更高的要求，促使我们必须深入研究总结方法，通过大量的工程实践验证思考，为后续装配式项目的设计提供参考思路。

1 项目概况

陕西某产业园项目规划用地面积180.68亩，设计时间为2017年至2018年，2020年竣工投产，产业园的建设目的为生产混凝土PC构件，整体规划生产厂房2栋、仓储1栋、PC构件堆场约3940平方米、办公楼和宿舍楼各1栋及其他附属用房。总建筑面积74370平方米，其中办公楼建筑面积4717平方米，宿舍楼面积4907平方米。作为混凝土PC构件生产厂区的办公楼和宿舍楼，应该具备装配式建筑产品的示范功能，因此采用装配整体式混凝土框架结构。如图1-3。

装配式建筑的全生命周期，需要代建、设计、生产、施工和使用等单位密切配合、协同工作。建筑设计在方案设计阶段之前应增加前期技术策划环节，同时考虑预制构件的生产加工还应该增加预制构件加工图设计环节。因此，项目采用EPC工程总承包模式，总承包单位中标后开展整体方案设计和施工图设计，在设计之初由代建单位牵头统筹协调各参建单位进行装配式技术策划。在建设时序上统筹安排，先建设PC厂房和室外道路工程，为后续办公楼和宿舍楼的整体装配创造生产加工条件。

2 设计前期策划

装配式建筑设计过程中，前期技术策划对项目的实施起到十分重要的作用，设计单位应充分考虑项目定位、建设规模、装配化目标、成本限额以及各种外部条件影响因素，制定合理的建筑概念方案，提高预制构件的标准化程度，并与建设单位共同确定技术实施方案，为后续的设计工作提供设计依据[1]。技术策划应从政策环境、标准规范、技术水平、生产工艺、生产能力、管理水平、运输条件、建设周期等因素着手分析，对装配式目标定位、建设规模、成本限额、技术路径等提出切实可行实施方案建议，用于指导后续方案或初步设计、施工图设计、预制构件生产加工和装配式施工安装等工作。

2.1 项目建设政策背景

2016年2月6日中共中央、国务院印发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，要求大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染，缩短建造工期，提升工程质量。2017年3月17日陕西省人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑的实施意见（陕政办发〔2017〕15号），以中高层建筑和农村居住建筑为重点，推广先进的装配式建筑结构设计、节点连接设计、构造设计等技术，推动装配式建筑的设计、生产、施工的一体化、产业化发展。到2020年，装配式公共建筑、商品住宅试点示范规模达到200万平方米；装配式农房示范规模达到20万平方米。

2.2 调研分析

建设单位积极响应国家及地方政府号召，投资建设预制混凝土PC构件生产基地。预制构件运输以控制在200km以内，而拟建建筑位于PC构件生产基地内，构件生产和运输成本相对较低，具备装配式建筑的运输条件。后期使用单位在前期可提供PC技术支持，同时项目采用总承包模式，生产单位和施工单位联合协助建设单位和设计单位确定装配式技术路线。除建设条件调研外，本项目设计前期还对装配式技术做了调研，采用文献查阅、PC工厂和工程实例参观的方法，对装配式建筑技术在项目中的应用进行详细分析。

2.3 目标定位及限额

项目装配式建设目标是自评达到AA级或AAA级，为陕西地区装配式建筑发展起到引领示范作用，填补西北地区装配式公共建筑的空白。由代建单位组织参建各方开展技术对比、成本对比工作，最终将综合单价限额设定为6650元/㎡，为后续设计工作指明方向。

2.4 拟采用的技术

装配式技术的应用，首先应分析拟建建筑的空间标准尺寸规律，确定预制构件的最小单元，同时考虑实现预制构件种类最少、重复使用，以充分发挥工业化的规模效益，对于提升产品质量、降低建造成本、简化运输和施工难度、提高建造效率，有助于推进国家工业化产品标准[2]。本项目为小型办公和宿舍类建筑，独立空间一般较为规整，开间尺寸一般为3.6~4.2m，可采用的装配整体式混凝土结构和装配式钢结构，鉴于项目为混凝土PC构件生产厂，因此不考虑钢结构装配式技术，同时考虑建筑中存在局部大空间和公共建筑立面设计要求，项目办公楼和宿舍楼拟采用装配整体式混凝土框架结构和清水混凝土外墙挂板技术，拟采用装配式建筑技术配置如表1。

表1 装配式建筑技术配置表

3 建筑方案设计

意大利建筑师Pier Luigi Nervi在《建筑的艺术与技术》[3]一书中提到：“除了预制结构所带来的技术成就和经济效果之外，我认为最大的好处在于预制结构所产生的丰富的艺术造型……预制结构是一个极为有用的工具，聪敏的设计师可以用它来取得富有变化的、统一和谐的效果，设计师必须懂得这些方法和其中的局限性，就如同一个音乐家必须知道各种乐器的能力和局限性一样，这样他才能把灵感变成现实。”

3.1 标准化设计方法

《标准化工作指南》(GB/T20000.1-2014)定义标准化为:“在一定范围内获得最佳秩序，对实际或潜在的问题制定共同的可重复使用规则的活动”[4]。装配式建筑的标准化设计是在装配式建筑设计的过程中，应用“模数协调、构件通用、系统合理、寿命匹配”的设计原则，根据建筑工业化对产品生产组装的要求，借鉴机械加工制造的标准化理念，将部品部件不断地归类总结提取形成标准化，制定装配式建筑设计共同的可重复使用的规则，在装配式建筑的全生命周期过程中建立完善的标准化体系，满足装配式建筑在立项、设计、生产、施工、运维等各阶段的要求。装配式建筑的标准化设计思想与技术决策应在建筑结构、机电安装和装饰装修等各个系统集成的基础上，进一步落实到生产、施工和运维等环节，当然应首先在设计中推动各环节工作有序开展。在此过程中，创建全过程系统集成后的部品部件库及模块组合技术是装配式建筑标准化设计的重要基础和技术手段[5]。

建筑方案应按规划、平面、立面和构件分层级进行标准化设计，采用模块及其组合的设计方法，遵循“少规格、多组合”的原则，实现建筑产品的标准化、通用化、系列化和多样化。采用标准化设计，按照系统集成设计原理，采用模数与模数协调，将建筑结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装修系统进行模数统一的集成设计。通过模数协调，实现所有建筑与其部品部件之间的整体协调，实现装配式建筑标准化。预制构件应采用标准化设计原则，提高标准化构件应用比例，减少相同类别预制构件的尺寸种类，提高生产效率，减少模具浪费。

模数协调是应用模数实现尺寸协调及安装位置的方法和过程[6]。装配式建筑的模数制定是实现建筑工业化、标准化的基础，通过制定统一的模数制度，可以确保各个构件之间的尺寸协调，提高生产效率，同时降低生产成本。模数制定应综合考虑建筑的使用功能、结构安全、材料性能等因素，确保模数的科学性和合理性，装配式建筑设计常用模数数列如表2。

表2 装配式建筑设计常用模数数列

注：M为基本模数，数值为100mm；n为自然数。

3.2 从平面布置到立面设计

首先是分析建筑所处的场地和环境，场地分析包括地形、地质、气候条件、交通状况等，环境分析则考虑周边建筑、景观、文化背景等因素。在明确了功能需求和场地环境后，接下来是规划建筑的平面布局。平面布局需要考虑空间的有效利用、人流的顺畅、采光和通风等因素。

其次是确定建筑平面尺寸，依据标准化设计原则，结合场地与建筑功能，办公楼面阔采用7.2mx7、进深采用6.8m+8.2m，如图4；宿舍楼面阔采用7.8mx7、进深采用6.8m+8.2m，如图5。平面布置采用楼电梯、公共卫生间、公共管井、基本单元等模块进行组合设计，承重构件布置应上下对齐贯通，外墙洞口宜规整有序，设备与管线宜集中设置，并应进行管线综合设计

[7]。

最后是装配式混凝土建筑层高的确定，应符合建筑功能、主体结构、设备管线和装修等要求。通过网格切割找出预制清水混凝土外墙挂板的基本模块，采用“加、减”的设计手段，形成整齐而丰富的立面肌理关系，如图6-7。

3.3 细节处理与工艺设计的前置

预制构件的细部处理与工艺设计前置是装配式建筑方案设计重要的工作内容，构件的外形尺寸直接影响到工厂加工模具的种类和重复使用频次。预制构件应尽量设计为简单几何形状，如正方形、矩形、圆形等。构件尺寸除应按照前述模数化要求确定外，还应重视尺寸的分类归并，尽量减少同类预制构件尺寸的规格数量[8]。例如本案立面方案设计过程中，综合考虑立面设计、节点连接、标准化构件类型汇总分析等，并将标准化思路一直延伸到模具设计。追求少规格、多组合，立面效果美观且制作难度低、模具利用率高，从而提高经济效益。应用BIM技术进行预制构件模具设计，验证设计构件制作的可行性，从预制构件加工的角度出发进行细部优化调整，如图8。

图8 预制外墙挂板模具示意图

方案阶段立面的设计还考虑到制作、养护、运输及可能出现的问题，并提出可靠的设计措施。考虑到方便预制外墙挂板的脱模，窗墙模块设计时植入斜面元素，既解决了脱模问题又丰富了立面造型；为了减少构件边角的碰损，对构件边角进行阳角处理，此做法脱模成型好，不易碰损，如图9。另外，采用流水线生产的预制构件，需考虑养护窑的仓格高度对预制构件外形的影响，一般养护窑进料口高度900m左右，考虑模台、模具等因素，构件平躺高度控制在550mm；变截面、吊点及转角处易发生开裂，宜采取加强措施，可设置倒角并增加补强钢筋，如图10；考虑到市政运输问题，直立构件设计高度宜小于3.3m，水平构件设计宽度宜小于2.8m。

3.4 装配率目标的实现

实现装配式建筑的装配率目标是一个系统工程，需要从设计、生产、运输、施工等多个方面进行综合考虑。其中建筑方案设计是关键，通过先进的设计手段和方法，辅助模数协调办法形成更合理模块单元，提高施工图设计中构件可拆分比例。此外，在设计阶段运用BIM技术对装配式相关的内容进行模拟是必要的，能更直观的把控预制和装配的范围，同时可以对后续工作进行可视化交底，确保前期策划中装配率目标的实现，如图11。

图11 预制构件种类示意图

依据《装配式建筑评价标准GB/T 51129-2017》在方案设计阶段进行自评，自评得分见表3、表4。因此，办公楼装配率为{[（20.01+20）+（5+4.9+5+4.3）+（6+6+5.6+6）]/（100-6）}*100%=89.16%，自评实现AA级的策划目标；宿舍楼装配率为{[（23.9+20）+（5+5+5+5）+（6+6+6+3.2+6）]/（100-0）}*100%=91.1%，自评实现AAA级的策划目标。

表3 办公楼装配式建筑自评得分明细表

表4 宿舍楼装配式建筑自评得分明细表

4 设计展望与思考

装配式建筑在各级政策的引导下良性发展，未来将会在建筑工业化、数字化、智能化等方面取得更大突破，为推动建筑行业转型升级、实现绿色发展贡献力量。同时，装配式建筑在实际工程应用中也面临着挑战，如产品设计不到位、部品标准化程度不足、施工安装技术不够成熟等，这就需要广大建筑师团队不断改进和完善设计方法。通过对装配整体式混凝土框架结构建筑的设计实践研究，对于装配式建筑设计有如下两点思考：

1）装配式建筑设计前期应进行技术策划，技术策划宜由总承包单位完成，策划单位应具备设计、生产与施工的经验。策划应从提高工程质量、提升生产效率、减少人工作业、减少环境污染的宏观目标出发，统筹规划设计、构件生产和施工建造各个环节，对技术选型、技术经济可行性和可建造行进行全面的评估，综合平衡经济效益、环境效益和社会效益，提出合理的装配率目标。

2）注重不同“可复制单元”系统间的模数协调，扩大“可复制单元”的应用比例。在立面构件、平面构件和模块化单元等系统模数确定后，尤其应注意不同构件间的模数匹配与协调，减少整个建筑单体中主要构件的尺寸变化，扩大“可复制单元”在预制构件中的占比[9]。例如，对于普通高层建筑尽量减少截面变化次数，保持标准层的可复制性；对于普通多层建筑应在总图规划设计时尽量减少单体单元变化，重复多次使用某一种单体建筑，以减少预制构件生产制作的开模次数。

结语

发展装配式建筑是当前我国进行建筑工业化改革的重要技术手段，他将改变传统的建造模式，实现安全耐久、施工快捷和低碳环保等建设目标，成为国家大力鼓励和提倡的绿色建筑中一步重要举措。但是在设计实践中难免出现一些受规范和认知层面的制约、方案创作与工程设计施工的矛盾，届时建筑师团队应树立信心、解放思路，与生产、施工等团队密切合作，实现建筑创意与建造工艺的完美结合。

参考文献：

[1]装配式建筑系列标准应用实施指南(装配式混凝土结构建筑)[M].北京:中国计划出版社,2016.

[2]龙玉峰,王保林,丁宏.PC建筑应用标准化设计的意义和方法[J].住宅产业, 2013(2):3.DOI:CNKI:SUN:ZZCY.0.2013-Z1-017.

[3]P.L.奈尔维.建筑的艺术与技术[M].黄运升,周卜颐,译.北京:中国建筑工业出版社,1983.

[4]标准化工作指南 第1部分:标准化和相关活动的通用术语:GB/T20000.1-2014[S].北京:中国标准出版社,2015.

[5]郑志刚,华晶晶,张士前,等.基于全过程系统集成的装配式建筑标准化设计[J].建筑结构, 2023, 53(S01):1183-1189.

[6]建筑模数协调标准:GB/T50002-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[7]装配式混凝土建筑技术标准:GB/T51231-2016[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[8]马健,刘明霞,马斌.基于标准化的装配式建筑设计研究与应用——以杭州某住宅项目为例[J].建筑结构,2022,52(S02):1547-1553.

[9]纵斌.装配式技术在公共建筑中的适用性研究与建议[J],建筑技艺,2016,000(8):102-105

作者简介：

刘岩（1987-），男，工学学士，工程师，国家一级注册建筑师，研究方向：建筑设计、装配式建筑、设计管理。