試論裝配式建筑中的建筑設(shè)計

許笑梅

清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

1 我國裝配式建筑發(fā)展趨勢與C2項目設(shè)計背景及概況

1.1 裝配式建筑發(fā)展趨勢

近年來，無論是國家相關(guān)部門還是地方政府，都對建筑產(chǎn)業(yè)化給予了高度重視。《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2016〕71號）明確提出，發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，不僅能節(jié)約資源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，還能促進建筑業(yè)與信息化、工業(yè)化的深度融合，培育新產(chǎn)業(yè)、新動能，化解過剩產(chǎn)能。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 51129—2017），各地方政府也頒布了裝配式建筑設(shè)計管理辦法及審圖要點等相關(guān)政策，力爭用10年時間,使裝配式建筑面積占新建建筑面積的30%。

1.2 項目設(shè)計背景及概況

西北旺新村C2地塊棚戶區(qū)改造安置房項目正是在國家的相關(guān)政策下，根據(jù)北京市住房保障辦公室文件（京住危字〔2014〕15號）實施的裝配式住宅，已獲得綠色三星認(rèn)證及住建部裝配式A級示范認(rèn)證。該項目位于北京市海淀西區(qū)北旺鎮(zhèn)，占地面積約4.62萬m2，總建筑面積約17.45萬m2，由七棟10層住宅和一棟6層住宅組成，住宅建筑面積99 057m2，共1 418戶。

項目全部為裝配式建筑，裝配率達84%，結(jié)構(gòu)體系采用裝配整體式抗震墻結(jié)構(gòu)，抗震墻采用預(yù)制墻體，結(jié)構(gòu)樓板、屋蓋采用鋼筋混凝土疊合樓板，樓梯、空調(diào)板全部采用預(yù)制構(gòu)件或疊合構(gòu)件，陽臺、外圍護墻采用鋼筋混凝土預(yù)制掛板，坡屋面采用輕鋼結(jié)構(gòu)，住宅門頭采用與主體分離的鋼結(jié)構(gòu)。

因本工程為政府棚改建項目，住宅戶型面積較?。▋H為40～90m2），廚房、衛(wèi)生間、隔墻、部品/部件眾多，給建造裝修帶來了許多挑戰(zhàn)。如何在滿足戶型配比及外觀效果的前提下，做到全裝配式建筑？如何在設(shè)計階段協(xié)助結(jié)構(gòu)專業(yè)減少預(yù)制墻板、樓板等部件的種類，讓裝配式廠家保質(zhì)保量地生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件？如何協(xié)調(diào)設(shè)備、精裝設(shè)計、預(yù)留預(yù)埋并解決裝配式建筑特有的設(shè)計問題？是本項目的設(shè)計難點。

2 裝配式建筑設(shè)計思路

項目建設(shè)的基本過程分為方案、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計三個階段，產(chǎn)業(yè)化項目也不例外，但需根據(jù)其特點分階段解決。

（1）在方案階段，應(yīng)協(xié)調(diào)建設(shè)、設(shè)計、裝配部件生產(chǎn)廠家、施工各方之間的關(guān)系，共同對住宅的總平面、戶型、立面進行優(yōu)化設(shè)計。在滿足使用方需求的前提下，使戶型、單元、樓/電梯核心筒、廚房、衛(wèi)生間、立面開窗尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、系列化，論證預(yù)制構(gòu)件的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，進行整體策劃，提出最佳方案。與此同時，建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等專業(yè)及部件生產(chǎn)廠家也應(yīng)密切配合，對預(yù)制構(gòu)件的尺寸、形狀、節(jié)點構(gòu)造提出具體技術(shù)要求，并對制作、運輸安裝和施工全過程的可行性以及造價等進行預(yù)測。這項工作會對結(jié)構(gòu)布置的合理性和工程造價的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響，因此十分重要。

1 鳥瞰效果圖

2 項目立面實景

3 標(biāo)準(zhǔn)戶型單元模塊化設(shè)計

4 單元分布示意圖

表1 戶型對比

業(yè)主：北京威凱建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司

建設(shè)地點：北京市海淀區(qū)

規(guī)劃、建筑、室內(nèi)設(shè)計：清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

項目負(fù)責(zé)人：許笑梅

設(shè)計團隊：李會娟（建筑）；房輕舟（結(jié)構(gòu)）；張曉偉（給排水）；張菁華（暖通）；黃景峰（電氣）；宋兵（精裝）

施工單位：中國建筑一局（集團）有限公司、中國建設(shè)第二工程局有限公司

構(gòu)件廠家：長沙遠(yuǎn)大住宅工業(yè)集團有限公司

設(shè)計時間：2016.06—2018.08

建成時間：2019.09

圖片版權(quán)：清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

（2）在初步設(shè)計階段，建筑專業(yè)要根據(jù)裝配式建筑的特點，配合結(jié)構(gòu)專業(yè)重新調(diào)整戶型剪力墻體位置，確保沒有異形樓板與墻板，減少預(yù)制板生產(chǎn)難度及施工難度。與結(jié)構(gòu)專業(yè)、設(shè)備專業(yè)、精裝設(shè)計專業(yè)配合，確定廚具、衛(wèi)生器具的管線位置與走向，減少預(yù)制墻體的管線預(yù)留，為施工圖設(shè)計、工廠加工、主體施工帶來便利。

（3）在施工圖階段，各專業(yè)通力配合，通過精確的計算把控，優(yōu)化施工圖，降低土建造價。其中，應(yīng)特別注意裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件間的連接部位和預(yù)制構(gòu)件與非預(yù)制構(gòu)件（現(xiàn)澆段）的連接部位防水隔音的細(xì)節(jié)處理。在預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計階段，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家可將各部件部品（如門窗、外掛太陽能板）的預(yù)留預(yù)埋、精裝設(shè)計等所需的預(yù)留孔洞、預(yù)埋件一并完成，避免后鑿、切割等傷及構(gòu)件，影響質(zhì)量和觀感。

3 裝配式建筑設(shè)計方法

在工程方案設(shè)計階段，首先根據(jù)甲方對戶型比例的要求進行戶型分解，提取七個標(biāo)準(zhǔn)單元模塊，通過排列組合形成八棟住宅樓。然后對戶型進行拆解，將室內(nèi)各個功能空間的門、窗以及廚衛(wèi)空間的尺寸規(guī)格統(tǒng)一，并根據(jù)各類戶型的大小整合尺寸規(guī)格，減少種類，以達到通用性、一致性，從而實現(xiàn)室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

3.1 模塊化設(shè)計

模塊化既是一種標(biāo)準(zhǔn)化形式又是一種設(shè)計方法，作為標(biāo)準(zhǔn)化的一種，模塊化以規(guī)范系統(tǒng)內(nèi)各模塊的自身功能以及模塊間的組織規(guī)則為手段，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)戶型模塊設(shè)計

1#～8#樓南北向板樓均以A單元為基礎(chǔ)單元，A單元的甲、乙戶型為基礎(chǔ)戶型，根據(jù)不同套型比例要求靈活調(diào)整為丙、丁戶型，加上轉(zhuǎn)角戶型戊，從而組合出B、C、A1、D1、D2共五種組合。東西向板樓全部由E單元組成，七種標(biāo)準(zhǔn)單元組成了本工程的八棟住宅樓（表1）。

本工程單元戶型基本統(tǒng)一，門窗洞口規(guī)整有序。綜合考慮衛(wèi)生間、廚房的設(shè)備和家具產(chǎn)品及其管線布置的合理性，標(biāo)準(zhǔn)層平面凹凸變化不大，主體結(jié)構(gòu)布置簡單、規(guī)整，合理布置承重墻及管井位置，以滿足住宅空間的靈活性、可變性，公共空間及戶內(nèi)各功能分區(qū)明確、布局合理，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)廚衛(wèi)模塊設(shè)計

在住宅產(chǎn)業(yè)化中，全裝修是重要的一環(huán)，通過整合住宅生產(chǎn)全過程，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)利用，以高效率、低成本為消費者提供優(yōu)質(zhì)完整的產(chǎn)品。項目的室內(nèi)工程設(shè)計重點運用了模塊化原理和方法，歸納出適用于套型使用的集成式廚房、衛(wèi)生間，運用模塊化設(shè)計方法對廚房、衛(wèi)生間進行水平分解和縱向分級，從而建立廚衛(wèi)部品化、模塊化、裝配化的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

3.1.3 交通核模塊設(shè)計

本項目的公共區(qū)域交通核也進行了模塊化設(shè)計，包括樓梯梯段的標(biāo)準(zhǔn)化、樓梯外圍護的標(biāo)準(zhǔn)化、電梯井的標(biāo)準(zhǔn)化以及管井的標(biāo)準(zhǔn)化。為減少預(yù)制構(gòu)件的數(shù)量，避免不必要的資源浪費，該項目的三十個交通核全部為同一模塊。

3.1.4 門窗等部品的規(guī)格統(tǒng)一

將各個功能空間的門、窗、電動遮陽百葉、太陽能板的尺寸規(guī)格統(tǒng)一，并根據(jù)各類套型的大小整合尺寸規(guī)格，減少種類，以達到通用性、一致性，從而實現(xiàn)部品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

3.2 設(shè)計尺寸與模數(shù)協(xié)調(diào)

裝配式建筑的特點之一在于建筑部件的工廠化、規(guī)?；谠O(shè)計中盡可能減少構(gòu)件種類，統(tǒng)一模數(shù)，方便工廠的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)。在設(shè)計中，對廚房、衛(wèi)生間、樓梯進行精細(xì)化的尺寸與模數(shù)設(shè)計，對優(yōu)化建筑部件、降低建設(shè)成本、提升建筑品質(zhì)有明顯作用。

3.2.1 廚房、衛(wèi)生間的模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化

5 設(shè)計優(yōu)化后廚房模塊

6 設(shè)計優(yōu)化后衛(wèi)生間模塊

7 后廚模塊化設(shè)計

8 衛(wèi)生間模塊化設(shè)計

9 設(shè)計優(yōu)化后太陽能外掛板

廚房和衛(wèi)生間進行歸納：1）將廚房進深尺寸歸納為2 700mm、3 000mm、3 300mm三種，面寬尺寸歸納為1 500mm和1 650mm兩種；2）將衛(wèi)生間進深尺寸歸納為2 000mm、2 100mm、2 250mm及3 000mm四種，面寬尺寸歸納為1 400mm、1 500 mm、1 900 mm三種。

廚衛(wèi)采用裝配式整體設(shè)計，空間均按施工完成面凈尺寸計算，以300mm為尺寸進級基數(shù)，凈尺寸為300mm的倍數(shù)。部品以30mm為尺寸進級基數(shù)，實現(xiàn)建筑空間與內(nèi)裝部品的尺寸協(xié)調(diào)與網(wǎng)格設(shè)計定位。

3.2.2 樓梯的模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化

預(yù)制樓梯是目前應(yīng)用最成熟的預(yù)制構(gòu)件，一端鉸接、一端滑動，可實施性高。本項目各層層高一致，樓梯間的開間與進深尺寸均為100mm的倍數(shù)，梯段尺寸高度一致，可設(shè)計為相同的踏步，具備標(biāo)準(zhǔn)化的條件。

預(yù)制混凝土樓梯規(guī)范中，明確要求預(yù)制樓梯踏步寬度不小于250mm，宜采用260mm、280mm、300mm，預(yù)制樓梯寬度宜為100mm的倍數(shù)，同時住宅建筑規(guī)范中要求住宅樓梯踏步寬度不應(yīng)小于260mm。本項目建筑層高2.8m，將層高一分為二，設(shè)置兩個梯段，每個梯段設(shè)置16步，踏步高度統(tǒng)一為175mm。同時要考慮設(shè)備吊裝能力，預(yù)估預(yù)制樓梯段的重量，結(jié)合梯段重量布置梯段長度。

3.3 合理布置豎向與水平預(yù)制構(gòu)件

在初步設(shè)計階段，通過戶型優(yōu)化，減少預(yù)制墻板、樓板種類。同時，避免出現(xiàn)刀把形等不規(guī)則的墻板樓板，以方便運輸、減少損耗。這一過程十分重要，可以從根本上達到合理布置、拆分結(jié)構(gòu)豎向/水平構(gòu)件、提高預(yù)制構(gòu)件重復(fù)率、減少預(yù)制構(gòu)件種類、提高構(gòu)件生產(chǎn)效率、減少項目造價的目的。

本項目根據(jù)以上設(shè)計原則，在初步設(shè)計階段不改變基本戶型的前提下，對項目的剪力墻進行調(diào)整，既減少了剪力墻的數(shù)量又規(guī)整了樓板的布置，為結(jié)構(gòu)專業(yè)的下一步的拆板設(shè)計提供了設(shè)計基礎(chǔ)。雖然在這個階段建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、預(yù)制板廠家溝通協(xié)調(diào)的時間成本很高，但后續(xù)的設(shè)計工作證明，這個階段的調(diào)整為整個項目的順利推進提供了強有利的保障，是裝配式建筑設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)。

3.4 節(jié)點設(shè)計

預(yù)制外墻板的板縫處，應(yīng)保持墻體保溫性能的連續(xù)性，如果外頁板有滲水現(xiàn)象，會破壞外頁板的安全性。相對普通建筑，預(yù)制建筑更需注意外墻的防水性能，通過材料防水和構(gòu)造防水兩道防水措施，做好防水節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計。主要連接節(jié)點形式為L形、T形、一字形三種。

在施工過程中預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土間的縫隙采用發(fā)泡聚氨酯，先封堵密實后打膠。拼縫處密封膠打注必須飽滿、密實、連續(xù)、均勻、無氣泡，寬度和深度符合要求，膠縫應(yīng)橫平豎直、深淺一致、寬窄均勻、光滑順直。施工方嚴(yán)格按此節(jié)點施工，方可避免滲水隱患。

3.5 設(shè)計注意事項

在設(shè)計過程中統(tǒng)籌各專業(yè)的設(shè)計特點，做到既滿足裝配式建筑的設(shè)計要求又便于施工。裝配式建筑最常用的是疊合樓板，疊合樓板要求樓板平整盡量不要出現(xiàn)降板區(qū)域，這就需要建筑專業(yè)協(xié)調(diào)給排水專業(yè)，合理布置潔具及地漏位置，調(diào)整地面排水方向，保證在不降板的前提下使衛(wèi)生間的地面低于其他房間。

為減少預(yù)制墻板生產(chǎn)廠家的預(yù)留環(huán)節(jié)及施工難度，設(shè)備專業(yè)的立管盡量走在現(xiàn)澆段內(nèi)。我們的解決方案是建筑專業(yè)在單元大樣圖中把現(xiàn)澆墻和預(yù)制墻區(qū)分出來。實踐證明，雖然增加了建筑專業(yè)的繪圖量，但是為后續(xù)各專業(yè)提供了方便，最終提高了出圖效率。

4 關(guān)于裝配式建筑設(shè)計的思考

西北旺新村C2地塊棚戶區(qū)改造安置房項目為北京市住保辦示范項目，疊合樓板、預(yù)制混凝土夾心保溫外墻、預(yù)制混凝土內(nèi)墻、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺板、空調(diào)板、集成廚衛(wèi)和部分管線全部采用裝配式建造。為了保證高裝配率，首層地板及屋面板采用疊合樓板，坡頂和住宅入口門頭采用鋼結(jié)構(gòu)形式，由此本項目的裝配率為84%，達到AA級裝配評價標(biāo)準(zhǔn)，具備高起點、高標(biāo)準(zhǔn)的示范特性。這種做法的優(yōu)點為主體裝配率高、濕作業(yè)少、對環(huán)境影響低、施工速度快，但總體造價高于普通混凝土建筑（約增加1 500元/m2）。

通過對方案設(shè)計、施工圖設(shè)計、預(yù)制板拆分圖設(shè)計，以及從預(yù)制板生產(chǎn)到項目施工全過程的經(jīng)驗與教訓(xùn)，結(jié)合裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)行規(guī)范，我們對裝配式建筑設(shè)計特點及其裝配率控制思考如下：

（1）非示范項目建議考慮最低的裝配式建筑面積指標(biāo)要求，現(xiàn)階段裝配式建筑比現(xiàn)澆建筑成本高，因此可以遵循以下設(shè)計原則：1）先高層后多層，直到滿足最低的裝配式建筑面積指標(biāo)要求，樓棟越高，標(biāo)準(zhǔn)化程度越高，構(gòu)件越容易實現(xiàn)“高復(fù)制”，成本增量相對較低；2）先大戶型后小戶型，大戶型的部品/部件數(shù)量少于小戶型，應(yīng)用比例更容易實現(xiàn)。本項目戶型面積小，小于90m2的戶型占90%，部品/部件數(shù)量占比巨大，成本提高。

10 戶型優(yōu)化前后預(yù)制剪力墻示意圖

11 戶型優(yōu)化前預(yù)制樓板示意圖

12 戶型優(yōu)化后預(yù)制樓板示意圖

13 預(yù)制鋼筋混凝土外頁板節(jié)點構(gòu)造

14 A 單元大樣圖

15 園區(qū)鳥瞰

（2）適當(dāng)減少預(yù)制承重豎向構(gòu)件。在裝配式建筑中，豎向構(gòu)件的設(shè)計和施工難度最大也最復(fù)雜，對工人素質(zhì)要求很高；外墻熱橋、防水問題比較難以處理，而且密封膠耐久性不能與建筑同周期；灌漿套筒檢測技術(shù)未列入強制性檢測范疇，灌漿質(zhì)量問題層出不窮，灌漿料在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性尚在試驗當(dāng)中，對溫度的適應(yīng)性低，影響工期，且大型構(gòu)件的運輸成本較大。

（3）采用疊合樓板。此項技術(shù)較為成熟，現(xiàn)澆節(jié)點相對較少，可同時作為模板使用，對增加施工進度、改善工地環(huán)境，有明顯作用。

（4）慎重使用干式工法施工樓地面。干式地暖需配合冷熱水管線分離，對施工要求較高，地板容易不平整，后期維護成本較高。

（5）預(yù)制樓梯、陽臺板、空調(diào)板的制作、施工難度不大，可大量應(yīng)用。

（6）根據(jù)住宅使用人群選擇是否采用管線分離。管線分離需占用一定的室內(nèi)空間，若住戶為不定人群，為方便管理及檢修更換，可選用管線分離。本項目為棚改住宅，為固定使用人群，且戶型建筑面積小，因此未實施全部管線分離。

綜上，裝配式建筑是一個系統(tǒng)工程，不同的組合代表不同的成本增量，因此方案階段對于裝配式建筑設(shè)計至關(guān)重要。

5 結(jié)語

通常認(rèn)為在裝配式建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)專業(yè)占比較大，建筑師的工作較為常規(guī)，然而在實際的工程中，建筑專業(yè)在裝配式建筑設(shè)計中的作用十分重要。從前期配合投資方對裝配率的選擇，方案階段的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計，初步設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)墻體的調(diào)整，施工圖階段的模數(shù)化、精細(xì)化設(shè)計以及構(gòu)造節(jié)點設(shè)計，最終造價的控制，建筑設(shè)計貫穿了裝配式建筑設(shè)計全過程，為裝配式建筑提供了基礎(chǔ)支撐及全程保障。在裝配式建筑設(shè)計中，建筑師應(yīng)及早介入，主動了解裝配式建筑的特點，根據(jù)不同的項目特征進行建筑設(shè)計。

圖表來源

圖2，5，6，9，15 由陳堯拍攝；其余圖表均由項目組繪制。