裝配式體系下的高校教學(xué)建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究

戰(zhàn)長(zhǎng)恒

1 研究背景與方法

1.1 研究背景

（1）我國(guó)建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型與裝配式建筑的發(fā)展與推廣

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重、勞動(dòng)力成本逐漸增加、建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等因素的影響下，我國(guó)建筑行業(yè)長(zhǎng)期以傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式為主的粗放型建造模式的問題逐漸顯現(xiàn)[1]?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)從國(guó)家政策上高度重視裝配式建筑的推廣，成為我國(guó)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要措施。2016年國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，提出“大力推廣裝配式建筑”①，明確了發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革。在此基礎(chǔ)上，住建部出臺(tái)了一系列行動(dòng)方案和管理辦法②，為全面落實(shí)推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展提供保障措施。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，各地裝配式建筑的發(fā)展取得了顯著的成績(jī)（表1），有專家指出[2]，裝配式建筑是一個(gè)未來(lái)長(zhǎng)期發(fā)展的創(chuàng)新過程，是我國(guó)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)邁向高質(zhì)量發(fā)展的最佳時(shí)機(jī)。

表1 2018年我國(guó)部分省市裝配式建筑發(fā)展概況

（2）高校教學(xué)建筑裝配式發(fā)展的需求

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)高等教育正經(jīng)歷前所未有的發(fā)展，高校在數(shù)量、人數(shù)、面積、規(guī)模等方面的發(fā)展都急速增長(zhǎng)。高校的擴(kuò)張帶來(lái)校園建設(shè)的發(fā)展和需求也越來(lái)越大，諸多高校建設(shè)新校區(qū)，各地廣泛建設(shè)大學(xué)城的現(xiàn)象一直延續(xù)至今。目前我國(guó)建筑行業(yè)總體上是一個(gè)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，高校建設(shè)的增長(zhǎng)也處于一種粗放型的發(fā)展方式，具有高投入、高消耗的特征[3]，高校建設(shè)能耗占社會(huì)總能耗的比重日趨增大。近年來(lái)，隨著全國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，裝配式建筑得到了大力推廣，裝配式在高校建筑建設(shè)中的應(yīng)用也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，出現(xiàn)了一些試點(diǎn)案例的研究與建設(shè)。2017年山東建筑大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓項(xiàng)目落成，作為全國(guó)首個(gè)鋼結(jié)構(gòu)裝配式的超低能耗建筑，為裝配式技術(shù)在高校建設(shè)中的應(yīng)用打開了市場(chǎng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在深圳校區(qū)的擴(kuò)建工程中，4棟學(xué)生宿舍均采用裝配式鑲嵌體系建造，總建筑面積10.1萬(wàn)m2，項(xiàng)目預(yù)制率28. 6%，裝配率為61. 7%，均大幅超過深圳市裝配式建筑相關(guān)基本標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，目前正在建設(shè)中的華南理工大學(xué)廣州國(guó)際校區(qū)的建設(shè)中，也大幅度地采用了裝配式技術(shù)。

試點(diǎn)案例的研究與實(shí)踐，為裝配式設(shè)計(jì)和建造在高校建設(shè)中的應(yīng)用提供了前沿的探索，但目前我國(guó)總體上，對(duì)于裝配式高校建筑的研究仍然十分缺乏。由于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的基礎(chǔ)和核心[4]，因此，本文以高校校園建筑中最為典型的教學(xué)建筑為例，探索裝配式體系下高校教學(xué)建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

1.2 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的關(guān)鍵。在高校教學(xué)建筑中，由于多數(shù)功能空間的重復(fù)率高（教室、辦公室等），為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了前提條件。一方面，高校教學(xué)建筑的平面設(shè)計(jì)中，柱網(wǎng)比較規(guī)整，開間和進(jìn)深的尺寸范圍比較集中；另一方面，高校教學(xué)的功能單元重復(fù)率較高，有利于實(shí)現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)化單元容納不同空間再相互進(jìn)行組合的設(shè)計(jì)。

本文采用案例研究的方法，搜集和選取了8個(gè)傳統(tǒng)建造和3個(gè)裝配式建造的高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)方案（表2）。首先對(duì)8個(gè)傳統(tǒng)建造的案例通過平面功能和尺寸的統(tǒng)計(jì)分析，提取高校教學(xué)建筑中常見功能的尺寸范圍，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)裝配式建造的3個(gè)案例進(jìn)行解析，探討傳統(tǒng)方案利用裝配式建造時(shí)進(jìn)行平面標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、立面多樣化設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。

表2 文中涉及案例的基本信息列表

2 高校教學(xué)建筑的平面標(biāo)準(zhǔn)化

裝配式離不開標(biāo)準(zhǔn)化，而標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)是模數(shù)化[5]。我國(guó)建筑設(shè)計(jì)的基本模數(shù)是100mm，擴(kuò)大模數(shù)為300mm，并由此衍生出擴(kuò)大模數(shù)和分模數(shù)③。裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，通常通過統(tǒng)一尺寸相近、功能相似的空間，從而減少預(yù)制構(gòu)件的種類。在高校教學(xué)建筑中，由于平面柱網(wǎng)規(guī)整，多數(shù)功能空間的重復(fù)率高，有利于通過對(duì)尺寸相差較小的多種功能進(jìn)行模數(shù)協(xié)調(diào)來(lái)減少標(biāo)準(zhǔn)開間的尺寸，實(shí)現(xiàn)平面的標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低生產(chǎn)和建造成本。

2.1 各功能種類與尺寸統(tǒng)計(jì)

前面已經(jīng)提到，在高校教學(xué)建筑中，平面設(shè)計(jì)柱網(wǎng)比較規(guī)整，開間和進(jìn)深的尺寸范圍比較集中，再加上多數(shù)功能空間的重復(fù)率高（教室、辦公室等），為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了前提條件。文中對(duì)表2中8個(gè)傳統(tǒng)建造的高校教學(xué)建筑進(jìn)行平面功能和尺寸的統(tǒng)計(jì)，提取高校教學(xué)建筑中常見功能的設(shè)計(jì)尺寸（表3，圖1～3），為高校教學(xué)建筑平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)進(jìn)行模數(shù)協(xié)調(diào)的優(yōu)化提供參照。

表3 高校教學(xué)建筑常見功能的統(tǒng)計(jì)

圖1 高校教學(xué)建筑柱網(wǎng)及層高常用尺寸統(tǒng)計(jì)

2.2 多種功能空間的尺寸協(xié)調(diào)統(tǒng)一

在裝配式標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過程中，通過協(xié)調(diào)和統(tǒng)一尺寸相近、功能相似的空間的方式，減少預(yù)制構(gòu)件的種類，從而降低生產(chǎn)和建造成本，例如在圖2和圖3中，中小型教室、辦公室、實(shí)驗(yàn)室和科研工作室的開間和進(jìn)深，均可選擇8000～10000mm的范圍。由于結(jié)構(gòu)的規(guī)則性易于控制，可通過以下設(shè)計(jì)手法實(shí)現(xiàn)建筑標(biāo)準(zhǔn)化和構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。

圖2 高校教學(xué)建筑各功能開間常見尺寸的統(tǒng)計(jì)

圖3 高校教學(xué)建筑各功能進(jìn)深常見尺寸的統(tǒng)計(jì)

①協(xié)調(diào)X、Y方向軸網(wǎng)尺寸，確定構(gòu)件寬度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件寬度的統(tǒng)一：在高校教學(xué)建筑中，中小型教室、辦公室、實(shí)驗(yàn)室和科研工作室等均可采用相同的軸網(wǎng)。

②協(xié)調(diào)豎向?qū)痈撸鶕?jù)層高確定構(gòu)件高度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高度的統(tǒng)一：在高校教學(xué)建筑中，通常將高層高的階梯教室和報(bào)告廳獨(dú)立為一個(gè)單獨(dú)的模塊，或者設(shè)置于建筑一層，其余功能則可采用相同的層高。

③協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)柱和梁截面尺寸，使構(gòu)件與主體連接方式得到統(tǒng)一。

④在建造外立面設(shè)計(jì)中，盡量采用“少規(guī)格、多組合”來(lái)形成多樣效果。

2.3 基于模數(shù)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）平面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于結(jié)構(gòu)的規(guī)整性易于控制，高校教學(xué)建筑具有利用模數(shù)協(xié)調(diào)進(jìn)行平面標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。例如在表2的案例9中，原方案是傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)中軸線較為自由，局部存在1/2M的軸線定位，在對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，通過統(tǒng)一模數(shù)，協(xié)調(diào)框架結(jié)構(gòu)的軸網(wǎng)尺寸，使標(biāo)準(zhǔn)層的鋼梁尺寸由原設(shè)計(jì)中的8種減少至2種。另外，由于原設(shè)計(jì)中鋼框架沿外墻布置，外墻與結(jié)構(gòu)柱、外梁、挑梁之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，優(yōu)化設(shè)計(jì)中將標(biāo)準(zhǔn)層樓板外挑1m，避免外墻與結(jié)構(gòu)柱連接，簡(jiǎn)化了外墻與梁柱之間的節(jié)點(diǎn)連接（圖4）。

圖4 案例9優(yōu)化后的建筑平面圖

（2）管線集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)

管線的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)也是裝配式平面標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的重要方面，管線的集成設(shè)計(jì)一方面可以簡(jiǎn)化平面；另一方面，歸并建筑設(shè)備管線，可以有效地減少管線穿墻，簡(jiǎn)化外墻保溫和氣密性措施。例如在表2的案例9中，雨水管布置在保溫層外側(cè)，設(shè)置獨(dú)立的空間做保溫、氣密和隔聲處理。

3 高校教學(xué)建筑的預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化

（1）預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。工業(yè)化的預(yù)制構(gòu)件多種多樣，目前在我國(guó)裝配式高校教學(xué)建筑的實(shí)踐中，預(yù)制構(gòu)件的使用主要集中于預(yù)制柱、預(yù)制外墻、門窗、疊合樓板、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制樓梯。例如，在案例9中，采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)（鋼柱、鋼梁，預(yù)制率100%）、ALC板（內(nèi)外墻，預(yù)制率90%）、桁架板（樓板，預(yù)制率80%），預(yù)制樓梯（預(yù)制率90%）。此外，表4列舉了表2的案例11中的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)。

表4 案例11中預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)

（2）節(jié)點(diǎn)連接方式

預(yù)制構(gòu)件的連接方式優(yōu)化，也是裝配式建筑重要的方面。在表2的案例9中，采用標(biāo)準(zhǔn)化的螺栓連接節(jié)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)化的梁、柱鋼結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)用鋼梁、鋼柱進(jìn)行組合成框架單元。其連接節(jié)點(diǎn)僅為鋼框架、柱鋼接連接節(jié)點(diǎn)和鋼框架梁、次梁鉸接連接節(jié)點(diǎn)兩類。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過連接節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化，將連接節(jié)點(diǎn)從原來(lái)的164種優(yōu)化為20種[6]（圖5～6）。

圖5 案例9鋼框架梁、柱剛接連接節(jié)點(diǎn)示意圖

圖6 案例9鋼框架梁、次梁鉸接連接節(jié)點(diǎn)示意圖

4 基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的立面多樣化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并非千篇一律，而是將一系列標(biāo)準(zhǔn)的基本單元通過多樣化的組合，形成形式多樣的個(gè)性化建筑產(chǎn)品。在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多樣化，基礎(chǔ)模數(shù)的取值越小，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的開放性越高，預(yù)制構(gòu)件組合的多樣性則越強(qiáng)，但是基礎(chǔ)模數(shù)取值則會(huì)導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件的種類增多。因此，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)，需要選取合適的模數(shù)，在設(shè)計(jì)中，減少構(gòu)件種類，盡量采用“少規(guī)格、多組合”來(lái)形成多樣效果。表5中羅列了表2的案例10的外墻拆分設(shè)計(jì)，用盡可能少的模具進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)，通過組合方式進(jìn)行外立面多樣化的設(shè)計(jì)。

表5 案例10中的外立面拆分設(shè)計(jì)

另外，除了通過預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)進(jìn)行外立面多樣化設(shè)計(jì)以外，在裝配式高校教學(xué)建筑的設(shè)計(jì)中，同樣可以采用傳統(tǒng)的增加綠化、材料和色彩、第五立面營(yíng)造、引入新技術(shù)等方式來(lái)進(jìn)行多樣化的設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是裝配式建筑的關(guān)鍵，尤其是設(shè)計(jì)階段在裝配式建筑的全產(chǎn)業(yè)鏈中起著舉足輕重的作用。在全國(guó)范圍大規(guī)模的推動(dòng)裝配式建筑，以及高校建設(shè)需求量持續(xù)增大的背景下，裝配式體系在高校建設(shè)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。尤其是在高校教學(xué)建筑中，結(jié)構(gòu)規(guī)則、柱網(wǎng)尺寸集中、多功能空間的重復(fù)率高等特點(diǎn)，具備標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化的先天優(yōu)勢(shì)，在今后的發(fā)展過程中應(yīng)該得到推廣。裝配式高校教學(xué)建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的研究，是其進(jìn)行裝配式全過程建造的第一步，為高校教學(xué)建筑產(chǎn)業(yè)化、綠色化、信息化發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

資料來(lái)源：

圖4：山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供；

圖5～6：參照參考文獻(xiàn)[6]繪制；

表5中的圖片：華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司提供；

表1：各省市住建部門網(wǎng)站、預(yù)制建筑網(wǎng)；

表2：華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院提供，山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供，華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司提供；

文中其余圖表均為作者繪制。

注釋

① 2016年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，提出“大力推廣裝配式建筑”，“加大政策支持力度，力爭(zhēng)10年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%”。2016年9月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，明確了發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進(jìn)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，并提出8項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)，是我國(guó)今后一段時(shí)間內(nèi)推進(jìn)裝配式建筑的綱要。

② 2017年，住建部為全面推進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展，出臺(tái)了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》、《裝配式建筑示范城市管理辦理》、《裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地管理辦法》等，為裝配式建筑發(fā)展提供了措施保障。

③ 擴(kuò)大模數(shù)（2M、3M、6M、9M、12M……）一般用于開間、進(jìn)深、柱距、跨度、洞口、層高等，分模數(shù)（M/10、M/5、M/2）一般用于縫隙、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、構(gòu)配件截面等，這也是符合目前裝配式常用建材的尺寸。