高層裝配式住宅設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用

張嘉龍

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2016〕71 號(hào)）中明確要大力發(fā)展裝配式建筑，穩(wěn)步推進(jìn)創(chuàng)新建造方式，促進(jìn)建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型升級(jí)，并指明裝配式建筑設(shè)計(jì)要進(jìn)行創(chuàng)新。裝配式建筑集設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工業(yè)化、組合化施工、信息化運(yùn)營于一體。以工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用為基礎(chǔ)構(gòu)件，施工現(xiàn)場(chǎng)全面實(shí)現(xiàn)干作業(yè)裝配，保證項(xiàng)目建設(shè)高效率，組建安裝高精度，設(shè)計(jì)成品高品質(zhì)。裝配式建筑能大幅提高建筑效率，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，縮短建筑周期，減少環(huán)境影響，避免因?yàn)闅夂騿栴}而導(dǎo)致工地誤工怠工。裝配式讓房屋像工業(yè)流水線生產(chǎn)一樣，批量制造房屋構(gòu)件，生產(chǎn)后把各類從工廠運(yùn)到工地組裝。我國是人口大國，提高住宅建筑的裝配率的重要性勿容置疑，因此發(fā)展裝配式住宅對(duì)改善居住品質(zhì)、降低人工成本、提升建設(shè)速度、提高居住適應(yīng)性起到重要作用。

1 裝配式住宅模塊化設(shè)計(jì)

1.1 功能模塊化

裝配式建筑可拆分為不同的構(gòu)件，在前期設(shè)計(jì)方案階段，如何把住宅單元進(jìn)行整體拆分非常重要。因此在設(shè)計(jì)之初，需考慮核心筒與各戶型單元的組合關(guān)系，考慮戶型單元中各生活空間的組合關(guān)系，從而減少墻板門窗種類，提高建造效率，實(shí)現(xiàn)住宅功能性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。其次，裝配式住宅建筑的工業(yè)化制造為不同戶型、標(biāo)準(zhǔn)層、樓棟之間采用相同構(gòu)件模塊提供了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，方便標(biāo)準(zhǔn)化樓棟的多次利用。綜上所述，項(xiàng)目初期可統(tǒng)籌劃分各使用單元，將住宅功能空間“模塊化”，然后再拼裝組合（圖1）。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人將各住宅使用空間進(jìn)行歸類，如衛(wèi)生間、廚房，主臥、次臥等各標(biāo)準(zhǔn)段對(duì)應(yīng)尺寸，在排布戶型時(shí)利用模塊進(jìn)行組合，形成各標(biāo)準(zhǔn)戶型平面，后期也方便進(jìn)行集成衛(wèi)生間和集成廚房的布置。

1.2 戶型模塊化

住宅建筑拆分后的單元式空間，以基本單元模塊，經(jīng)過拼接、組合方式，組成分戶單元，再與模塊化和核心筒組成住宅建筑。根據(jù)各功能模塊進(jìn)行組合，可以形成典型的套型模塊，套型模塊是平面組合中最重要的部分，也是必須進(jìn)行的設(shè)計(jì)部分。有了套型模塊，就可以對(duì)裝配式外墻構(gòu)件、疊合板、陽臺(tái)、空調(diào)板等進(jìn)行拆分。

住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面設(shè)計(jì)時(shí)，可把將功能空間拼裝好的戶型作為組合端，公共空間電梯筒部分作為核心端，核心模塊保持不變，通過組合各面積段戶型端形成標(biāo)準(zhǔn)層平面，如圖2 所示，由標(biāo)準(zhǔn)化的戶型端及標(biāo)準(zhǔn)化電梯筒核心端共同構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。在戶型組合方面，通過規(guī)整單戶的剪力墻，通過參照模塊或常規(guī)的協(xié)同平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)了全區(qū)的結(jié)構(gòu)布置統(tǒng)一，使內(nèi)部隔墻能更靈活分隔；同時(shí)方便調(diào)整戶型的客廳和居室的空間開間和進(jìn)深，合理化功能尺寸，使用上更符合家具布置和內(nèi)裝設(shè)計(jì)。同時(shí)遵循了標(biāo)準(zhǔn)模塊原則和模數(shù)尺寸，為室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化提供了前期條件。在公共核心筒設(shè)計(jì)端，根據(jù)裝配式后期深化要求調(diào)整成為若干標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，包括了裝配式樓梯的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)電管井及走道的標(biāo)準(zhǔn)化、電梯井的標(biāo)準(zhǔn)化。既方便了后續(xù)高效的流水線生產(chǎn)，也為創(chuàng)造多樣的標(biāo)準(zhǔn)化組合平面提供了可能性。

戶型模塊的規(guī)劃使高層裝配式住宅既為開發(fā)商提供高效的建造流程，也為住戶提供更高品質(zhì)的生活空間，更可以作為設(shè)計(jì)單位內(nèi)部的設(shè)計(jì)庫存，通過不斷優(yōu)化更新，得出更加符合生活習(xí)慣和居住需求的內(nèi)部空間格局，形成住宅產(chǎn)品的迭代。同時(shí)，戶型的優(yōu)化也能帶來預(yù)制外墻立面構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，充分體現(xiàn)工業(yè)化流水線生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。而住宅立面的設(shè)計(jì)，也遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則，在減少構(gòu)件種類的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)豐富的立面組合形式。

2 立面設(shè)計(jì)

2.1 模塊標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化、模塊生產(chǎn)應(yīng)作為設(shè)計(jì)概念貫穿住宅單體的平面和立面設(shè)計(jì)。首先，規(guī)整建筑平面布置，減少戶型組合類型，盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化；其次，立面設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮拆分后的預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，減少復(fù)雜造型，降低建造成本，提高施工效率。根據(jù)平面設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)預(yù)制構(gòu)件與立面之間的尺寸關(guān)系，盡可能減少如預(yù)制外墻板、預(yù)制空調(diào)板、預(yù)制陽臺(tái)、預(yù)制窗臺(tái)等構(gòu)件類型，滿足標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的設(shè)計(jì)概念。因此立面面積、尺寸的設(shè)計(jì)必須要充分考慮標(biāo)準(zhǔn)件的模數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件在立面設(shè)計(jì)上整齊劃一的排布能形成重復(fù)韻律的立面效果，再通過色彩及造型的搭配，提高立面的豐富度。

2.2 立面設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)時(shí)各開發(fā)商住宅產(chǎn)品的對(duì)標(biāo)，針對(duì)高層住宅立面設(shè)計(jì)要求越來越高，既追求整體效果，也強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)的搭配。同時(shí)在色彩的選擇上，追求清素與高雅，并注意顏色間的搭配與過渡。例如，大面積的色彩運(yùn)用搭配其他顏色的線條，形成住宅立面色彩體量上的咬合關(guān)系。在建材方面，裝配式建筑講求輕便耐久易安裝，在滿足建筑強(qiáng)度的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量方便預(yù)制構(gòu)件的安裝連接。與傳統(tǒng)住宅項(xiàng)目不同，裝配式住宅項(xiàng)目應(yīng)該建立與材料特性和建構(gòu)特色相適應(yīng)的立面美學(xué)體系。以立面三段式構(gòu)圖為例，主要是從顏色和設(shè)計(jì)形態(tài)上區(qū)分，就是以屋頂、建筑主體（建筑腰身）、建筑基礎(chǔ)（建筑的腳），通過采用不同顏色的搭配或不同材質(zhì)的組合區(qū)分變化?；捎檬幕蛘媸?、提升近人尺度體驗(yàn)上的觀感和觸感，標(biāo)準(zhǔn)身段通過不同色彩的組合形成豐富的立面身段，頂部通過幕墻或格柵的加高，結(jié)合屋頂?shù)娘w翅、構(gòu)架等造型使建筑形態(tài)更加挺拔，如圖3 所示。

標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)雖然限定了模數(shù)尺寸，但在設(shè)計(jì)過程中，可通過分段劃分、色彩搭配、線條的咬合提升最終立面建筑效果的呈現(xiàn)。所以項(xiàng)目設(shè)計(jì)人需綜合考慮建筑美觀、建筑經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率等方面，統(tǒng)籌兼顧，爭取裝配式住宅立面綜合效益最大化。

2.3 飾面材料

裝配式建筑外墻預(yù)制混凝土可以與傳統(tǒng)飾面材料一體化集成制造。各類飾面面磚和飾面石材都可預(yù)先按設(shè)計(jì)要求嵌入平放的模臺(tái)與混凝土澆筑為一體，無須額外粘結(jié)層。

面磚飾面具有美觀的裝飾效果，歷久彌新的質(zhì)感等優(yōu)點(diǎn)，是各類高品質(zhì)住宅建筑外墻材料的首選。但是面磚飾面的傳統(tǒng)做法容易造成面磚脫落。且其粘貼質(zhì)量受高空作業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件、施工氣候、工人操作水平等影響較大，面磚飾面常有脫落現(xiàn)象。很多城市、地區(qū)都禁止高層建筑外墻貼面磚。

而使用反打工藝可以解決面磚后期脫落的問題，陶板、瓷片、劈離磚等都可以與混凝土牢固結(jié)合，可免除傳統(tǒng)面磚鋪貼立面的腳手架、材料堆放場(chǎng)所，免除鋪貼使用的設(shè)施工具，并且節(jié)約人力，改善施工環(huán)境，提高鋪貼立面的施工效率縮短工期。面磚反打工藝可以實(shí)現(xiàn)尺寸的精準(zhǔn)和質(zhì)量控制，使得復(fù)雜精細(xì)的細(xì)節(jié)，如：拱券、弧形券，柱頭等排磚圖案可以同墻板集成在一起。這種美學(xué)表達(dá)的自由度以現(xiàn)場(chǎng)粘貼面磚工藝是很難經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)的。

同樣，大理石、花崗巖、石灰?guī)r等石材裝飾板材，也可以在工廠內(nèi)同混凝土預(yù)制為整體。飾面石材反打工藝將傳統(tǒng)干掛工藝涉及的高空作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量移入工廠，改變工人操作條件，不受天氣影響。石材無須龍骨可以節(jié)約材料、節(jié)省大量勞動(dòng)力，提高外觀質(zhì)量和施工效率。飾面石材表面規(guī)整，預(yù)制墻板附著牢固，外立面品質(zhì)觀感優(yōu)良。

現(xiàn)時(shí)各類的飾面材料都能很好地結(jié)合裝配式預(yù)制墻板進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)計(jì)人可通過標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，進(jìn)行豐富多樣的組合，通過組合尋求變化，增添裝配式住宅里立面的多樣性。

3 BIM 設(shè)計(jì)

當(dāng)落實(shí)住宅方案后，應(yīng)建立BIM 模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，逐步完善構(gòu)件深化工作，用于指導(dǎo)性生產(chǎn)及施工進(jìn)程。如在BIM 模型中進(jìn)行拆分，特別是各類構(gòu)件的劃分，以族件庫為單元進(jìn)行深化，建立構(gòu)件模型，為生產(chǎn)廠家提供前期接口，是預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在BIM 技術(shù)平臺(tái)中，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠與土建設(shè)計(jì)專業(yè)在同一模型上達(dá)成一致意見，結(jié)合配筋、尺寸等詳細(xì)信息，構(gòu)件模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。依托BIM 軟件，設(shè)計(jì)單位還可建立預(yù)制構(gòu)件族的模型庫，在各類項(xiàng)目中不斷對(duì)標(biāo)完善，后續(xù)項(xiàng)目中通過庫存選擇適當(dāng)預(yù)制構(gòu)件，同樣通過迭代更新以進(jìn)一步使整個(gè)裝配式設(shè)計(jì)流程更加完善和高效，如圖4 所示。

在BIM 設(shè)計(jì)中，前期的設(shè)計(jì)樣板是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的首要組成部分，設(shè)置樣板的目的是標(biāo)準(zhǔn)化呈現(xiàn)各專業(yè)的設(shè)計(jì)成果，提高整體設(shè)計(jì)效率與圖面質(zhì)量。通常在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期階段，項(xiàng)目經(jīng)理統(tǒng)領(lǐng)建立項(xiàng)目的基本模板文件，并持續(xù)完善。

除了建立裝配式全專業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目樣板，還需設(shè)立裝配式各類預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)樣板。如預(yù)制梁柱、預(yù)制柱、預(yù)制樓梯、及預(yù)制飄窗等其他復(fù)雜的異型構(gòu)件設(shè)計(jì)樣板。預(yù)制構(gòu)件樣板可以在項(xiàng)目樣板的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。樣板建立內(nèi)容包括：①構(gòu)件族。②工作視圖。③圖紙布局。④預(yù)設(shè)的明細(xì)表。

項(xiàng)目樣板的設(shè)置作為大前提，主要考慮進(jìn)行各專業(yè)建模的區(qū)分（如工作視圖區(qū)分為：建筑專業(yè)視圖、結(jié)構(gòu)專業(yè)、機(jī)電設(shè)備專業(yè)、內(nèi)裝專業(yè)），預(yù)制構(gòu)件樣板則主要考慮構(gòu)件進(jìn)行加工、預(yù)埋安裝步驟的區(qū)分（如工作視圖區(qū)分為深化設(shè)計(jì)視圖、配筋設(shè)計(jì)視圖、模板設(shè)計(jì)視圖、機(jī)電預(yù)埋視圖、安裝工作視圖）。

裝配式建筑設(shè)計(jì)是個(gè)整體系統(tǒng)工程，需充分考慮設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝施工，以及運(yùn)營等全周期流程中各因素的影響。因而在設(shè)計(jì)過程中，建筑專業(yè)設(shè)計(jì)人員將起龍頭作用，協(xié)調(diào)好結(jié)構(gòu)專業(yè)、設(shè)備專業(yè)做好管線分離安裝，墻體孔洞的預(yù)留預(yù)埋，協(xié)調(diào)裝修專業(yè)做好構(gòu)件、點(diǎn)位尺寸定位，避免施工階段的調(diào)整與后續(xù)開孔，減少設(shè)計(jì)修改變更。并同時(shí)借助BIM 模型，進(jìn)行可視化指導(dǎo)施工、協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行管線綜合及碰撞分析等，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

4 結(jié)語

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)化和集成化的裝配式建筑，已成為國家未來發(fā)展高層住宅建筑的主要方向，有著廣闊的發(fā)展空間和前景，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為充分發(fā)揮住宅建筑的裝配式優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)新時(shí)代建筑高時(shí)效、高品質(zhì)等特點(diǎn)，要求項(xiàng)目管理人員、項(xiàng)目設(shè)計(jì)者重視模塊化概念，通過標(biāo)準(zhǔn)空間模塊化、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、預(yù)制構(gòu)件的靈活組合和搭配，提升住宅建造效率，促進(jìn)高層裝配式住宅建設(shè)能力的提升。