不同結(jié)構(gòu)形式的裝配式住宅建筑設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性研究

夏祥宇 魏宗敏 王桂文

隨著國家對(duì)裝配式建筑的持續(xù)推進(jìn)和規(guī)范，裝配式建筑所占比例逐年提高，加快對(duì)裝配式建筑的研究與應(yīng)用已勢(shì)在必行。住宅產(chǎn)業(yè)化是綠色建筑的有力推手，它將住宅規(guī)劃、設(shè)計(jì)、部品部件生產(chǎn)、施工、管理和服務(wù)等環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)為一個(gè)完整的體系，一方面帶動(dòng)了新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用，另一方面大大提升了建筑品質(zhì)和科技含量，同時(shí)也帶動(dòng)了上下游產(chǎn)業(yè)。

因成本高于現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)住宅，裝配式結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展受到了一定阻力。在滿足產(chǎn)業(yè)化率和裝配率要求的前提下，如何通過合理的設(shè)計(jì)使住宅建筑更低碳環(huán)保、成本更優(yōu)、空間更舒適是建筑設(shè)計(jì)人員需要考慮的事情。

本研究結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行裝配式建筑設(shè)計(jì)，并通過對(duì)三種常見裝配式結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)及造價(jià)分析，歸納總結(jié)出建議及改進(jìn)方向，對(duì)同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。因我國地域遼闊，建筑材料類別及造價(jià)具有較大差異性，故應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目所在地實(shí)際情況具體問題具體分析。

一、施工圖設(shè)計(jì)

選取濟(jì)南市南北康A(chǔ)-1地塊項(xiàng)目1號(hào)住宅樓進(jìn)行設(shè)計(jì)，單體平面為兩梯四戶中間帶連廊的平面，戶型面積分別為94㎡和140㎡。根據(jù)山東省裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，裝配率不應(yīng)低于50%，設(shè)計(jì)時(shí)間為2020年4月。

1. 建筑設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目1 號(hào)樓地上二十六層，地上建筑面積12129.55㎡，層高2.9m，建筑高度76m，建筑防火等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)合理使用年限為50年。

（1）交付標(biāo)準(zhǔn)：公區(qū)精裝修，戶內(nèi)全裝修。

（2）建筑節(jié)能設(shè)計(jì)：本建筑體積34918.78m3，外表面積11668.88㎡，建筑物體型系數(shù)為0.33；窗墻比：南向?yàn)?.32，北向?yàn)?.21，東西向均為0.06。外窗選用隔熱斷橋鋁合金中空玻璃窗，傳熱系數(shù)為1.80，氣密性7級(jí)。屋面保溫材料為90厚擠塑板，裝配式剪力墻方案中外墻保溫采用保溫結(jié)構(gòu)一體化體系及自保溫砌塊，另外兩種方案中外墻保溫采用ALC自保溫墻板及保溫結(jié)構(gòu)一體化體系。本次節(jié)能設(shè)計(jì)均采用山東鋼鐵集團(tuán)房地產(chǎn)有限公司（以下簡(jiǎn)稱山鋼地產(chǎn)）住宅項(xiàng)目常用節(jié)能做法并滿足山東省住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濟(jì)南地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別按Ⅱ類考慮，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，裝配式剪力墻土+鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)?；撅L(fēng)壓0.45kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

建筑結(jié)構(gòu)布置較為規(guī)則，共采用了三種裝配式結(jié)構(gòu)形式，均滿足山東省裝配式建筑評(píng)價(jià)要求的最低要求（50分）（詳見表1）。第一種為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，其中豎向承重內(nèi)墻、樓板、樓梯采用預(yù)制，其余采用現(xiàn)澆；第二種為裝配式鋼結(jié)構(gòu)，主要豎向構(gòu)件為矩形鋼管（內(nèi)充混凝土），水平構(gòu)件為H型鋼梁，樓板為鋼筋桁架樓承板；第三種為裝配式剪力墻+鋼結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)，受建筑布置影響，交通核在北側(cè)，東西區(qū)域采用鋼筋混凝土剪力墻，中部區(qū)域?yàn)殇摽蚣堋?/p>

表1 裝配式建筑評(píng)價(jià)表

二、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)測(cè)算分析

1. 各方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)測(cè)算

根據(jù)南北康項(xiàng)目A-1地塊1號(hào)住宅樓的三種裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分別編制三種結(jié)構(gòu)的算量圖形，主要計(jì)算主體結(jié)構(gòu)工程量，裝飾工程和安裝工程未納入計(jì)算范圍。采用廣聯(lián)達(dá)BIM土建計(jì)量平臺(tái)GTJ2021建立結(jié)構(gòu)模型，采用16系平法規(guī)則，參照房屋建筑與裝飾工程計(jì)量規(guī)范計(jì)算規(guī)則（2013-山東）計(jì)算工程量。

計(jì)價(jià)采用廣聯(lián)達(dá)計(jì)價(jià)軟件GBQ4.0版本，運(yùn)用廣聯(lián)達(dá)計(jì)價(jià)軟件編制工程量清單，參照《山東省建筑工程消耗量定額2016》及《山東省安裝工程消耗量定額2016》，人工工日按70元/工日，鋼筋價(jià)格3790～4050元/t，混凝土價(jià)格480～500元/m3，砂漿480元/m3，裝配式預(yù)制構(gòu)件3300～3600元/m3，其余價(jià)格參考當(dāng)期市場(chǎng)價(jià)格確定。根據(jù)計(jì)價(jià)結(jié)果匯總?cè)N結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)表，參見表2。

表2 各結(jié)構(gòu)形式指標(biāo)對(duì)比表

2. 方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析

在平面相同且滿足單體裝配率最低要求的情況下，裝配式剪力墻方案造價(jià)最低，裝配式鋼結(jié)構(gòu)方案最高；裝配式剪力墻方案比裝配式鋼結(jié)構(gòu)方案造價(jià)低307.3元/㎡，其中豎向支撐低225.78元/㎡，橫向支撐低263.67元/㎡，橫向板低18.37元/㎡，樓梯低15.62元/㎡，保溫低28.78 元/㎡，砌體低23.24元/㎡，措施低87.00元/㎡。鋼結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件采用鋼梁、鋼柱和支撐，用鋼量遠(yuǎn)高于混凝土結(jié)構(gòu)，這是鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)高的主要原因。

三、裝配式結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)措施

根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析及裝配式評(píng)分表，影響成本的因素主要集中在主體結(jié)構(gòu)部分，可以有針對(duì)性地降低主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件比例。無論是哪一種裝配式結(jié)構(gòu)，均可通過增加非承重墻、內(nèi)隔墻、干法施工、集成衛(wèi)生間、管線分離、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等措施來增加相應(yīng)分值，從而降低主體結(jié)構(gòu)分值，達(dá)到降低成本的目的。裝配式建筑深化研究內(nèi)容和設(shè)計(jì)階段需要把控的重點(diǎn)內(nèi)容如下：

1. 裝配式建筑深化研究方向

（1）因圖紙中裝飾裝修、安裝工程未能完善，后續(xù)需要根據(jù)深化設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善測(cè)算分析，明確裝飾裝修、安裝工程在不同結(jié)構(gòu)形式中的造價(jià)偏差。

（2）本次只考慮滿足最低裝配率要求情況下的造價(jià)分析，后續(xù)可測(cè)算裝配率的進(jìn)一步提高對(duì)造價(jià)的影響。

（3）需進(jìn)一步研發(fā)適合市場(chǎng)銷售的裝配式住宅戶型。

2. 裝配式建筑設(shè)計(jì)階段需要把控的重點(diǎn)內(nèi)容

（1）方案設(shè)計(jì)階段

①近年來，各地紛紛出臺(tái)關(guān)于裝配式建筑的獎(jiǎng)勵(lì)政策，如濟(jì)南市2020年出臺(tái)的《濟(jì)南市裝配式建筑預(yù)制外墻建筑面積不計(jì)入容積率激勵(lì)政策實(shí)施細(xì)則》中第二條規(guī)定“在我市范圍內(nèi)新建符合國家或山東省《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)等要求的裝配式建筑項(xiàng)目，采用裝配式外墻技術(shù)產(chǎn)品，其預(yù)制外墻建筑面積不超過規(guī)劃總建筑面積3%的部分，不計(jì)入建筑容積率?！苯ㄔO(shè)單位應(yīng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期與政府相關(guān)部門就土地規(guī)劃條件及裝配式建筑獎(jiǎng)勵(lì)政策進(jìn)行深入溝通，在方案階段明確裝配式建筑設(shè)計(jì)實(shí)施范圍，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)體系、概念方案設(shè)計(jì)的合理性，才能達(dá)到降低成本的目的。

②項(xiàng)目定位階段應(yīng)減少戶型種類，同一面積段的戶型設(shè)計(jì)應(yīng)盡量一致，形成標(biāo)準(zhǔn)戶型、標(biāo)準(zhǔn)交通核等。如戶型差異不可避免，不同戶型之間的衛(wèi)生間、廚房、臥室等相同功能空間的開間應(yīng)盡量保持一致，可有利于減少外墻板尺寸差異性。標(biāo)準(zhǔn)戶型、標(biāo)準(zhǔn)開間可最大限度地滿足預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化加工要求并降低成本；方案設(shè)計(jì)過程中應(yīng)避免出現(xiàn)寬度小于等于200mm的內(nèi)外墻墻垛，如確實(shí)需要可考慮做成現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

③明確裝配式建筑的裝配率要求后，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目定位先選擇合理的裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系再確定技術(shù)方案，明確計(jì)算、評(píng)價(jià)單元和評(píng)價(jià)項(xiàng)。確定裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系、技術(shù)方案后，應(yīng)反向調(diào)整建筑平面、立面、剖面設(shè)計(jì)，確定住宅建筑方案。如采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，需考慮在確定結(jié)構(gòu)體系下豎向抗側(cè)力柱構(gòu)件采用何種形式，若采用方鋼管混凝土柱，應(yīng)充分考慮鋼管柱凸出墻面的問題，結(jié)合具體的戶型設(shè)計(jì)可采用柱偏置和長扁柱或利用裝修將此問題消除；若采用方鋼管混凝土組合異形柱，應(yīng)提前與廠家對(duì)接異形柱加工方式問題，也應(yīng)充分考慮異形柱與保溫層可靠連接的問題。

（2）裝配式結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)階段

圖紙為滿足構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的要求，建議建立典型戶型的各系統(tǒng)綜合的三維模型。設(shè)計(jì)成果應(yīng)包含：產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)內(nèi)容：明確裝配率或預(yù)制率指標(biāo)，涵蓋所有結(jié)構(gòu)、建筑的產(chǎn)業(yè)化節(jié)點(diǎn)，明確各類接縫做法等。以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)成果主要有：

①PC結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)總說明及 PC構(gòu)件工程量統(tǒng)計(jì)清單。

②預(yù)制構(gòu)件平面分布圖—圖紙中應(yīng)區(qū)分現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)及預(yù)制結(jié)構(gòu)，繪出預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置及定位尺寸；繪出預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件型號(hào)或編號(hào)及詳圖索引號(hào)；標(biāo)注較大構(gòu)件的尺寸、重量及吊裝距離最遠(yuǎn)的構(gòu)件。

③預(yù)制構(gòu)件立面分布圖應(yīng)包含─整棟建筑立面上的預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆砼的范圍及預(yù)制構(gòu)件的名稱。

④預(yù)制構(gòu)件剖面圖應(yīng)表達(dá)建筑的預(yù)制構(gòu)件墻身詳圖及節(jié)點(diǎn)詳圖索引。

⑤預(yù)制構(gòu)件公共詳圖應(yīng)包括水平和豎向縫連接詳圖、夾心保溫排水管設(shè)置詳圖、預(yù)制剪力墻水平和豎向連接詳圖、預(yù)制梯段板端部連接詳圖、夾心保溫內(nèi)外頁板連接詳圖、預(yù)制墻施工用斜撐詳圖、預(yù)制外墻調(diào)標(biāo)高詳圖、PC與現(xiàn)澆陰角模板施工詳圖、雙向疊合板整體式接縫構(gòu)造圖等。

⑥預(yù)制構(gòu)件索引節(jié)點(diǎn)詳圖應(yīng)包括凸窗與疊合梁的連接詳圖、PC墻的豎向和水平連接、陽臺(tái)板與疊合梁的連接詳圖、轉(zhuǎn)換層與PC構(gòu)件的連接詳圖、陽臺(tái)隔墻上下連接詳圖等。

⑦PC計(jì)算書應(yīng)包括預(yù)制率計(jì)算、預(yù)制夾心保溫外墻面積計(jì)算、剪力墻水平接縫計(jì)算、預(yù)制構(gòu)件正常使用階段錨固驗(yàn)算、預(yù)制構(gòu)件脫模和吊裝階段計(jì)算等。

3. 裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)及加工階段

建設(shè)單位可引入BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助。建設(shè)單位、施工單位、施工圖設(shè)計(jì)單位、裝配式構(gòu)件廠家、BIM設(shè)計(jì)單位應(yīng)共同參與，從不同的角度去審視裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的合理性。如施工單位應(yīng)充分考慮施工機(jī)具放置位置對(duì)裝配式墻板的影響，外墻腳手架的懸挑樓層處的裝配式外墻板應(yīng)在設(shè)計(jì)階段預(yù)留出相應(yīng)的孔洞，避免因后期開洞對(duì)墻板造成破壞而增加不必要的成本。

四、結(jié)語

對(duì)于住宅建筑來說，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式混-鋼混合結(jié)構(gòu)都是比較成熟的結(jié)構(gòu)體系。本文的研究分析，將有助于建筑師、結(jié)構(gòu)師和造價(jià)師更加明確這三種筑結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟(jì)性差異點(diǎn)所在，讓他們?cè)诮窈蟮淖≌O(shè)計(jì)及成本管控中更具有主導(dǎo)權(quán)。希望更多的建筑師可以設(shè)計(jì)出實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、綠色的住宅建筑，為我國低碳發(fā)展做出貢獻(xiàn)，為建設(shè)單位降低開發(fā)成本并為老百姓設(shè)計(jì)出更加舒適的居住空間。