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装配式建筑设计要点解析

miaomiaow1楼主
1楼2017-06-0516:05

作者:赵中宇、郑娇

作者单位:中国中建设计集团有限公司

摘要

本文从建筑产业现代化的发展趋势出发,解读了预制装配式建筑的基本概念与特点,比较了预制装配式建筑与传统现浇建造方式的区别,解析了在工作流程、总体规划、平面组合、立面构成、构件设计、构造节点、专业协同等方面应注意的设计要点。

引 言

我国正处于快速推进“新型城镇化”的进程之中,由过去片面注重追求城市规模扩张,改变为全面提升城市的文化内涵,贯彻集约、智能、绿色、低碳的方针,全面改善城镇的发展品质,这对我国建筑行业的产业转型、节能减排、环保低碳、品质提升等方面提出了更高要求。

建筑产业现代化是以先进的工业化、信息化、智能化技术为支撑,通过技术集成和管理集成,整合投资、设计、生产、施工和运营等产业链,实现建筑业生产方式的变革和产业组织模式的创新,通过工业化的生产和管理模式,来代替分散的、低水平的、低效率的手工业生产方式。发展建筑产业现代化是建筑业从粗放型向集约型转变的有效方式,是提高工程质量, 摆脱大量手工作业的重要途径,是建筑业实现可持续发展和转型升级的必然选择。

预制装配式建筑的特点

建筑产业现代化的核心是融合信息化技术的新型建筑工业化,由于目前我国新型建筑工业化尚处在起步发展阶段,全产业链各个环节之间还需要磨合与协调,因此我们需要深入了解预制装配式建筑与现浇建筑的区别和差异,总结符合预制装配式建筑特点的设计要点。

在我国各种类型建筑的建设中,目前仍然主要采用面向现场施工为主的传统生产方式。这导致了建筑工业化程度低、设计与建造速度慢、建筑材料损耗多、 建筑施工垃圾量大、建筑主体施工与装修质量不稳定、建筑全寿命周期能耗高等诸多问题。与传统的建设方式相比,采用新型建筑工业化的建造方式具有降低现场作业强度、提升建筑品质、减少施工垃圾、避免材料浪费、缓解噪音、减少扬尘、控制人工成本、缩短总体工期、易于运营维护等优势。

装配式建筑设计要点解析

图1 装配式建筑优势

绿色低碳、节能环保、健康生态、可持续发展等现代新理念对于建筑发展产生了巨大的影响,对于建筑的设计、施工、使用方式都提出了更高、更科学的新要求。新型建筑工业化的主要特征是生产方式的工业化,具体体现在五个方面:标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理,从根本上克服了传统建造方式的不足,打破了设计、生产、施工装修等环节各自为战的局限性,实现了建筑产业链上下游的高度协同。

装配式建筑设计要点解析

图2 装配式建筑优点

我国建筑行业的转型升级,首先需要升级的是行业思维模式和生产组织方式,因此在“五化合一”之外,我们更应该运用“产业化思维”来实现“专业化协同” 。传统建筑设计模式是面向现场施工的,很多问题要到施工阶段才能够暴露出来,新型建筑工业化的重要作用在于将施工阶段的问题提前至设计、生产阶段解决,将设计模式由面向现场施工转变为面向工厂加工和现场装配的新模式,这就要求我们运用产业化的眼光审视我们原有的知识结构和技术体系,采用产业化的思维重新建立企业之间的分工与合作。使研发、设计、生产、施工以及装修形成完整的协作机制。随着建筑产业化的推进,“产业化思维”必将重塑中国的建筑行业,促使中国的建筑行业从“数量时代”跨越到“质量时代”。

2预制装配式建筑的发展

2.1预制装配式建筑国外发展现状

世界各国对工业化建筑的发展方向各有侧重,发展状况也各不相同。法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一。1891 年,巴黎Ed. Coigcnl公司首次在 BmmU的俱乐部建筑中使用装配式混凝梁;二战结束后,装配式混凝土结构首先在西欧发展起来,然后推广到美国、加拿大、日本等国。发达国家住宅生产的工业化,早期均采用专用体系,虽然加快了住宅建设速度,提高了劳动生产率,但也暴露出工业化住宅缺乏个性的缺点。为此,在专用体系的基础上,各国又先后积极推行了通用体系,以部件为中心组织专业化、社会化大生产。

美国重视研究住宅的标准化、系列化、菜单式预制装配,美国住宅建筑市场发育完善, 除工厂生产的活动房屋(mobile home )和成套供应的木框架结构的预制构配件外,其他混凝土构件与制品、轻质板材、室内外装修以及设备等产品也十分丰富。厨房、卫生间、空调和电器等设备近年来逐渐趋向组件化,以提高工效、降低造价,便于非技术工人安装。

日本的住宅工业化始于20世纪6O年代初期,通过十余年的探索,使住宅产业走向成熟,产生了盒子住宅、单元住宅大型壁板式住宅等工业化住宅形式,20世纪90 年代采用工业化方式生产的住宅已占竣工住宅总数的25%〜 28%,并通过产业化方式形成住宅通用部品,其中1418类部件已取得“优良住宅部品认证”。

日本住宅工业化的发展很大程度上得益于住宅产业集团的发展。住宅产业集团(Housing Industrial Group, HIG)是应住宅工业化发展需要而产生出的新型住宅企业组织形式,是以专门生产住宅为最终产品,集住宅投资、产品研究开发、设计、 配构件部品制造、施工和售后服务于一体的住宅生产企业,是一种智力、技术、资金密集型、能够承担全部住宅生产任务的大型企业集团。

2.2预制装配式建筑国内发展现状

我国建筑工业化已经走过了近60年的历程。在20世纪50年代,借鉴苏联的建设经验,初步建立了建筑工业化和机械化的技术基础。在改革开放初期,原国家建委提出了以“三化一改”(建筑设计标准化、构件生产工 厂化、施工机械化和墙体改革) 为重点发展的建筑工业化,并在全国大中城市大力推广大板建筑,实现了生产工艺的机械化和 半自动化,全国陆续竣工完成大板建筑约700万平方米,受限于当时体制、技术、管理等方面的水平,使当时的建筑工业化水平不高、综合效益不明显,劳动生产率和建筑生产效益并未得到大 幅度的提高。20世纪90年代以后,国家取消福利分房政策,住宅建设从供给驱动转向需求驱动,从而对住宅的品质与质量提出了更高层次的要求。在总结和借鉴国内外经验的基础上,我国重新提出 了“建筑工业化”,并指明了发展住宅产业和推进住宅产业化的总体思路,1995年建设部印发了《建筑工业化发展纲要》,次年建设部住宅产业化促进中心成立,出台了《住宅产业现代化试点工作大纲》、《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》,并批准建立了多个国家级的住宅产业化试点城市、生产型基地以及以房地产开发商为龙头的企业联盟。目前,住宅产业作为国民经济的支柱产业地位已经确立,住宅建筑工业化必将是今后住宅产业的发展方向,我国建筑工业化已经进入持续、健康发展的新时期。

我国香港、台湾地区装配式建筑应用比较普遍,香港屋宇署制定了完善的预制建筑设计和施工规范,高层住宅多采用叠合楼板、预制楼梯和预制外墙等方式建造,厂房类建筑一般采用装配式框架结构或钢结构建造。台湾地区建筑体系与日本较为接近, 装配式结构的节点连接构造和抗震、隔震技术的研究和应用都很成熟,装配框架梁柱、预制外墙挂板等构件应用较广泛,预制建筑专业化施工管理水平较高,装配式建筑质量好、工期短的优势得到了充分体现。

3预制装配式建筑的设计流程

预制装配式建筑对住房传统的建设模式和生产方式产生了深刻的变革,影响预制装配式建筑实施的因素有技术水平、生产工艺、管理水平、生产能力、运输条件、建设周期等方面。在预制装配式建筑的建设流程中,需要建设、设计、生产和施工等单位精心配合,协同工作。与采用现浇结构建筑的建设流程相比,预制装配式建筑的设计工作呈现五个方面的特征:

(1)流程精细化:预制装配式建筑的建设流程更全面、更综合、更精细,在传统的设计流程的基础上,増加了前期技术策划和预制构件加工图设计两个设计阶段。

(2)设计模数化:模数化是建筑工业化的基础,通过建筑模数的控制可以实现建筑、构件、部品之间的统一,从模数化协调到模块化组合,进而使预制装配式建筑迈向标准化设计。

(3)配合一体化:在预制装配式建筑设计阶段,应与各专业和构配件厂家充分配合,做到主体结构、预制构件、设备管线、 装修部品和施工组织的一体化协作,优化设计成果。

(4)成本精准化:预制装配式建筑的设计成果直接作为构配件生产加工的依据,并且在同样的装配率条件下,预制构件的不同拆分方案也会给投资带来较大的变化,因此设计的合理性直接影响项目的成本。

(5)技术信息化:BIM是利用数字技术表达建筑项目几何、物理和功能信息以支持项目全生命期决策、管理、建设、运营的技术和方法。建筑设计可采用BIM技术,提高预制构件设计完成度与精确度。

在预制装配式建筑设计过程中,可将设计工作环节细分为以下五个阶段:技术策划阶段、方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段以及构件加工图设计阶段。装配式建筑详细设计流程可参考图3,每个阶段的设计要点分述如下。

装配式建筑设计要点解析

技术策划阶段:前期技术策划对预制装配式建筑的实施起到十分重要的作用,设计单位应在充分了解项目定位、建设规模、产业化目标、成本限额、外部条件等影响因素的情况下,制定合理的技术路线,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。

初步设计阶段:应联合各专业的技术要点进行协同设计,结合规范确定建筑底部现浇加强区的层数,优化预制构件种类,充分考虑设备专业管线预留预埋,进行专项的经济性评估,分析影响成本的因素,制定合理的技术措施。

施工图设计阶段:按照初步设计阶段制定的技术措施进行设计。各专业根据预制构件、内装部品、设备设施等生产企业提供的设计参数,在施工图中充分考虑各专业预留预埋要求。建筑专业应考虑连接节点处的防水、防 火、隔声等设计。

构件加工图设计阶段:构件加工图纸可由设计单位与预制构件加工厂配合设计完成,建筑专业可根据需要提供预制构件的尺寸控制图。除对预制构件中的门窗洞口、机电管线精确定位外, 还要考虑生产运输和现场安装时的吊钩、临时固定设施安装孔的预留预埋。

4规划设计要点解析

预制装配式建筑的规划设计在满足采光、通风、间距、退线等规划要求情况下,宜优先采用由套型模块组合的住宅单元进行规划设计。以安全、经济、合理为原则,考虑施工组织流程,保证各施工工序的有效衔接,提高效率。由于预制构件需要在施工过程中运至塔吊所覆盖的区域内进行吊装,因此在总平面设计中应充分考虑运输通道的设置,合理布置预制构件临时堆场的位置与面积,选择适宜的塔吊位置和吨位,塔吊位置的最终确定应根据现场施工方案进行调整,以达到精确控制构件运输环节,提高场地使用效率,确保施工组织便捷及安全。

装配式建筑设计要点解析

5平面设计要点解析

预制装配式建筑平面设计应遵循模数协调原则,优化套型模块的尺寸和种类,实现住宅预制构件和内装部品的标准化、系列化和通用化,完善住宅产业化配套应用技术,提升工程质量,降低建造成本。以住宅建筑为例,在方案设计阶段应对住宅空间按照不同的使用功能进行合理划分, 结合设计规范、项目定位及产业化目标等要求确定套型模块及其组合形式。平面设计可以通过研究符合装配式结构特性的模数系列,形成一定标准化的功能模块,再结合实际的定位要求等形成合适工业化建造的套型模块,由套型模块再组合形成最终的单元模块。标准功能模块和套型多样化组合详见图 5、图 6。

装配式建筑设计要点解析

装配式建筑设计要点解析

建筑平面宜选用大空间的平面布局方式,合理布置承重墙及管井位置,实现住宅空间的灵活性、可变性。套内各功能空间分区明确、布局合理。通过合理的结构选型,减少套内承重墙体的出现,使用工业化生产且易于拆改的内隔墙划分套内功能空间。如图7所示,一个套型可根据家庭使用功能的需要灵活改变。

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6立面设计要点解析

预制装配式建筑的立面设计应利用标准化、模块化、系列化的套型组合特点,预制外墙板可采用不同饰面材料展现不同肌理与色彩的变化,通过不同外墙构件的灵活组合,实现富有工业化建筑特征的立面效果。预制装配式建筑外墙构件主要包括装配式混凝土外墙板、门窗、阳台、空调板和外墙装饰构件等。可以充分发挥装配式混凝土剪力墙结构住宅外墙构件的装饰作用,进行立面多样化设计。

装配式建筑设计要点解析

立面装饰材料应符合设计要求,预制外墙板宜采用工厂预涂刷涂料、装饰材料反打、肌理混凝土等装饰一体化的生产工艺。当采用反打一次成型的外墙板时,其装饰材料的规格尺寸、材质类别、连接构造等应进行工艺试验验证,以确保质量。

外墙门窗在满足通风采光的基础上,通过调节门窗尺寸、虚实比例以及窗框分隔形式等设计手法形成一定的灵活性;通过改变阳台、空调板的位置和形状,可使立面具有较大的可变性;通过装饰构件的自由变化可实现多样化立面设计效果,满足建筑立面风格差异化的要求。

7预制构件设计要点解析

预制装配式建筑的预制构件的设计应遵循标准化、模数化原则。应尽量减少构件类型,提高构件标准化程度,降低工程造价。对于开洞多、异形、降板等复杂部位可考虑现浇的方式。注意预制构件重量及尺寸,综合考虑项目所在地区构件加工生产能力及运输、吊装等条件。同时预制构件具有较高的耐久性、耐火性。预制构件设计应充分考虑生产的便利性、可行性以及成品保护的安全性。当构件尺寸较大时,应增加构件脱模及吊装用的预埋吊点的数量,预制外墙板应根据不同地区的保温隔热要求选择适宜的构造,同时考虑空调留洞及散热器安装预埋件等安装要求。

装配式建筑设计要点解析

对于非承重的内墙宜选用自重轻、易于安装和拆卸、且隔声性能良好的隔墙板等。可根据使用功能灵活分隔室内空间,非承重内墙板与主体结构的连接应安全可靠,满足抗震及使用要求。用于厨房及卫生间等潮湿空间的墙体应具有防水、易清洁的性能。内隔墙板与设备管线、卫生洁具、空调设备及其他构配件的安装连接应牢固可靠。

预制装配式建筑的楼盖宜采用叠合楼板,结构转换层、平面复杂或开间较大的楼层、作为上部结构嵌固部位的地下室楼层宜采用现浇楼盖。楼板与楼板、楼板与墙体间的接缝应保证结构整体性。叠合楼板应考虑设备管线、吊顶、灯具安装点位的预留预埋,满足设备专业要求。

空调室外机搁板宜与预制阳台组合设置。阳台应确定栏杆留洞、预埋线盒、立管留洞、地漏等的准确位置。预制楼梯应确定扶手栏杆的留洞及预埋,楼梯踏面的防滑构造应在工厂预制时一次成型,且采取成品保护措施。

8构造节点设计要点解析

预制构件连接节点的构造设计是装配式混凝土剪力墙结构住宅的设计关键预制外墙板的接缝、门窗洞口等防水薄弱部位的构造节点与材料选用应满足建筑的物理性能、力学性能、耐久性能及装饰性能的要求。各类接缝应根据工程实际情况和所在气候区等,合理进行节点设计,满足防水及节能要求。预制外墙板垂直缝宜采用材料防水和构造防水相结合的做法,可采用槽口缝或平口缝:预制外墙板水平缝采用构造防水时宜采用企口缝或高低缝。接缝宽度应考虑热胀冷缩及风荷载、地震作用等外界环境的影响。

装配式建筑设计要点解析

外墙板连接节点的密封胶应具有与混凝土的相容性以及规定的抗剪切和伸缩变形能力,尚应具有防霉、防水、防火、耐候性等材料性能。对于预制外墙板上的门窗安装应确保其连接的安全性、可靠性及密闭性。

装配式混凝土剪力墙结构住宅的外围护结构热工计算应符合国家建筑节能设计标准的相关要求,当采用预制夹心外墙板时,其保温层宜连续,保温层厚度应满足项目所在地区建筑围护结构节能设计要求。保温材料宜采用轻质高效的保温材料,安装时保温材料含水率应符合现行国家相关标准的规定。

9专业协同设计要点解析

9.1结构专业协同

预制装配式建筑体型、平面布置及构造应符合抗震设计的原则和要求。为满足工业化建造的要求,预制构件设计应遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合的原则,选择适宜的预制构件尺寸和重量,方便加工运输,提高工程质量,控制建设成本。

建筑承重墙、柱等竖向构件宜上下连续,门窗洞口宜上下对齐,成列布置,不宜采用转角窗。门窗洞口的平面位置和尺寸应满足结构受力及预制构件设计要求。

9.2给排水专业协同

预制装配式建筑应考虑公共空间竖向管井位置、尺寸及共用的可能性,将其设于易于检修的部位。竖向管线的设置宜相对集中,水平管线的排布应减少交叉。穿预制构件的管线应预留或预埋套管,穿预制楼板的管道应预留洞,穿预制梁的管道应预留或预埋套管。管井及吊顶内的设备管线安装应牢固可靠,应设置方便更换、维修的检修 门(孔)等措施。

住宅套内宜优先采用同层排水,同层排水的房间应有可靠的防水构造措施。采用整体卫浴、 整体厨房时,应与厂家配合土建 预留净尺寸及设备管道接口的位置及要求。太阳能热水系统集热器、储水罐等的安装应与建筑一体化设计,结构主体做好预留预埋。

9.3暖通专业协同

供暖系统的主立管及分户控制阀门等部件应设置在公共空间竖向管井内,户内供暖管线宜设置为独立环路。采用低温热水地面辐射供暖系统时,分、集水器宜配合建筑地面垫层的做法设置在便于维修管理的部位。采用散热器供暖系统时,合理布置散热器位置、采暖管线的走向。采用分体式空调机时,满足卧室、起居室预留空调设施的安装位置和预留预埋条件。当采用集中新风系统时,应确定设备及风道的位置和走向。住宅厨房及卫生间应确定排气道的位置及尺寸。

9.4电气电讯专业协同

确定分户配电箱位置,分户墙两侧暗装电气设备不应连通设置。预制构件设计应考虑内装要求,确定插座、灯具位置以及网络接口、电话接口、有线电视接口等位置。确定线路设置位置与垫层、墙体以及分段连接的配置, 在预制墙体内、叠合板内暗敷设时,应采用线管保护。在预制墙体上设置的电气开关、插座、接线盒、连接管线等均应进行预留预埋。在预制外墙板、内墙板的门窗过梁及锚固区内不应埋设设备管线。

10装配式内装修设计要点解析

预制装配式建筑的装配式内装修设计应遵循建筑、装修、部品一体化的设计原则,部品体系应满足国家相应标准要求,达到安全、经济、节能、环保等各项标准的要求,部品体系应实现集成化的成套供应。

部品和构件宜通过优化参数、公差配合和接口技术等措施, 提高部品和构件互换性和通用性。装配式内装设计应综合考虑不同材料、设备、设施的不同使用年限,装修部品应具有可变性和适应性,便于施工安装、使用维护和维修改造。

装配式内装的材料、设备在与预制构件连接时宜采用SI住宅体系的支撑体与填充体分离技术进行设计,当条件不具备时宜采用预留预埋的安装方式,不应剔凿预制构件及其现浇节点,影响主体结构的安全性。

结语

高速发展了三十年的中国建筑业,己经逐渐从房地产过度开发的热潮中冷却下来,开始反思建筑与生活、城市、环境甚至未来的关系,借鉴先进技术,沉淀本土经验,深入研究产业化的建造方式。作为设计企业,面对汹涌澎湃的建筑工业化浪潮,应该快速拓展全产业链的视野,树立产业化思维模式,组建专业化设计团队提升创新性研发能力,积淀工业化设计经验,整 上下游技术资源,迎接建筑产业化所带来的挑战,进而推动我国建筑行业在建筑产业化领域健康快速地发展。


0 6
  • 加倍努力 2楼
    很好的装配式建筑设计要点,学习了。
    2017-6-6 08:29
  • 凯乐啊 3楼
    最近老师一直说装配式建筑,觉得很有前景,期待硕士阶段进一步的学习。
    2017-6-9 12:40
  • 米果777 4楼
    厉害,学习了!!!!
    2017-6-9 14:11
  • pete123 5楼
    谢谢楼主分享,多多学习!!!
    2017-6-11 23:14
  • 六六儿妈 6楼
    谢谢楼主分享,多多学习!!!
    2017-6-16 10:29
  • 葡萄成熟时joe6 7楼
    非常感谢分享
    2017-10-15 10:24

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