以横琴医院为例探析装配式医院建筑设计

结合横琴医院实例，就装配式医院建筑设计进行分析与探索。根据珠海当地政策要求，要采用装配式技术，并且要在施工图审查之前通过当地的专项审查。设计中主动采用了参数化模块和装配化的理念，以及全过程的 BIM 辅助设计。一、项目简介项目位于珠海横琴新区中部地区，北邻彩虹路，南邻横琴大道，西邻伯牙南道。项目总用地面积约为 60000

结合横琴医院实例，就装配式医院建筑设计进行分析与探索。根据珠海当地政策要求，要采用装配式技术，并且要在施工图审查之前通过当地的专项审查。设计中主动采用了参数化模块和装配化的理念，以及全过程的 BIM 辅助设计。

一、项目简介

项目位于珠海横琴新区中部地区，北邻彩虹路，南邻横琴大道，西邻伯牙南道。项目总用地面积约为 60000 m² ，其中医院部分用地面积为 50000m²，医院配套用房部分用地面积为 10000m²，按三甲综合医院标准建设，规划总床位 500 张，日门急诊量为 2700 人次。项目总建筑面积为 191594.85m²，其中地上建筑面积为 121597.42m²，地下建筑面积为69997.43m²，总计容建筑面积为118541.81m。

医院裙房共 5 层，建筑高度为 23.8m ，北侧为医技用房，东侧为门诊，南侧为体检中心与科研楼。北楼主要功能为病房，共 17 层（含裙房层数），建筑高度为 70.9m （屋顶构架高度为 72.75m ）；南楼主要功能为科研用房，共 9 层（含裙房），建筑高度为 39.7m （屋顶女儿墙高度为 41.80m ）。共设置两层地下室，地下室预留出口，未来与专科医院连接。

配套用房部分共 3 栋建筑， 1# 宿舍地上 7 层，建筑高度为 23.8m ；2#、 3# 宿舍地上 12 层，建筑高度为 38.8m。地下一层为汽车库和设备用房，地下二层为汽车库和人防区域。

二、装配式设计方案

政策要求

根据《珠海市住房和城乡规划建设局关于印发珠海市装配式建筑单体预制率装配率计算细则（试行）的通知》（珠规建质 [2017]134 号）要求，居住建筑应全装修成品交房，单体建筑预制率不低于20% 且装配率不低于 40% ；公共建筑包括酒店、学校、办公建筑、医疗卫生建筑、研发用房等，单体建筑预制率不低于 10% 且单体装配率不低于 50%。

装配方案

由于整个项目分为综合医院和配套宿舍两部分，且分别对应不同“两率”计算，因此，分别针对两部分采取了不同的策略。
1. 综合医院部分
由于医院在后期的功能变动较多，因此，可不考虑任何墙梁板柱等混凝土主体受力构件的装配化。除了从方案阶段开始就已经考虑预制的一体化外墙之外，依次考虑部分内隔墙、整体卫浴、一体化装修，如最后仍无法满足要求，则考虑部分楼梯采用装配式。最后的计算结果比较理想，仅外墙即可满足当地规范条文中关于“两率”的要求。

2. 配套宿舍部分
宿舍外周圈的装饰与功能一体的预制飘带也是通过模块化思维和参数化手段设计出来的，不过因为材料原因无法计入。因此，为了满足“两率”要求，宿舍还要在局部外挂墙板、轻质内隔墙、叠合楼板、预制阳台、预制楼梯、整体卫浴、一体化装修等子项上采取装配技术。

除了采取以上措施外，项目按二星绿色建筑考虑，并在设计全过程采用 BIM 技术，作为建筑单体装配率计算时的附加工业化技术加分项。

三、外立面设计

横琴医院的外立面设计可以说是项目中最复杂也是最具先进理念的部分。中南大学湘雅五医院也采用了类似的方法，但横琴医院由于体型的原因，这部分设计工作更加复杂。

设计思路与方法

我们团队与美方团队（Payette 公司）的思路一直围绕着数据分析、模块化与预制化。
在整体体量分析、推敲成型后，大致的分析与设计步骤如下：
第一，基于 Grasshopper 的 Ladybug 等工具对体量进行日照分析。
第二，根据分析结果来分区确定大致模块数量。

第三，生成各类外立面形式，根据美观度、调整的便捷性、可深化程度等，选择几种待深化的形式。
第四，通过进一步详细分析对比，确定水平遮阳与竖向遮阳构件的大致尺寸与组合形式。先对原始立面标准单元在无任何遮阳的情况下进行计算，得出能耗数据，再逐步增加水平遮阳与竖向遮阳构件的尺寸，并进行一定的组合，综合考虑后得出标准单元适宜的遮阳构件。
可以看出，对应能耗分析云图中位数的标准病房，当同时将水平与竖向遮阳构件取值 900mm 时，能耗水平相比于基础立面降低了 41%。由于珠海地区基本常年阳光充足、气温较高，这无疑可以省下很大一笔空调费用。
由此引起的建设成本的变化与节省的能耗成本的比例，项目暂时没有数据，希望以后能有更深入的研究。
第五，将第三步选择的几种待深化立面形式按分析好的尺寸进行生成，然后进行视线分析，并考虑整体效果及模块化预制等因素，选择最适宜的方案。

至此，方案阶段的立面设计过程基本完成。最后选择的立面形成的整体一共存在 12 种不同宽度的竖向遮阳构件，并且按类别区分使用了一组渐变色，可以从立面很明显地看出建筑随光线律动。在初步设计阶段，根据甲方建议，实际选择的颜色更浅。

基于预制模块化的深化

方案阶段的模型分为水平遮阳、竖向遮阳、墙体、玻璃窗等几大块，虽然竖向遮阳的尺寸和颜色仅 12 种，但实际上由于立面与平面都存在弧线，且没有考虑分缝结构的问题，组合后的模块类别非常多，模型整理和优化的难度非常大。
1. 确定标准模块构造
首先，确定主体材料为玻璃纤维增强水泥（GRC），构件之间的缝隙为 20mm 宽，通过多处锚栓固定在梁板上。为了保证立面上的效果，在开启窗的下方固定一块磨砂玻璃。与图 4 不同，考虑到生产、运输与吊装的便捷，外墙模块没有采取方案初期的 4.2m 双扇窗形式，而且采用了 2.1m 的宽度。

竖向遮阳部分为了减少自重与造价，做了部分中空，采用更轻质的材料进行填充，其它部位设置了构造钢筋。模块划分的主要依据仍然是竖向遮阳部分，宽度为 100mm~1200mm，控制为 12 种。
2. 统计和优化
外墙模块的几大构成部分分别在工厂开模生产，再组装、运输、吊装。统计的时候既要考虑到整体模块的分类，又要考虑到构成部分的分类，比如同一个尺寸的竖向遮阳，有可能组合到不同的水平遮阳构件，又或者竖向遮阳构件在立面上被局部切割。
既要考虑参数化模型持续深化的便捷性，又要考虑数据统计的科学性，加上分缝、弧形等引起的大量尺寸要归并，给初设和施工图阶段的模型工作带来了很大难题。优化的过程实际上已经使设计达到了深化设计的深度，这让后续的落地性得到充足的保障。
3. 深化及“两率”计算
由于每个模块都不是规则形状，计算“两率”时要注明标准层每个模块的表面积、体积、空腔、每层对应数量及位置等信息。如果采用传统方法，工作量非常大；而借助参数化手段，以较快地输出模块的平面位置及统计出相应数据。

经过计算，北塔楼标准层的预制率为 21.91%，装配率为 58.07% ；南塔楼标准层的预制率为21.40%，装配率为 54.90%。预制率和装配率均符
合珠海市的要求。
4. 有限元受力分析
珠海台风频繁，且采用一体化 GRC 外墙的项目较少，因此，须要对装配式外墙模块进行详细的各种工况的受力分析，考虑生产、运输、吊装、正常使用、台风等多种情境，确保安全可靠。
5. 实体样板生产
在设计过程中，团队出于对未来工程质量负责的态度，委托工厂生产了 1:5 的实体模型，并验证设计的美观性与构造的技术可行性。

医院裙楼与宿舍外飘带

医院裙楼与宿舍的水平飘带采用米白色玻璃纤维加强水泥板材料，采用参数化设计和预制方法，以求达到快速和高品质。但由于所处位置、构造及材料等几方面原因，均没有计入“两率”计算。飘带剖面为三角形、中空，仅在表面有很薄一层 GRC 材料。它不仅是立面造型的重要组成部分，也是绿化景观设计的一部分。

四、其他装配式设计内容

其他装配式设计内容主要集中于宿舍部分，目的是满足当地“两率”要求，包括叠合楼板、预制楼梯、预制阳台及预制条板。这一部分的预制方法及施工方法相对来说比较常规，在此不再赘述。

五、结束语

当前很多地方积极出台政策强制要求部分建筑采用装配式设计。不过一些项目仍然停留在为了装配而装配的阶段，并没有起到为项目提质增效的作用，反而使得成本有较大幅度的提升，这种现象须引起我们的反思。

结合横琴医院设计的经验，总结如下：

第一，综合医院使用功能复杂，后期布局不可控因素多，对于结构主体受力构件（包括墙梁板柱等），均不建议采用预制。
第二，可积极参考风环境、日照等模拟分析的结果，进行外立面的模块化设计，采用预制一体化外墙，来满足政策中关于“两率”的要求。
第三，如果外墙无法满足要求，可以增加预制内隔墙、预制楼梯等子项来提高预制率、装配率。
第四，积极采用整体卫浴、一体化装修、 BIM设计等方法，不仅是为了计分需求，更是为了医院整体质量与完成度。
第五，从方案创作角度，推进新方法和新材料，切实为项目品质着想，避免为了拼凑“两率”而牺牲设计理念的情况出现。

来源于本刊2021年4期