张博为
张博为
中国中元国际工程有限公司
装配式建筑技术研究中心总工
2015 年中国建筑学会科技进步奖获奖者
2018 年华夏建设科学技术奖获得者
致力于新型建筑工业化与智能建造领域的开发与实践
第四章
工业化建造模式的设计环节比较研究
工业化建造模式要求在设计阶段就考虑到后续建造环节的并行管理，需要综合考虑生产、安装、运维、成本等多个因素（DFX）。从箱式模块技术体系到现浇混凝土技术体系，设计的并行性和集成度会随着技术的变化而从高到低发生改变。
（一）钢结构箱式模块化技术
课题中的两个研究项目均采用了标准化设计方法，其中设计内容包括多层酒店项目的客房、交通核心和卫生间模块，以及多层教学楼项目的教室、楼梯、卫生间、电梯和配电室模块。
（1）结构系统设计
在多层酒店项目中，走道和客房采用了集成模块叠箱结构。预制钢构件包括：箱型钢柱、H 型钢梁、钢筋桁架楼承板、钢楼梯和客房及走廊采用的集成模块箱体，共计5 种。该酒店的首层至屋架层核心筒部分截面形式均为 H型钢，截面类型共计 6 种。钢柱截面形式均为箱形截面，截面类型共计 2 种。钢筋桁架楼承板有 2 种类型（TD4-90、TD4-100）。标准客房部分使用的集成模块叠箱共计259 个，箱体梁柱构件均采用箱形截面，叠箱支撑则采用钢板带。
教学楼项目中使用了多种预制钢构件，包括 H 型钢梁、钢柱、钢筋桁架楼承板、钢楼梯和模块箱体，共计5 种。其中，使用了 132 个 MiC 箱体模块，这些模块共14 种，最大模块尺寸为 12100mm（长）×4500mm（宽）×4000mm（高）。箱体梁柱构件均采用了箱形截面，材 料为 Q355b。
（2）外围护系统设计
两个研究对象的外立面都采用了单元式幕墙，通过将不同单元按照一定的韵律组合、进行颜色变化和虚实对比，形成了最终的立面效果。外墙板的设计遵循单元化、模块化的设计思路，尽可能减少构件种类，利用色彩和肌理的变化，在构件规格相同的前提下组合出了丰富的立面效果。这种设计理念实现了装配式建筑独有的简洁形体和精湛工艺的工业化立面效果（如图 1）。
（图 1 多层酒店外立面设计效果）
（3）内装系统设计
室内轻质隔墙采用了轻钢龙骨内隔墙（玻镁板、水泥纤维板、石膏板），通过大量标准化模块化设计，如采用相同尺寸的方钢管柱作为框架柱，并在钢梁与结构设计时实现协同，尽量使用相同的梁高，以便为轻质隔墙的尺寸、定位、安装提供标准化条件。同时，在客房卫生间方面，统一采用整体卫浴体系，进一步提高了施工效率和装修质量（如图 2）。
（图 2 酒店客房整体卫浴平面布置图）
（4）设备系统设计
机电系统主要包括给排水、暖通空调、电气等系统。在工业化建造模式中，机电系统设计重点已从单纯满足建筑使用功能的功能性设计，转变为更注重基于 BIM 技术的机电管线集成技术。该技术将设备管线集成为标准化模块，达到工业化生产和安装的目的。本项目中，机电管线全部考虑在竖向管井内明装，或在轻钢龙骨隔墙和吊顶中敷设（如图 3、4、5），未在现浇楼板中进行预留预埋，从而实现机电管线与主体结构的完全分离。为保证舒适的净高，利用 BIM 技术提前进行机电综合模拟，在钢梁上预留好穿机电管线的孔洞，并尽可能与模块化体系配合做到预留洞口的标准化。
（图 3 竖向管井管线布置图 图 4 走道剖面图）
（图 5 走道管线分离布置图）
（二）装配式钢结构技术
（1）结构系统设计
在第二种体系的试设计中，两个项目均采用钢框架结构体系，其中预制钢构件种类包括箱型钢柱、H 型钢梁以及钢筋桁架楼承板，共计 3 种。多层酒店采用 9 种不同截面类型的 H 型钢作为钢梁，3 种不同截面类型的箱形钢柱作为支撑，以及 2 种不同类型（TD3-90、TD4-90）的钢筋桁架楼承板。教学楼则采用方钢、H 型钢梁和钢楼梯作为预制钢构件，共计 3 种，并使用 6 种不同的截面类型。此外，预制钢筋桁架楼承板楼板也有 2 种类型（TD3-90、TD4-90）。这些构件均可通过工业化生产和安装实现快速、高效地建造。
（图 6 装配式钢结构围护体系构造）
（2）内装系统设计
两个项目内墙采用的是规格为 600mmx3000mm 的 ALC隔墙，这种隔墙在室内内装系统中采用了装配式装修和整体卫浴体系。
（3）设备系统设计
在机电设备的设计上，装配式钢结构体系采用的是与钢结构箱式模块化体系相同的管线集成技术。
（三）装配式混凝土技术
（1）结构系统设计
在装配式混凝土建造体系的设计中，两个项目的结构系统采用柱梁现浇、叠合楼板和预制楼梯。多层国际酒店项目中，现浇部分的柱截面为600mmx600mm，梁截面为300mmx600mm，预制部分的楼梯构件有 2 种，楼板构件有6种；多层教学楼项目中，现浇部分的柱截面600mmx960mm，梁截面为350mmx700mm，预制部分的楼梯构件有2种，楼板构件有9 种。在两个项目中，内墙采用统一规格的600mmx3000mm ALC 隔墙，室内内装系统采用装配式装修和整体卫浴体系。
（2）外围护系统设计
酒店外立面采用了7种不同规格的外挂板构件，体积为 1.5m3，重量为3.63t。教学楼外立面则采用了22种不同规格的外挂板构件，体积为3.07m3，重量为7.7t。构件节点采用标准化设计，上端采用封闭箍与梁连接，下端采用永久脚码进行限位。
（3）内装系统设计
酒店项目中，除了首层无障碍卫生间采用传统工艺外，所有客房卫生间均采用整体卫浴，客房区域使用次用架空地面，墙体采用龙骨系统。这种系统可以实现内隔墙与管线装饰一体化。而教学楼项目中，教室区域地面使用自流平地胶，墙体采用龙骨系统或混凝土条板。龙骨系统可以实现内隔墙与管线装饰一体化。
（4）设备系统设计
作为同样是装配式建造方式的装配式混凝土结构（PC）体系也采用了管线集成式机电技术。
（四）现浇混凝土技术
最后，在运用现浇混凝土体系的试设计中，两个项目均采用标准化设计，结构系统为现浇混凝土框架结构，外围护则采用砌块方式加上外墙装饰。此外，内装采用装配式装修方式，与设备系统和钢结构箱式模块化相同。
工业化建造模式的生产环节比较
与传统的现场施工模式相比，工厂化生产模式的显著特点是建筑构件化。在设计阶段，需要考虑每个部位的建筑构件类型、尺寸和数量，以便在工厂大量生产并将构件运输到现场进行组装。本章主要关注工业化建造模式的生产环节，以酒店项目为主要研究对象进行研究。
（一）钢结构箱式模块化技术
（1）模块数量统计
酒店项目的单体建筑采用了 259 个钢结构模块化箱体，而整个项目共需要 1637 个箱体。
（2）产能要求与生产工艺
钢结构模块化工厂需要完成生产单元、堆场、备件及成品仓、办公控制区等功能，以 20 万 m2 场地为例，每天可生产 60t 的钢结构模块（不含装修）。酒店项目采用259 个钢结构模块化箱体，每个箱体重 8t。因此，20 万 m2场地的工厂每天可生产 7.5 个模块。为了满足酒店项目需要 1637 个箱体的需求，理论上需要 11 个 20 万 m2 场地的钢结构模块化工厂。实际项目选用了 9 个钢结构模块化工厂和 5 个装修工厂。最终，箱体的设计产能高峰为每天 120 个模块，实际发货高峰为每天 85 个模块。每个钢结构模块可分解为底架、顶架、前后端和左右侧墙等六个二维模块。这些模块分别在各自工位进行独立焊接，然后转运至总装台进行整体拼装。生产完成后，钢结构箱体被转运至 5 个装修工厂进行内部装修及外侧幕墙安装（如图 7）。
（图 7 箱体模块结构生产示意）
（3）运输要求
模块化建造的成功与否，部分取决于模块的交通运输。目前，道路运输和海上运输是主要的模块运输方式。道路运输考虑到车辆类型、环境条件和道路适用性等因素。模块单元的大小必须考虑到经济性和可行性，运距不宜超过 150km。在酒店项目中，最短距离为 50km，最长距离为150km。每个钢结构模块重量约为 8t，装修后的成品箱体（包括幕墙）约为 20t。箱体运输包括结构制造厂与装修厂、角件盒制造厂与结构制造厂之间的半成品运输，以及装修厂至临时堆场、临时堆场至项目现场的箱体成品运输。完成模块内外装修后，模块将被运输至施工现场进行吊装（如图 8）。
（图 8 箱体模块结构运输与安装示意）
（二）装配式钢结构技术
（1）钢结构构件数量统计
在酒店项目中，单体结构主要由钢柱、钢梁和钢筋桁架楼承板构成。为此，共使用了 370 根预制钢柱和 5268 根预制钢梁。
（2）产能要求与生产工艺
项目中，单体结构部件的钢结构制造总量为1761t，考虑到需要批量化建设 6 栋酒店，因此整个项目的钢结构总用量约为 10566t。这些钢材将从周边的材料市场进行采购和供应（如图 9）。
（图 9 钢结构构件加工与涂装工艺）
（3）运输要求
为确保装配式钢结构构件在运输过程中不受损坏，运输车辆需要采取可靠的固定措施，例如使用钢丝带和加紧固定器加以绑扎。每辆车的运输重量不应超过 30 吨。
（三）装配式混凝土技术
（1）PC 预制混凝土构件数量统计
酒店项目单体建筑采用了大量的预制混凝土构件，其中包括292 块 PC 外墙挂板、609 块叠合楼板和 28 个预制楼梯。单体建筑总预制混凝土用量约为 980m3。
（2）产能要求与生产工艺
考虑到项目为批量化建设（6 栋），整体项目预制混凝土总用量约为 5880m3。为保证供应量满足建设进度需求，预制构件厂需保证年最大产能≥ 6 万 m3，并优先向本项目供应，供应量占拟选预制构件厂年产量的比率不超过 10%。预制外墙构件的生产工艺包括模板组装、钢筋绑扎、预埋件安装、混凝土浇筑和脱模养护。每个班组约由 4~6 人组成，一天可完成约 16m3 的预制构件。
（3）运输要求
在采用装配式混凝土技术的构件供应基地和项目之间的运输过程中，需要考虑运输距离不宜超过 150km，并确保运输效率大于 60%。此外，为了保证运输安全，单车运输重量不应超过 30t。
（四）现浇混凝土技术
在现浇混凝土建筑现场，给排水管材、电气管材和钢筋是主 要的周转性材料。这些材料的加工制作在现场完成，无需外加工生产。商品砼是外加工材料，其他机电安装设备和材料都可以采购成品，不需要定向外加工生产。
工业化建造模式的施工环节比较
建造模式的不同会影响到现场吊装顺序、设备型号、施工工艺以及堆场等方面的要求，本章展示了酒店项目在四种不同技术体系下的模拟建造情况。
（一）钢结构箱式模块化技术
（1）吊装顺序分析
针对多层酒店项目的不同建造模式，平面吊装施工流程需要按照南北朝向的箱体从中间向两边安装，并且南北向箱体只有在安装完成一层后才能开始安装东西向的箱体。第六、第七层的南北向箱体必须同时安装完成，才能进行第六、第七层东西走向箱体的安装。在立面吊装施工流程中，核心筒安装完成后，箱体才能进行吊装施工。箱体的吊装原则是一层一层进行，即下层吊装完成 后再进行上层吊装，如果箱体供应出现堆压情况，则可进行两层阶梯式的吊装（如图 10）。
（图 10 酒店项目模块吊装顺序）
（2）施工工艺分析
钢结构箱式模块化标准层的施工工艺主要包括以下几个步骤：钢框架结构的施工、MM 板的安装、模块的吊装、高强螺栓的固定以及各模块管线与主体管线的衔接（如图 11）。
（图 11 施工工艺流程图）
（3）堆场要求
为了保证制作厂箱体的持续供应，考虑到现场场地狭小，项目拟定在场外设置两个场外堆场，用于箱体的临时堆放（如图 12）。
（图 12 场外堆场）
（4）吊装设备参数
模块化建筑的安装是整个建造过程中的关键环节。为了成功进行吊装，现场需要相应吊装能力的起重设备，以及足够的空间来接收和存放模块。对于钢结构箱式模块化建筑，由于每个模块的自重超过了 8t，因此需要采用能够承受这样重量的吊装设备，例如 150t、200t、260t 吨履带吊，或者 220t、300t 汽车吊等。
（二）装配式钢结构技术
（1）吊装顺序分析
装配式钢结构技术项目的标准层施工期间，需要分为两个阶段进行构件的吊装（如图 13）：第一阶段吊装钢柱和钢梁，第二阶段吊装梁和楼板。
（图 13 吊装示意图）
（2）施工工艺分析
装配式钢结构建筑的施工顺序包括以下几个步骤：首先进行施工放线，然后在基础混凝土中预埋螺栓。接下来，进行主体钢结构的吊装，并进行安装固定。随后，进行支撑次结构的吊装安装，接着进行楼梯和电梯的安装。然后，进行维护墙体和窗体的安装，接下来进行楼板的安装，最后进行内隔墙体的安装。
（3）堆场要求
为了减少二次搬运，结构用料堆放区应该设在单体建筑周边，并在进行卸料加工的同时进行布置。钢构件存放场地也应该在建筑物周边。材料堆放区应该设在汽车吊装范围内，并根据钢构件的吊重和回转半径选择适合的汽车吊型号，以确保满足正常的吊装要求。
（4）吊装设备参数
为确保施工顺利进行，塔吊应布置在钢筋加工车间、木工加工车间、周转材料堆场、钢结构构件堆场等主要场地；此外，塔吊的最大起重量应符合施工要求；预制构件包括钢柱、钢梁、楼承板，其最大重量不超过 4.6t。综合考虑以上因素，建议使用平臂式 C7052 型号的塔吊进行地上装配式建筑施工，该型号的塔吊半径为 70m，吊重为 5.2t，能够满足施工吊装的要求。
（三）装配式混凝土技术
（1）吊装顺序分析
在装配式混凝土技术的项目标准层施工期间，构件吊装应按照两个时段进行，第一时段吊装预制外挂板，第二时段吊装叠合楼板。所有构件的吊装顺序应按照顺时针方向进行（如图 14）。
（图 14 预制外挂板吊装顺序示意）
（2）施工工艺分析
对于多层酒店与教学楼项目来说，施工工艺包括以下几个环节：基础面找平、测量放线、预制外挂板吊装（包括临时脚码安装和斜撑支撑）、安装墙柱钢筋（墙柱水电施工）、预埋线管线盒、设置定位筋、安装墙柱铝模、对拉螺杆紧固、安装调整斜撑、防漏浆措施、检验校正、安装梁铝模、叠合楼板支撑安装、叠合楼板吊装、安装梁板钢筋（梁板水电安装）、收尾加固检查、混凝土浇筑以及临时脚码拆除。这些环节按照先后顺序进行。
（3）堆场要求
装配式混凝土技术的项目需要在场地内集中或分散设置 1~2 个临时堆场，以满足一个标准层构件的堆放。构件堆放场地应平整、坚实，且具备排水措施。根据不同预制构件的受力情况，施工现场需要制定不同的堆放方式。例如，预制叠合板和预制楼梯采用叠放方式，且层间应垫平、垫实。对于构件吊点部位，需要放置垫块。预制墙板则应插放于墙板专用堆放架上。构件存放应按照吊装顺序及流水段配套堆放，必须对构件进行分类分区存放，严禁与施工材料一同堆放。预制构件存放处应设在单体塔吊有效吊重覆盖范围内。
（4）吊装设备参数
由于混凝土装配式技术体系的预制构件最大重量为7.7t，因此需要使用两台塔吊（型号 8040）和两台汽车吊进行配合吊装。在施工过程中，需要确保这两台塔吊的工作效率，以满足吊装的要求，同时也要考虑到塔吊的安装和拆除所需的空间，以满足塔吊的安拆要求。
（四）现浇混凝土技术
（1）建筑主要施工顺序
现浇混凝土建筑施工的主要顺序为：先进行基础工程，然后进行主体结构施工、结构预埋、二次结构施工、设备管线安装、外墙装饰、室内墙、顶、地面装饰、综合调试等工作，最终进行验收。
（2）混凝土浇筑工艺流程
现浇混凝土建筑的浇筑工艺流程包括以下步骤：首先进行作业准备，接着进行放线定样，然后进行模板制作和钢筋绑扎，并进行检查验收。随后，进行商品混凝土运输到现场，对混凝土质量进行检查（例如试块），并将混凝土泵送至浇筑部位。接下来，进行柱、梁、板、墙、楼梯混凝土的浇筑振捣，最后进行养护。
总结
通过两个项目，采用四种建造方式的设计、生产与建造环节对比，我们得出结论：
在设计层面， 装配式技术相比现浇技术增加了技术策划以及深化设计环节。钢结构箱式模块化设计深度最高，装配式钢结构次之，装配式混凝土再次之，现浇混凝土技术设计深度最低。
工厂化程度方面， 钢结构箱式模块化建筑以“主体 + 装修”的批量生产和整个模块运输为主要特征，工厂化程度最高。 装配式混凝土与装配式钢结构建筑以构件群的批量化生产和运输为主要特征，工厂化程度次之。 现浇混凝土建筑以商品混凝土、钢筋和装饰装修材料的采购和运输为主要特征，工厂化程度最低。
在产能要求方面， 钢结构箱式模块化建筑对供应链的组织协调能力要求最高，生产方需要具备120 个 / 天的 产能。 装配式混凝土建筑对供应链也有一定要求，构件厂需要满足月供应 10000m3 的产能。 而装配式钢结构构件以及现浇混凝土建筑的产能要求相对较低，普通市场即可以满足，没有特殊要求。
在运输要求方面， 钢结构箱式模块化建筑以模块为单位进行运输，但其三维最大尺寸一般限制在 17000mm（长）x4500mm（宽）x4200mm（高），因此运输效率最低。 装配式混凝土建筑以构件为单位进行运输，运输效率在 60% 左右。 而装配式钢结构以及现浇混凝土建筑的运输效率分别可以达到70%。
在现场安装效率方面， 钢结构箱式模块化建筑的安装关键点是模块的吊装以及模块与模块接口的连接； 装配式钢结构建筑的安装关键点是钢构件吊装以及构件间的铆接焊接连接； 装配式混凝土建筑的 PC 安装关键点是预制构件的吊装以及构件与现浇的干 / 湿式连接； 现浇混凝土建筑的施工关键点是模板 + 现场浇筑。 在堆场与塔吊要求方面，钢结构箱式模块需要设置转运堆场集中存放。
