发展装配式建筑是实现建筑业绿色低碳发展的重要手段, 是全面推进生态文明建设和加快推进新型城镇化进程的重要举措。装配式建筑的设计不仅要考虑使用需求和空间环境, 还应关注部品部件生产和装配式施工安装要求。因此, 装配式建筑应遵循标准化、模数化设计原则, 采用少规格、多组合的设计策略。提高建筑设计标准化程度能够有效减少部品部件种类和数量, 提高部品部件生产和施工效率, 对控制和优化项目成本起到重要作用。

本文以北京市保障性住房建设投资中心建设的通州台湖公租房项目为例, 研究如何提高装配式建筑设计标准化水平, 从而提升装配式建筑的经济性。

通州台湖公租房项目位于北京亦庄新城站前区, 是亦庄新城主要的居住生活组团, 主要解决产业园区等周边片区的职住平衡问题。项目分为B1、D1两个地块, 总用地面积约16hm², 建筑限高80m。B1地块总用地面积约8hm², D1地块位于B1地块东南2km处, 总用地面积约8hm²。项目总建筑面积约57.8万m², 其中地上公租房建筑面积约28万m², 共建设5058套公租房, 分为60m²和35m²两种套型 (见图1~4) 。

本项目公租房全部按装配式方式建造, 采用装配整体式剪力墙结构, 户内全部实施装配式装修。

装配式建筑标准化设计不局限于部品部件设计, 而是涵盖楼栋、套型、厨卫模块、核心筒模块、立面等方面。通州台湖公租房项目方案设计阶段在标准化建筑设计方面进行了大量尝试与探索, 有效提高了项目整体标准化程度。

通州台湖公租房项目共有34栋公租房, 经优化设计, 楼栋类型精简到2种, 分别为T6楼型和T7楼型。其中, T6楼型共24栋, T7楼型共10栋。在2种楼型基础上, 公租房层数分布在14~28层, 通过楼栋层数变化, 形成丰富的城市天际线, 活跃了小区整体形象 (见图5~8) 。

本项目要求设计60m²和35m²两种套型, 考虑到套型配比与楼型组合方式的因素, 最终方案设计共设置4种套型, 其中A、B、C套型均为60m²套型, D套型为35m²套型 (见表1) 。T6、T7楼型均由这4种套型组合而成 (见图9) 。

60m²的A、B、C3种套型由于所处楼型的不同位置而有所区别, 但3种套型的开间、进深尺寸相同, 均为5.4m×7.2m;35m²的D套型开间、进深尺寸为3.6m×6.6m (见图10) 。

本项目4种套型均采用统一的卫生间模块, 净尺寸为1.5m×1.8m。60m²的A、B、C3种套型采用统一的燃气厨房模块A, 其净尺寸为1.5m×2.1m;35m²D套型采用电厨房模块B (见图11) 。

统一的厨卫模块提高了建筑的标准化程度, 也减少了装配式内装的部品部件种类与规格, 大大提高了设计、生产和施工效率 (见图12, 13) 。

核心筒模块综合了电梯、电梯厅、机电管井、防排烟管井等功能, 是对多种标准部件的组合设计。核心筒模块可进一步分解为固定部分与弹性部分, 其中固定部分包括楼电梯、前室和接口;弹性部分包括管井和走道。通州台湖公租房项目根据2种楼型设计了2种核心筒模块, 通过对楼电梯规格尺寸进行优化, 最终采用2种楼梯模块和2种电梯模块进行组合 (见表2) 。T6核心筒由楼梯模块B和电梯模块B组合而成, T7核心筒由楼梯模块A、电梯模块A和电梯模块B组合而成 (见图14) 。

公租房主体结构采用预制三明治外墙、预制内墙、叠合楼板、预制阳台板、预制空调板和预制楼梯6类预制混凝土构件。在构件拆分设计时, 通过减少构件种类、提高单一构件的复用次数, 极大提高了构件标准化程度 (见图15) 。以B1地块18栋公租房为例, 构件总数17404块, 通过优化, 将构件种类减少到40种, 大大提高了模板复用次数, 其中重复使用最小的达135次, 最大可达1860次 (见表3) 。

一说起标准化, 许多人就会担心建筑形象千篇一律。实际上, 立面的标准化设计并不意味着失去立面形象的变化与美感, 而是产生了一种新型装配式建筑美学的设计方法。通州台湖公租房项目采用“少规格、多组合”的设计思路, 合理控制外立面装饰构件的种类和规格, 将有限的构件进行多种排列组合, 形成外立面丰富的韵律与变化。

以B1地块公租房为例, 南立面设计采用在结构主体外侧挂设装饰构件的手法, 将阳台和装饰构件统一。为提升标准化程度, 外挂装饰构件种类最终精简至3种, 通过3种构件的组合和排列形成了立面的错动与变化。

东西立面考虑到实墙面较大, 为避免单调乏味, 通过在外页板上刻出竖向分缝的方法进行处理。竖向分缝间距以900mm为模数, 分缝图式分为两种, 每两层图式错动变化, 形成立面韵律感 (见图16~19) 。

装配式混凝土建筑与现浇建筑在生产和建造方式上存在较大差异, 成本构成有较大不同, 存在200~400元/m²的增量成本。提高装配式建筑设计的标准化程度对降低增量成本发挥重要作用。

预制部品部件主要有预制混凝土结构构件和内装部件两大类。

1) 对预制混凝土构件而言, 模具的重复利用率直接影响构件成本。如果构件种类过多、模具重复利用率较低, 模具成本对构件的成本影响就会非常大。以预制外墙构件为例, 单套模具投资约5万元, 重复利用50~60次, 折合每立方米预制构件投入400~600元, 成本占比15%~25%。如果此套模具仅生产10个构件, 则该预制外墙构件因摊销较高的模具费用会直接引起构件成本大幅提升。

通州台湖公租房项目标准化程度较高, 一组模具可在工厂内生产多栋公租房的预制构件, 重复次数提高至135次以上, 成本占比降到5%~10%, 效益提高2~3倍 (见图20) 。

2) 对内装部品而言, 影响成本的主要因素是出材率。一般情况下, 装饰行业板材的出材率通常不超过80%。通州台湖公租房采用装配化装修, 并通过设计提高厨房和卫生间标准化程度;同时, 在深化设计时, 对装饰面板材料规格进行优化, 提高板材利用效率, 出材率达90%以上, 生产效率提升20%, 既节省了材料, 又提高了经济效益。

根据对现有一些装配式混凝土建筑项目的不完全测算, 装配方式与传统现浇方式相比, 施工安装现场人工费可减少40%。通州台湖公租房项目因大力提高建筑标准化程度, 有效减少预制构件尺寸种类, 安装节点标准化, 极大提高了安装施工效率, 人工费进一步减少7%。

当前, 装配式混凝土建筑的预制构件材料成本占地上结构成本的65%以上, 是现阶段引起投资增加和进行成本管控的主要部分。提高预制构件的标准化程度和提高模具的复用次数, 对于降低增量成本、提高生产和安装效率、提升建筑质量具有重要意义 (见表4) 。

通州台湖公租房项目是通过提高建筑的标准化程度, 从而降低装配式建筑增量成本的成功尝试。在这个项目中, 通过楼栋、套型、厨卫模块、核心筒模块、部品部件、立面等6个方面进行标准化设计, 大大降低了设计难度, 提高了生产和施工效率, 降低了建筑增量成本。该项目施工速度达5.5层/d, 已超过许多普通现浇混凝土建筑项目的施工速度。

值得称道的是, 标准化设计并未产生所谓的“千篇一律”, 立面少量标准化构件的不同组合, 加上颜色和材质的组合, 形成的建筑形象具有鲜明的装配式建筑美学特征, 而这一点正是做装配式建筑的建筑师和工程师们孜孜以求的。