装配式建筑一体化根据其特点,适宜采用全过程运行模式,在产业链各环节充分考虑上下游需求,集成设计。设计工作在产业链上可发挥核心作用:前期参与总体策划,设计过程中兼顾上下游需求,后期施工阶段参与现场实施控制,实现设计产品的预设性能要求。现行《建筑工程设计文件编制深度规定》 ^[1]中明确提出装配式建筑各阶段工作的具体要求。本文聚焦装配式混凝土剪力墙结构住宅建筑前期方案阶段的结构技术策划,结合工程实例阐述结构技术策划的目标、过程及内容。

　　 在国家对装配式建筑的强力推动下,各级政府机关制定了一系列的相关政策,对各类建筑提出了不同的装配要求及评价指标要求。通常在投标竞拍土地所有权、取得土地使用权或取得规划意见书的同时,即已明确相关政府的最低技术标准或相应的最低投报标准要求。

　　 在了解项目执行的相关政策要求的前提下,设计单位应了解建设方对项目的定位及预期目标、协助建设单位梳理并理清利益诉求、寻找项目核心问题、确定项目策划的切入点,对整体建造全过程进行策划。对技术选型、经济性和可建造性进行可行性评估及分析 ^[2],最终达成一致认可的经济效益、环境效益、社会效益综合最优的整体目标。例如某工程项目为自有土地,建造过程资金大部分来源于贷款,财务成本占比较高,建设方最强烈的诉求为资金尽快回笼,相应最核心的解决方案是采用各种措施,使建造工期最短。在明确切入点后,可联合产业链上各方提前参与,从建筑规划、平面、结构布置、构件标准化、构件生产产能分析、施工安装流水作业、工序安排等各方面综合考量,制定最优方案。

　　 在项目策划的基础上进行技术策划,对建筑规划形态、建筑方案可行性、结构选型分析、围护装修系统选型、机电系统选型、集成技术配置等专项工作进行系统分析,确定项目装配目标。技术策划阶段需考虑的影响因素、策划内容及技术实施方案关系可参考《装配式建筑系列标准应用实施指南(装配式混凝土结构建筑)》 ^[3]中提出的技术策划设计要点框图,装配式结构各工作阶段的责任划分和内容可参见《建筑结构专业技术措施》 ^[4]。图1中简单表达了各级策划架构关系。本文重点聚焦于结构专业的技术策划,在专业内部技术策划的过程中需全面考虑各环节需求,同时为规划建筑方案的整体合理性提供技术支持,为机电装修及构件生产安装提供相应技术条件,为经济策划提供专业评价条件,综合形成完整合理的整体技术策划成果。

　　 结构设计师在规划设计阶段应提前介入,协同规划设计师、建筑设计师根据项目所处位置、周边情况、规划形态、定位、用地条件、交通条件、绿化要求、消防要求、日照条件、风环境及建筑功能需求共同探讨项目可能采用的建造方式,选取适宜的方向,明确预定目标。总平面规划设计过程中尚应充分考虑现场施工的需求,例如:施工车辆通行、构件运输通道、堆放场地等。

　　 某公租房项目,由于场地被市政道路划分为几个独立小地块,规划形态为高层住宅,设置地下停车库供住户使用,其中某个地块平面布置详见图2。经规划设计师、建筑设计师、结构设计师共同协商,总平面布置将塔楼设置在车库周边,北侧塔楼与车库分离,通过连接通道相连,既保证主楼住户对车库的使用便利性,又保证绿化要求,同时使主楼地下室也更经济。总平面设计充分考虑施工过程中塔吊覆盖范围、构件堆放场地及塔吊、施工电梯设置位置,同时预留施工车辆通行道路空间,将施工车辆通行道路、构件运输道路及未来小区消防通道结合,道路铺装采用装配方式。总体布局合理,效率提高,且取得良好的经济效益和环保效益。

　　 建筑业长期以来粗放发展,标准化设计思维缺失。建筑方案过度放大个性化,一味通过非标产品实现建筑多样性,忽略了建筑功能模块和产品标准化之间的关联; 行业划分过细,在实施过程中非标产品过多,只能依赖低廉的劳动力粗放式解决; 产品生产安装效率低下,成本较高,质量不稳定。目前很多建筑设计人员正致力于探索利用模数协调原则,践行少规格、多组合的设计理念。通过构件及各功能模块组合实现多样化的建筑平面,通过外墙色彩、材料、辅助线角的变化,实现立面的丰富性; 同时将建筑的构配件的标准化、功能模块的标准化、系统的标准化、节点做法的标准化在装配式建筑中融合起来,实现建筑功能空间尺寸、构件生产尺寸、模具尺寸、运输条件、存放支架、吊装机具、现场工序等多方面的标准化,做到设计、生产、安装一体化,提高效率、降低成本、保证产品质量,发挥模数协调及标准化的实际作用。

　　 《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[5]对建筑平面、竖向规则性均提出了相应要求。工程实践证明,建筑的规则性有利于建筑物的安全和抗震性能。特别不规则的建筑物应力状态复杂,会造成构件类型增加、连接复杂、生产安装难度较大,不适用于装配式建筑。因此适当控制建筑平面规则性与建筑高宽比,能够使结构构件处于合理应力状态,便于构件采用适宜和多样的连接方式,节约材料,提高整体建筑的安全性和经济性。

　　 目前装配式混凝土剪力墙结构体系层出不穷,但其结构设计理念基本相同,基本可分为装配剪力墙及叠合剪力墙两大类。可根据项目实际形态、所处区域产业化水平、产业链上各环节能力水平等综合确定。

　　 对于剪力墙结构住宅,结构方案布置首先需要重视的是建筑功能需求。建筑的第一要素是使用功能,使用功能需求分为两个层次:第一层次是现有建筑方案设计使用要求; 第二个层次是未来建筑使用功能变更的可能性。建筑为百年大计,使用周期是一个相当长的时间周期,期间使用方的人员架构及使用需求可能发生改变。合理地布置结构构件,既保证结构安全,又能为后期发展预留灵活空间。大开间的设计也有利于构件的标准化和组合灵活性,可以减少构件类型、提高生产施工效率。其次是需要关注结构构件布置及连接方式的合理性。根据平面特点,将结构布置在最有效的部位,既能节约材料,又能更好地保证建筑物的安全性。

　　 装配式住宅的结构设计与一般现浇剪力墙住宅结构设计有所不同,不能完全套用现浇剪力墙住宅的思路简单地拆分构件。需要在设计阶段按照标准化模数化思路,在保证结构安全性的前提下,兼顾机电系统、装修、构件生产、施工一体化的需求进行总体考虑。总之,在整体设计过程中要总体把控,建筑结构设计合理、机电装修安装便利,方能做到构件设计合理,避免本末倒置,阻碍行业发展。

　　 按竖向构件装配部位大致可分为以下两种方式:地上全高装配及竖向构件非加强区装配。

　　 地上全高装配:以多层及小高层建筑为宜,适用于平面和竖向较为规则的建筑,建议建筑高度小于50m; 可实现全面无外架施工、现场湿作业少、施工措施简单、工序少、工期短、质量有较高保障,同时建筑外立面易于协调。尤其在低烈度地区,通过合理调整混凝土强度,可使底部竖向构件处于较低的应力状态,底部加强区构件构造简单、配筋合理,构件的生产和安装方便。

　　 竖向构件非加强区装配:适用于高层建筑。尤其在高烈度地区,底部结构塑性铰区应力较大,构造及配筋均较复杂,标准化程度较低,适合采用现浇方式。非加强区构件应力较小,构件配筋及连接节点简单、施工便捷,同时便于实现构件的标准化。采用这种装配方式在建筑立面上应考虑底部现浇和上部装配两种建造方式的差异,并进行相应处理。

　　 结构主体装配构件可分为水平构件、竖向构件、装饰构件、设备基础类构件; 钢筋按标准加工工法可分焊接封闭箍及焊接钢筋网片形式。各类构件的特点详见表1。实际工程实践中,可根据实际情况进行选用。

　　 某公租房抗震设防烈度8度,项目共有16栋主楼,包含两种楼型:A楼型地上28层,建筑高度78.4m,高宽比5.2; B楼型地上14层,建筑高度39.2m,高宽比2.9。建筑方案平面图详见图3。A楼型为60m²户型。B楼型为60,35m²户型,其中东西两侧为60m²户型,中部南侧为35m²户型。平面采用大开间剪力墙方案,户内无结构墙体,便于户内使用空间灵活改造; B楼型中35m²户型较小,考虑后期改造可能性,户型间的分户墙采用预制内隔墙板,后期可根据改造需要灵活变更,形成70m²户型或110m²户型。

　　 结构方案平面图见图4。结构平面、竖向布置规则,楼电梯集中在北侧,形成较好的剪力墙筒体作为抗侧力构件。加强楼电梯间相邻板块的厚度及配筋,楼板连续性良好,能较好地传递水平力,同时也契合电气敷设管路需要。根据不同高度,进行相应高宽比控制。整体应力状态较低,建筑物两端构件应力状态略高。结构布置尽量拉通纵墙,两端山墙构件通过墙板设计,结合建筑窗户设置,形成天然带缝连梁,可有效加强整体抗扭转刚度,保证建筑物具有较高的安全性。

　　 本项目A楼型建筑高度大于60m,B楼型建筑高度小于45m。两种楼型主体结构装配方案详见表2。

　　 鉴于本项目各环节可能合作的企业技术力量较强、项目所处地理位置运输条件较好,综合研判决定选用大尺寸构件。大部分为标准构件,采用流水线生产; 少量采用异形构件,采用固定台模生产; 既保证建筑使用要求,又降低现场施工难度。根据项目总平面具体情况,南北两侧均有可能设置塔吊,对最远端构件重量适当控制,远端吊重控制在5t,最大构件质量约6t,塔吊选取较为经济。综合以上因素,构件序列选取见表3。

　　 本项目主开间尺寸为5.4m,构件及部品模数多采用3M,构件标准化程度较高; 厨卫均采用标准化厨卫,部品标准化程度较高。两种楼型的多个构件具有通用性,构件统计详见表4。

　　 综上所述,通过合理协调建筑结构布置,可使整体建筑能很好地符合使用需求,同时保证结构较高的安全性。通过标准化模数化设计,使构件部品标准化程度提高、通用性增强,构件生产安装效率得到极大提高。

　　 装配式建筑要求技术集成化、工厂集成程度越高,产品质量越有保障; 现场安装环节越简单,效率和经济性越能得到更好的体现。集成技术是未来预制构件发展的方向。装配式建筑设计中宜尽量采用建筑、结构、设备管线及装修的集成装配方式。例如:集成外围护体系、集成隔墙、吊顶和楼地面、集成厨卫、集成管井等。以3.2.4节公租房项目为例,外墙采用了保温、隔热、装饰一体化的集成复合外墙板; 装修采用全装修,内隔墙采用非砌筑的龙骨类隔墙板,与管线实现一体化; 同时采用干式地暖、集成厨卫及管线分离等技术,实现较高的部品系统集成化。

　　 按模板设置方式区分,构件的生产方式可分为平模生产与立模生产。平模生产方式适用性广、工艺简单,但占用空间较大,比较适宜标准构件流水线生产; 复合外墙板若采用饰面反打工艺,也适用于平模生产,异形外墙板可采用固定台模生产。立模则适用于标准化程度较高的构件,占用空间较小,例如内墙、楼梯等构件。从生产线而言,构件的生产方式可分为固定台座、定型模具和流水线生产方式,其中固定台座和定型模具可适用于特异性较高的构件,而流水线生产适用于标准化程度较高的平面构件,自动化程度较高,效率相应提高。每个工程可根据构件具体情况、构件生产工艺及产能排布情况分别进行选择。

　　 以上构件生产方式和采用的集成部品将会对结构构件设计产生相应影响,需要提前进行评判,并采取相应措施。例如:集成卫生间采用同层排水,可能对楼板体系会产生相应影响,也会对相关范围的墙板构件产生一定影响,需要结合建筑层高、地面做法等综合进行评判。

　　 (1)构件在设计过程中应提前结合本区域内构件生产厂家的生产能力、模台尺寸、构件运输车辆尺寸、运输路线对车辆是否有相关限定要求等各方面因素,综合考虑后确定相关尺寸限值。

　　 (2)施工过程中对构件重量限定的问题,一直以来是多方均较为关注的问题,尤其是吊装过程更为关注。众所周知,重量小的构件便于运输及吊装,但加工及吊装效率低下; 重量大的构件需要吊装能力较高的设备及更精准的安装工艺,但构件加工及安装效率更高。因此根据项目特点及场地特点合理确定构件吊装重量十分重要。不宜简单以塔吊的最远端吊装能力笼统限制最大构件重量,应根据建筑项目所在地吊装设备确定可能的常用塔吊型号,同时根据总平面图判定塔吊可能的布置方案,综合判定构件重量限值。重视吊臂远端的构件重量及构件划分,对位于塔吊近端的构件可适当放宽重量限值,以便于构件设计能实现综合较高的现场安装效率。对于高层建筑中的预制构件,在现场施工条件许可、经济指标适宜的情况下,宜优先选用较大尺寸规格的构件序列。实际工程中,应重点关注山墙、单元分隔墙、楼梯间外墙等处,这些区域由于平面尺寸原因,构件可能尺寸较大,也可能位于塔吊远端,需要重点关注。

　　 图5为3.2.4节公租房项目A楼型塔吊布置图,塔吊吊臂长47m,远端吊重5t,但近端吊重可达10t,塔吊设置在南侧,重量最大的构件位于南侧,并非为塔吊最远端,有利于塔吊型号选取,降低设备费用,减少吊次,提高效率,得到较好的经济效益。

　　 (3)根据项目总平面布置情况,可以大致评判施工塔吊及施工外用升降电梯布置情况。以3.2.4节公租房项目的A楼型为例,建议塔吊设置在南侧。由于南侧外纵墙上有较多通往阳台的门洞,便于塔吊附着点的设置。北侧楼电梯公区附近结合建筑立面,宜留置落地窗。在此区域可设置相应平台,一方面适应住宅防疫功能要求,另一方面便于设置施工外用升降电梯,方便材料运输; 同时便于各功能区域独立开展后续室内管线安装及室内建筑装修,减少互相干扰和交叉施工,利于工序安排、缩短工期。施工设备与主体结构的连接宜尽量不破坏建筑外墙外页及保温,以保证建筑外墙保温连续性以及保温和外饰面的耐久性和连接安全。

　　 (4)工程总承包方式能真正体现装配式建筑的优点,为目前阶段优选的建造方式。设计方应在整体EPC模式中发挥引领作用。关键岗位作业人员应专业化,通过技术人员培训,控制过程管理,保证关键工序质量,避免压力传递导致质量下滑。通过专业化培训形成产品质量控制各阶段的流程化、标准化,以管理确保质量。

　　 装配式建筑的评价体系目前较多,基本分为国家标准和地方标准两类。评价项目基本包括主体结构、建筑围护装修、机电系统、智能化及工程管理等方面,具体内容可参见相关国家标准及各地方标准或政策要求。例如:《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[6]、关于加快发展装配式建筑的实施意见 ^[7]、北京市发展装配式建筑2018～2019年工作要点 ^[8]、合肥市装配式建筑装配率计算方法(试行) ^[9]、上海市住房和城乡建设管理委员会发布的“关于进一步明确装配式建筑实施范围和相关工作要求的通知” ^[10]等。

　　 以3.2.4节公租房项目为例,项目建设时政策层面无明确装配指标要求,但建设方希望尝试可能的合理构件部品装配方案,并结合当时即将颁布的《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[6]进行试测评,为后期相关国家标准及地方相关政策制定提供相应数据分析支持。由于前期项目策划及技术策划阶段产业链多环节提前共同参与,分别召开设计实施方案评审会及施工安装方案评审会。在前期策划阶段综合考虑多项因素,真正实现了建设方预期的高评价标准的要求。按照《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[6]评价标准,评价如下:主体结构竖向构件装配率为83%～94%,水平构件装配率为83%～88%。

　　 本项目采用多种集成系统,装配效率较高,装配率评分见表5。

　　 实施效果评价:1)该项目建筑布局合理,预留未来使用功能和建筑格局调整的可能性; 结构布置合理,主体结构安全可靠; 施工措施费用较小,整体经济指标合理。2)建筑结构与设备电气配合良好,管线集成度较高; 建筑、结构、设备、电气、内装各专业构件部品系统完整。3)构件标准化程度较高,构件生产安排顺畅。现场施工预案全面,建筑结构布置较好地满足施工需求; 场地布置合理,实现较好的流水施工,标准层工期缩短至4～5d/层; 整体无落地外架,节约了外装修时间,内装提前流水作业,整体工期大为缩短。4)施工过程节约大量模板,施工现场内外环境整洁有序; 构件表观质量优良,产品取得较好的验收效果。5)3.2.4节公租房项目已于2019年竣工,最终成果很好地满足建设方对3.2.4节公租房项目的装配要求,装配评价体系的评价良好,取得较好的示范效应。

　　 (1)装配式混凝土建筑是将结构系统、建筑围护系统、设备电气系统、内装系统进行集成,通过标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化使用共同实现建筑功能完整、性能优良。

　　 (2)项目策划阶段各方应进行深度沟通,产业链各环节、各专业提前介入,协同合作,制定整体项目目标,明确实施路径,做好最适宜的技术策划,指导制订装配方案,方能取得良好的装配评价等级,得到建筑质量有保障的、契合建设方需求的、各方效益综合最优的产品。

　　 (3)选择适合的技术路线不在于追求预制率多高、装配率多高,而在于整体效益最适合。总之,适宜的就是最好的。