目前,虽然政府在大力推广装配式建筑,但根据市场反馈情况,装配式建筑建设成本普遍高于传统现浇建筑的建设成本,导致其推广进程受阻。已经有学者对比研究现浇式建筑与装配式建筑的成本经济指标,指出PC构件的成本较高是导致装配式建筑成本高的主要原因。而目前针对直接降低装配式建筑的成本研究不多,更多是从宏观角度研究成本降低措施,所得结论在实际应用方面存在一定局限性。因此将预制率与装配式成本结合起来,更贴合目前政府对装配式建筑预制率的要求,更具可操作性与应用性。

本文通过对比结构形式相同的装配式建筑与现浇式建筑间的成本增量,分析主体结构承重构件中不同预制构件比例组合情况对成本的影响,研究装配式框架结构主体PC构件的最优组合方式,为设计过程中选择合理的组合方案及比例提供参考

预制率是评价装配式建筑的重要指标之一,它是指工业化建筑室外地坪以上主体结构和围护结构中预制部分的混凝土用量占对应构件混凝土总用量的体积比。各个地区针对装配式建筑的单体预制率分别提出不同要求,如上海市对外环以外的装配式建筑的要求是25%以上,对外环以内装配式建筑的要求在40%以上。为了更好地研究预制率与预制构件成本之间的关系,选取常见的几种预制率要求,讨论预制率在15%,20%,25%～30%,30%～40%情况下最优预制构件组合。单体预制率计算方法依据上海市住房和城乡建设管理委员会《关于本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》中建筑单体率的计算方法进行计算,详见公式(1)和表1。

式中:R代表单体预制率;a_i代表构件权重系数;b_i代表修正系数;i_i代表预制构件比例;

p₁代表预制柱构件数,单位根;m₁代表全部柱构件数,单位根;

p₂代表预制梁构件长度,单位m;m₂代表预制梁构件长度,单位m;

p₃代表预制楼板面积,单位m²;m₃代表全部楼板面积,单位m²;

p₄代表预制墙体长度,单位m;m₄代表全部墙体长度,单位m。

本文选取上海市浦东新区装配式住宅试点工程为研究样本,该工程建筑面积为793.52m²,主体结构2层。以现浇式建筑(I)和装配式建筑(II,III)三大类为研究对象,进行成本对比研究,分类情况见表2。

I类模型采用现浇式钢筋混凝土框架结构设计方案,II,III类模型采用预制装配式钢筋混凝土框架结构设计方案,平面布置图见图1。

预制构件选择方法如下:预制叠合楼板根据规范《15G366-1桁架钢筋混凝土叠合板(60mm厚底板)》选定,采用DBD67-3624-31、DBD67-3618-31、DBD67-3615-31三块板拼接而成,其中留有300mm后浇缝,底板厚60mm,现浇层70mm厚;水平框架梁及次梁的叠合梁梁高分为400mm和500mm两类,后浇梁高均为200mm;竖向构件采用预制混凝土框架免模柱时,预制框架柱钢筋采用套筒连接。

根据所选取的工程模型,统计工程量,通过广联达软件分别计算4种情况工程造价。表3及表4分别给出了I,II类方案中全现浇结构的1#模型、预制构件为预制叠合楼板的2#模型、预制构件为叠合梁的3#模型、预制构件为免模柱的4#模型,四种情况下的单体预制率R和增量成本值P_i(i=1,2,3),其中增量成本P_i(元/m²)为装配式建筑成本与现浇式建筑成本的差值。

这里通过引入预制率性价比,以更好地衡量预制构件对建筑单体预制率的影响。预制率性价比是指预制率与单位体积构件造价增量的比值,计算公式如式(2):

其意义为预制构件每增加1元成本所能提高的预制率,预制率性价比越高,说明该构件对预制率的提高越经济。以上各模型预制率性价比统计如表5。

由表3～表5可知,采用预制叠合楼板的2#模型工日缩减效果最为明显,此方案单体预制率R=10.52%,ΔP₁=189.97元/m²,增量成本值最大,为现浇结构的1.25倍。3#模型的单体预制率R=15.40%,ΔP₂=96.73元/m²,单方造价是现浇结构的1.13倍。4#模型的单体预制率R=5%,ΔP₃=152.74元/m²,为现浇模型的1.21倍。三者的预制率性价比为分别为0.055、0.159、0.033。

分析其原因,由于叠合梁通过预制生产,规格标准较为统一,使现场吊装精准度得以提升,带来的工期效益约为12元/m²,因此成本降低效果较为明显。而预制楼板因板体积较大,运输费用增高。同时传统塔吊等机械无法满足叠合板的组装,大型机械的个性化需求使机械费用有所增加。在组装过程中,楼板接缝的处理费用会更大,因此成本增加幅度也较大。

综上所述,当装配式建筑要求采用单种预制构件时,应当优先采用预制梁形式,其预制率性价比最高,成本每平方米增加96.73元,较现浇建筑造价增加幅度最低;其次应采用预制叠合板形式,虽然成本为三者最高,但其预制率性价比高于预制柱;最后是采用柱构件的预制形式,虽然成本每平米增加152.74元,但是其对预制率的提高低于梁与板。

本部分将III类模型细化为A、B、C、D四种组合形式,见表6。为了找出多种预制构件的合理组合方案,引入λ值,见公式(3)。通过改变λ数值反推出在固定预制单体率R时不同组合对应的预制构件比例i,计算得到增量成本变化(见图1～9)及各预制率下的最优组合方案。

多构件组合形式下的预制率计算公式:

由图2可知,A组合下的装配式建筑成本最低,随着λ_A值的增大,∆P_A先增加后减小再增加。当预制叠合楼板与叠合梁的预制构件比例值λ_A=0.24时,成本增量为64.23元/m²,成本约为2250-2400元/m³,达到此装配率下的最优经济配比方案。

B组合方案的增量成本∆P_B随着λ_B的增大呈下降趋势,由186.42元/m²下降至155.59元/m²;C组合方案的增量成本∆P_C随着λ_C增大先微微下降后快速上升。当λ<1.25时,∆P_C<∆P_B,两者比较较优的组合比例为λ在0.25-0.5区间,∆P_Cmin=115.83元/m²。但是此时,∆P_C仍比∆P_A高出近0.7倍。

综上所述,在单体预制率为15%时,最经济的组合方式是当叠合楼板和叠合梁的预制构件比例值λ_A=0.24时,成本增值最小为64.23元/m²。

由图3可知,∆P_A<∆P_B,∆P_C,∆P_A曲线随着λ_A的增大先下降后上升。λ_A=0.25时∆P_Amin=84.19元/m²,单方成本在2350～2550元/m³。B组合方案的增量成本曲线随着λ_B的增大呈下降趋势,∆P_B由227.13元/m²逐渐下降至200元/m²左右,斜率趋于0。C组合方案时,只有当λ_C=1时才满足条件。

综上所述,当单体预制率R=20%时,最经济的组合方式是叠合楼板和叠合梁的预制构件比值λ_A=0.25时,成本增量最小,∆P_min=84.19元/m²。而λ_A=1时,优先采用A组合形式,其次是C组合形式。

由图4～图6可知:随着单体预制率的增加成本增量不断增大。∆P_A在λ_A取任意比值时均最小,即采取叠合楼板与叠合梁的组合形式最合理,其中R=25%,λ_A=0.5;R=28%,λ_A=0.5;R=30%,λ_A=1时单方成本最优。特别的,当λ_A>5时,∆P_A斜率为负值,成本增量有出现下降趋势。∆P_B曲线始终随着λ_B的增大呈下降趋势。当单体预制率R>30%时,B组合方案无效。当单体预制率超过25%范围后,C组合无法达到更高的预制率。

双构件预制组合此刻无法达到大于30%的单体预制率,因此需要考虑三个主体构件采用预制形式的情况。研究方法为先固定其中两种预制构件的预制率,通过控制λ值,计算出最优成本下已选构件的预制构件比例,再通过变化新增预制构件的预制比例i来满足整体预制率要求,得到新增预制构件在不同预制率下的增量成本变化图。

由图7～图9可知:(1)单体预制率越大,成本增量∆P越大即成本越高。当新增构件为叠合梁或预制叠合板时,∆P随着新增预制构件比例i的增大呈下降趋势;当新增构件为预制柱时,∆P随着新增预制构件比例i的增大而呈上升趋势;(2)三种单体预制率增量成本的最低点均出现在新增构件为叠合梁i(梁)=0.93时(见表7),增量成本∆P分别为192元/m²,238.79元/m²和280.15元/m²;(3)成本偏低的组合方案出现在新增构件为叠合板时,成本增值分别为206.05元/m²,246.93元/m²和286.87元/m²。

由上述分析可知,通过控制各种预制构件不同组合比例,可以有效的降低装配式建筑的土建成本。以往为了满足建筑的预制率要求,在设计时都是随机搭配预制构件,并没有对由此带来的建筑成本增加进行控制。通过对上文指定预制率下的构件组合进行分析,得到了在不同预制率情况下,装配式框架结构的预制构件最优组合方案,其组合形式如表8。

分析表8中在不同预制率下的最优组合,可以发现在预制率低于25%时,双构件组合可以满足预制率的要求,并且最优组合均为叠合楼板和叠合梁。当预制率为常见的25%时,最优组合为叠合楼板的预制比例∶叠合梁的预制比例=0.5∶1。即叠合板占全部楼板构件的比例为0.5,梁构件全部采用预制形式,对应土建成本增量最低为131.22元/m²。

当预制率为最为常见的40%时,对装配式建筑预制构件选取的最优组合为预制柱比例∶叠合梁比例∶叠合板比例=0.19∶0.93∶0.92,即叠合柱占全部柱构件的比例为0.19,叠合梁占全部梁构件的比例为0.93,叠合板占全部楼板构件的比例为0.92。采用该构件组合,可以使装配式建筑在40%的预制率下土建成本增量最低,为280.15元/m²。

通过增量成本的分析发现当采用多个预制构件的组合方案时,考虑到接头连接,施工工序等影响,装配式建筑的成本并非仅由单个构件造价决定,而是随着组合方案及预制构件比例的变化呈规律性变化。

(1)在一定范围内,建筑单体预制率越大,装配式建筑的成本越高。主体构件中,采用叠合梁方案时增量成本P最小为96.73元/m²,其预制率性价比最优,是叠合板的2.89倍,预制柱的4.82倍。因此,选择单个构件预制形式时,应优先采用叠合梁。

(2)研究表明,当预制率分别为15%、20%、25%、28%、30%时,使装配式建筑的增量成本最少的组合均为预制叠合楼板与叠合梁。对应预制率下的两种预制构件比例不同,预制叠合楼板:叠合梁的比例分别为0.24、0.25、0.5、0.5和1。在设计时采用该比例下的预制构件组合可以使装配式建筑的增量成本最低。

(3)当建筑采用三种预制构件时,应先确定叠合梁与预制柱最优比例,再与预制梁进行组合,以取得造价最优结果。当单体预制率为最常见的40%时,最优选择方案为预制柱比例∶叠合梁比例∶叠合板比例=0.19∶0.93∶0.92,对应单方成本为938.87元/m²,成本增量为280.15元/m²。