(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

1 引言

裝配式建筑是由預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑[1]，以系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化為特點(diǎn)，并具有生產(chǎn)效率高、受天氣影響小、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)“十三五”期間大力推廣的建筑形式。迄今為止，國(guó)家出臺(tái)了一系列相關(guān)規(guī)定及措施推進(jìn)配式建筑的發(fā)展。由于裝配式建筑在設(shè)計(jì)、部件預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)安裝等環(huán)節(jié)還存在諸多技術(shù)及管理問題，尤其是裝配式建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法不統(tǒng)一，規(guī)定差別大、可實(shí)施和指導(dǎo)性不強(qiáng)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，阻礙了裝配式建筑發(fā)展[2-3]。2018年2月1日，由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心會(huì)同有關(guān)單位編制的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，明確了相關(guān)概念，制定了統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為裝配式建筑的發(fā)展指明了方向。

裝配式建筑強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)一體化[4]，設(shè)計(jì)階段在整個(gè)流程中發(fā)揮著核心和統(tǒng)籌作用。規(guī)范規(guī)定了裝配式建筑設(shè)計(jì)的流程方法及相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。目前，裝配式建筑設(shè)計(jì)的研究主要集中于模塊化設(shè)計(jì)理念、BIM技術(shù)運(yùn)用、參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)、構(gòu)建拆分與深化設(shè)計(jì)[6-12]，以及對(duì)于裝配式建筑構(gòu)件剪力墻、梁、板等單項(xiàng)預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計(jì)的研究[13-16]。以往研究雖然也涉及到裝配率的概念，但不能體現(xiàn)裝配率作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性和導(dǎo)向性作用。“裝配率”不僅是綜合反映建筑裝配化程度的指標(biāo)，也是國(guó)家依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)作為對(duì)裝配式項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)闹匾獦?biāo)準(zhǔn)。本文基于BIM技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)理論，將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合，研究以裝配率為導(dǎo)向的裝配式建筑方案設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 基于《標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)原則和預(yù)制構(gòu)件選擇

2.1 裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)《標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)涵和外延

《標(biāo)準(zhǔn)》將《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的構(gòu)件預(yù)制率和建筑部品裝配率概念進(jìn)行整合，將各地區(qū)的預(yù)制率、預(yù)制裝配率、裝配化率等概念統(tǒng)一為“裝配率”：即單體建筑室外地坪以上的主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻、裝修和設(shè)備管線等采用預(yù)制部品部件的綜合比例，并指出裝配率是對(duì)單體建筑裝配化程度的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果?！稑?biāo)準(zhǔn)》以控制性指標(biāo)明確了最低準(zhǔn)入門檻，以主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻、裝修和設(shè)備管線等指標(biāo)，確定裝配率和建筑單體的裝配化程度。

《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“建筑裝配率不低于50%、采用全裝修、主體結(jié)構(gòu)部分的評(píng)價(jià)分值不低于20分、圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻部分的評(píng)價(jià)分值不低于10分”的建筑為裝配式建筑。并且主體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中預(yù)制部品部件的應(yīng)用比例不低于35%，可進(jìn)行裝配式建筑等級(jí)三級(jí)評(píng)價(jià)(見表1)，該標(biāo)準(zhǔn)不但明確界定了裝配式建筑的內(nèi)涵和外延，也為政府制定獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制提供了彈性范圍。

表1 裝配式建筑等級(jí)評(píng)價(jià)

(2)裝配式建筑的設(shè)計(jì)程序

裝配式建筑的設(shè)計(jì)程序分為方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)3個(gè)階段，如圖1所示。

1)方案設(shè)計(jì)階段主要從戶型設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)、確定構(gòu)件拆分原則以及PC布置方案幾個(gè)方面進(jìn)行。裝配式建筑戶型設(shè)計(jì)主要采用模塊化的方式，將建筑空間根據(jù)功能分塊，通過模塊組合設(shè)計(jì)戶型[17]。構(gòu)件拆分原則見2.2節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行PC構(gòu)件布置。

2)初步設(shè)計(jì)階段對(duì)預(yù)制構(gòu)件類型和尺寸進(jìn)行合理選擇，以此提升工業(yè)化生產(chǎn)效率。

3)施工圖設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行PC構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展設(shè)計(jì)信息，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖1 裝配式建筑設(shè)計(jì)程序

(3)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)先次序

裝配式建筑按結(jié)構(gòu)類型分為框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)四種類型，預(yù)制部件主要為預(yù)制剪力墻、預(yù)制外掛墻板、預(yù)制柱、預(yù)制疊合板、預(yù)制梁、預(yù)制樓梯和陽臺(tái)、空調(diào)板等。鑒于剪力墻結(jié)構(gòu)在我國(guó)的普及性，本文以裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，通過對(duì)合肥蜀山產(chǎn)業(yè)園公租房等11項(xiàng)代表性裝配式建筑工程的統(tǒng)計(jì)分析，得出裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的外部權(quán)重和內(nèi)部權(quán)重，以及評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單項(xiàng)構(gòu)件預(yù)制率的最低要求，結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)分表，剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件率最低要求和相應(yīng)權(quán)重如表2所示。

表2 剪力墻結(jié)構(gòu)建筑PC構(gòu)件權(quán)重評(píng)分表

由表2中可知，主體結(jié)構(gòu)部分占比較大，其中梁、疊合板以及預(yù)制非承重外圍護(hù)墻對(duì)裝配率的貢獻(xiàn)程度最高，承重墻次之，其余次要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件貢獻(xiàn)率最小。根據(jù)現(xiàn)有的裝配式建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在構(gòu)件選擇時(shí)，除考慮構(gòu)件占比外，還需結(jié)合預(yù)制構(gòu)架的制作、施工工藝和安裝等特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮[18]。一般來說，預(yù)制構(gòu)件的選擇順序如圖2所示，此外，通過統(tǒng)計(jì)分析，得到不同評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件應(yīng)用比例(如表3 )，因預(yù)制構(gòu)件中梁、板對(duì)裝配率影響最大，所以裝配率的變化主要以調(diào)整梁、板應(yīng)用比例為主。

圖2 預(yù)制構(gòu)件選擇順序

表3 不同評(píng)價(jià)等級(jí)的構(gòu)件應(yīng)用比例

在等級(jí)評(píng)價(jià)過程中，若裝配評(píng)價(jià)等級(jí)要求達(dá)到A級(jí)及以上，在優(yōu)先選擇PC構(gòu)件時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足該構(gòu)件的最低要求。另外，裝修和設(shè)備管線中全裝修為必選項(xiàng)，體現(xiàn)了裝配式建筑采用全裝修的導(dǎo)向。雖然這一整體項(xiàng)占分較低，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需求看，在設(shè)計(jì)時(shí)使用主體結(jié)構(gòu)和裝修、管線全分離形式、裝修全干式工法作業(yè)、集成式裝配廚衛(wèi)等，可以提高施工的精度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)裝修的部品化和產(chǎn)品化，在一定程度上可以提高預(yù)制裝配率。

2.2 構(gòu)件拆分原則

裝配式建筑構(gòu)件拆分是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文利用Structural Precast for Revit插件對(duì)PC構(gòu)件拆分。Structural Precast for Revit 是Autodesk 2017年發(fā)布的一款插件，主要功能是根據(jù)拆分原則設(shè)定的拆分條件分割結(jié)構(gòu)樓板、基礎(chǔ)底板或者結(jié)構(gòu)墻體，進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件分塊設(shè)計(jì)。根據(jù)《預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式整體式框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ224-2010和相關(guān)文獻(xiàn)中的規(guī)定[5,19]，對(duì)構(gòu)件的拆分一般遵循“少規(guī)格、多組合”的原則，具體規(guī)定見表4。此外，設(shè)計(jì)者還需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行拆分，方便拆分、生產(chǎn)及裝配。

表4 構(gòu)件拆分原則

(續(xù))

3 基于BIM-Dynamo的參數(shù)化設(shè)計(jì)

BIM作為我國(guó)十三五期間大力推廣的技術(shù)，是推廣裝配式建筑有力的工具，可以實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的信息共享和協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、構(gòu)件制作、構(gòu)件安裝及后期運(yùn)營(yíng)的集成化管理目標(biāo)。

3.1 Dynamo平臺(tái)

Dynamo是一個(gè)運(yùn)行在Autodesk Vasari和Revit上的開源可視化編程平臺(tái)，2017及以上的Revit版本中，Dynamo已經(jīng)成為默認(rèn)安裝的插件。Dynamo的節(jié)點(diǎn)庫中包含了一系列用于選擇、創(chuàng)建、編輯、查詢Revit中圖元的節(jié)點(diǎn)。 Dynamo深度集成了大量的Revit API命令，可以實(shí)現(xiàn)圖形化算法編輯器來訪問Revit數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)深層次的數(shù)據(jù)信息挖掘。其一方面補(bǔ)充了Revit的功能，可以進(jìn)行異性復(fù)雜形體的創(chuàng)建；另一方面對(duì)于流程中機(jī)械重復(fù)的工作，通過Dynamo程序提升作業(yè)效率，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率[20]。

3.2 基于裝配率的Dynamo參數(shù)化方案優(yōu)選設(shè)計(jì)流程

根據(jù)2.2節(jié)介紹的拆分原則，預(yù)先確定及預(yù)制構(gòu)件，結(jié)合Dynamo參數(shù)化平臺(tái)，進(jìn)行裝配式建筑方案設(shè)計(jì)。基本思路是：首先確定和選中構(gòu)件圖元，利用Dynamo提取模型構(gòu)件參數(shù)信息，然后根據(jù)各評(píng)價(jià)項(xiàng)應(yīng)用比例公式對(duì)各項(xiàng)評(píng)分(評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1)，利用評(píng)分值進(jìn)行裝配率計(jì)算，最后根據(jù)裝配率進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。若裝配率未達(dá)標(biāo)，可以通過Dynamo中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案，直到裝配率和評(píng)級(jí)等級(jí)達(dá)到預(yù)期望，具體流程如圖3所示。

圖3 Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

本工程為兩層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，共計(jì)4戶，二類建筑，采用65標(biāo)準(zhǔn)化戶型模塊，建筑總面積570.16，共兩層，設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑耐火等級(jí)不低于2級(jí)，屋面防水等級(jí)為2級(jí)，耐用年限15年，抗震設(shè)計(jì)七度設(shè)防。采用裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系，目標(biāo)裝配率為78%，AA級(jí)裝配式建筑,工程全裝修。圖4為本工程的BIM三維圖。

圖4 BIM三維圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

(1)戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通過歸納整理住宅戶型設(shè)計(jì)及組合形式，本文戶型設(shè)計(jì)主要有35、50、65三種標(biāo)準(zhǔn)化戶型，圖5為基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基本戶型平面布置圖。

(2)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)執(zhí)行《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 1-2014相關(guān)規(guī)定以及上述的構(gòu)件拆分原則，其中主體部分結(jié)構(gòu)采用預(yù)制剪力墻、疊合板、預(yù)制樓梯等預(yù)制部品。

(3)預(yù)制構(gòu)件選擇順序

本項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件選擇順序?yàn)闃翘?、女兒墻、疊合板、內(nèi)墻、剪力墻。

4.3 裝配率計(jì)算及方案優(yōu)選

(1)裝配率計(jì)算

利用Structural Precast for Revit插件對(duì)Revit模型中的構(gòu)件進(jìn)行拆分，拆分界面和拆分部分結(jié)果分別如圖6和圖7所示，當(dāng)樓梯、內(nèi)墻、剪力墻、疊合板、女兒墻等構(gòu)件分別采用預(yù)制構(gòu)件的情況下，利用Dynamo通過計(jì)算規(guī)則計(jì)算預(yù)制部品部件的應(yīng)用比例，其應(yīng)用比例計(jì)算結(jié)果見表6。最后通過編寫python評(píng)分公式對(duì)相關(guān)項(xiàng)評(píng)分，得出裝配率為58.8%，程序運(yùn)行的工作空間如圖8所示。

圖6 Structural Precast for Revit拆分界面

圖7 板、墻拆分示意圖

表6 單體建筑應(yīng)用比例計(jì)算表

圖8 Dynamo程序運(yùn)行空間

(2)方案優(yōu)化

上文計(jì)算出的裝配率未達(dá)到目標(biāo)，通過可滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)Number Slider將裝配率調(diào)整為78%， Dynamo會(huì)按照構(gòu)件權(quán)重比例更改構(gòu)件應(yīng)用比例，從而根據(jù)應(yīng)用比例的變化，更改方案設(shè)計(jì)。項(xiàng)目修改裝配率后，各構(gòu)件應(yīng)用比例如表7所示。

同時(shí)，在其他預(yù)制構(gòu)件應(yīng)用比例不變的情況下，分別增加預(yù)制梁和預(yù)制柱整體裝配率亦會(huì)發(fā)生變化，只增加預(yù)制梁的情況下，預(yù)制梁的應(yīng)用比例只需7%，就可使裝配率達(dá)到78%，而只增加預(yù)制柱的情況下，預(yù)制柱的應(yīng)用比例要達(dá)到49.5%才能使裝配率達(dá)到78%。

表7 修改前后構(gòu)件的應(yīng)用比例

5 結(jié)語

以裝配率為目標(biāo)導(dǎo)向，利用Dynamo參數(shù)化插件和BIM技術(shù)對(duì)裝配式建筑方案設(shè)計(jì)，有助于整體設(shè)計(jì)方案的擬定。在總體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)手段和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先確定預(yù)制構(gòu)件和拆分設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)，是裝配式建筑方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文研究了預(yù)制構(gòu)件拆分原則和優(yōu)選順序，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝配率的自動(dòng)計(jì)算和方案優(yōu)選，為裝配式建筑方案設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。