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        關(guān)于裝配式建筑設(shè)計(jì)路線的探索

        2020-04-07 02:41:54任樂民謝合舜陳帥光周裕利
        廣東土木與建筑 2020年3期
        關(guān)鍵詞:部品裝配式管線

        任樂民,謝合舜,陳帥光,周裕利,鄒 毅

        (1、廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 廣州510663;2、廣州建筑股份有限公司 廣州510030)

        0 引言

        一般意義來講,裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑。其主要特征是形成以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為中心的裝配式建筑產(chǎn)品的工業(yè)化建造體系。為此,就標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上的裝配式建筑設(shè)計(jì)路線作以探討。

        1 基本思考

        標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是保證裝配式建筑大規(guī)模、高效率建造的前提,它必須符合建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和民眾生活水平的時(shí)代要求。參照《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 51231-2016》指導(dǎo)思想,裝配式建筑設(shè)計(jì)“應(yīng)按照通用化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求,以少規(guī)格、多組合的原則,實(shí)現(xiàn)建筑及部品部件的系列化和多樣化”[1]。少規(guī)格可以保證高效的工業(yè)化生產(chǎn)和建造,多組合能夠?qū)崿F(xiàn)建筑風(fēng)格、功能和舒適度等多樣性需求。以此,作為裝配式建筑設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

        標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是模數(shù)化設(shè)計(jì),通過確定合理的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列,能夠保證建筑部品構(gòu)件及其接縫接口規(guī)格的通用性,精準(zhǔn)協(xié)調(diào)構(gòu)成建筑功能單元、結(jié)構(gòu)體系和系統(tǒng)空間之間的尺寸關(guān)系,實(shí)現(xiàn)多組合的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

        裝配式建筑設(shè)計(jì)過程中,要強(qiáng)調(diào)各相關(guān)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì),通過模數(shù)協(xié)調(diào),完成建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝修系統(tǒng)之間一體化設(shè)計(jì)成果,為建筑模塊化集成和建筑部品構(gòu)件深化設(shè)計(jì)創(chuàng)造必要條件。

        裝配式建筑建造過程也是系統(tǒng)工程,在設(shè)計(jì)前期,要充分考慮到部品構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝的可行性。綜合分析建造過程各階段關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工況的實(shí)際要求,結(jié)合EPC 項(xiàng)目管理機(jī)制,通過設(shè)計(jì)方案階段的技術(shù)策劃,使得標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果能夠滿足裝配式建筑工程建造全過程的實(shí)際需要,充分發(fā)揮其速度、質(zhì)量、成本控制和綠建水平等方面的優(yōu)勢[2]。

        裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)采用建筑信息模型(BIM)技術(shù),以利于方案分析和技術(shù)策劃,有效平衡專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì),合理進(jìn)行建筑單元和系統(tǒng)模塊的拆分和集成,實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)全過程的信息化管理。

        在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)貫徹“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和綠色”的主導(dǎo)思想,通過系統(tǒng)性的合理的技術(shù)策劃,以建筑部品構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化拆分,實(shí)現(xiàn)功能單元和系統(tǒng)模塊的精準(zhǔn)集成。

        2 設(shè)計(jì)程序

        與常規(guī)的工程設(shè)計(jì)觀念相比,裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)相對增加了符合工程項(xiàng)目全過程工業(yè)化建造的系統(tǒng)性要求,把工程項(xiàng)目建設(shè)全壽命期的綜合效益同設(shè)計(jì)思想有機(jī)地融合成一體。由此,要在建筑方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)嵌入系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思維,就方案技術(shù)選型合理性、經(jīng)濟(jì)可行性和易建造性等方面綜合分析,進(jìn)行前置性方案技術(shù)策劃;隨著設(shè)計(jì)展開,須強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化框架內(nèi)的各專業(yè)相互協(xié)同的一體化設(shè)計(jì),使建筑成為有血有肉的有機(jī)整體,并通過系統(tǒng)單元和功能模塊分解,將標(biāo)準(zhǔn)化的部品構(gòu)件及系統(tǒng)管線集成設(shè)計(jì)為通用型基本元件;最終形成深化設(shè)計(jì)文件和數(shù)據(jù)信息,為工廠化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。將這些強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)同常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)流程結(jié)合起來,就構(gòu)成了具有裝配式建筑設(shè)計(jì)特征的運(yùn)作程序(見圖1)。

        圖1 裝配式建筑設(shè)計(jì)程序Fig.1 Design Procedures of Prefabricated Building

        3 技術(shù)策劃

        建筑方案設(shè)計(jì)通常主要反映前期規(guī)劃和投資方功能定位要求,融合了裝配式建筑理念之后,同時(shí)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)性地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思維,需要綜合平衡工程建造全過程的相關(guān)要素,科學(xué)統(tǒng)籌,合理策劃。

        ⑴ 根據(jù)建筑規(guī)劃、概念和功能要求建立信息模型,結(jié)合裝配式建筑特點(diǎn),優(yōu)先采用大跨度的結(jié)構(gòu)形式,以利于建筑內(nèi)部空間靈活布置、功能整合和更新改造;平面形狀簡潔,豎向構(gòu)件定位規(guī)則有序;設(shè)備及系統(tǒng)集中平衡設(shè)置,管線與結(jié)構(gòu)分離。以此,結(jié)合《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 51129-2017》相關(guān)等極指標(biāo)[3],為展開標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。

        ⑵ 結(jié)合本地區(qū)建材業(yè)態(tài)、建筑部品和構(gòu)件的生產(chǎn)規(guī)模、整合能力、技術(shù)水平和物流環(huán)境等,綜合考慮建筑部品構(gòu)件生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)目尚行?,確定建筑模塊拆分和集成的技術(shù)方案。

        ⑶ 要結(jié)合建筑施工方法和裝備情況,包括施工計(jì)劃安排、塔吊吊裝能力、構(gòu)件堆場和現(xiàn)場環(huán)境等,調(diào)整部品構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性,滿足施工便利和易建要求。

        ⑷ 根據(jù)裝配式建筑類別,測定工程估算及概算指標(biāo),適當(dāng)確定裝配式建筑裝配率和部品構(gòu)件預(yù)制率指標(biāo)。以建筑全壽命期效益為準(zhǔn)則,綜合平衡設(shè)計(jì)方案與工程造價(jià)關(guān)系,既要避免片面追求預(yù)制裝配率的最大化,又要考慮通過提高建筑標(biāo)準(zhǔn)和耐久性,降低使用期間運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用[4]。

        ⑸ 保證建筑結(jié)構(gòu)體系安全性和耐久性的前提下,實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部功能的多樣性、拓展性與持續(xù)更新性。

        4 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

        技術(shù)策劃框架下的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在,通過模數(shù)系列協(xié)調(diào),以公差定位和通用接口,實(shí)現(xiàn)建筑部品構(gòu)件、系統(tǒng)模塊和功能單元等在不同層級上的拆分與組合,從而系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)成滿足裝配式建造的多樣化建筑產(chǎn)品。

        ⑴ 隨著設(shè)計(jì)程序的展開,方案階段側(cè)重于既有建筑形式和功能空間的標(biāo)準(zhǔn)化分析,采用建筑信息模型(BIM)技術(shù),對具有相同或相似功能和體量的建筑單元進(jìn)行分配和布置,如住宅的套型,酒店的客房和學(xué)校教室等。同時(shí),將主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)形式、交通聯(lián)系和機(jī)電系統(tǒng)等結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的建筑單元整體設(shè)置,并合理利用環(huán)境及地形條件,以靈活的建筑單元組合型式表現(xiàn)樓棟的節(jié)地型布局和多樣化的建筑風(fēng)格。

        該階段要確定建筑裝配化的范圍,量化評估指標(biāo)和完成預(yù)評價(jià)程序。

        ⑵ 初步設(shè)計(jì)階段,將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)延伸,針對建筑單元內(nèi)功能、尺度相同或相似的用房進(jìn)行通用型模塊化設(shè)計(jì),如住宅廚房和儲物間,酒店衛(wèi)生間,公共管道豎井等。同時(shí),細(xì)化模數(shù)協(xié)調(diào)工作,建立能夠傳遞功能、集結(jié)系統(tǒng)的通用性接口,使得建筑單元內(nèi)的功能性模塊可以更替擴(kuò)充,又能夠結(jié)合成有機(jī)系統(tǒng)。

        ⑶ 施工圖及深化設(shè)計(jì)階段要將建筑功能模塊構(gòu)造進(jìn)一步拆分和細(xì)化,對構(gòu)成建筑模塊的部品構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),如住宅衛(wèi)生間內(nèi)部的整體淋浴間、架空地板、復(fù)合型隔墻板、管線綜合吊架、預(yù)制疊合外墻板和疊合樓板等。其間,應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)、施工和使用運(yùn)維等實(shí)際情況,持續(xù)優(yōu)化部品構(gòu)件設(shè)計(jì)品質(zhì),提升標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的裝配集成度,降低建造成本,保證標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品的通用性、經(jīng)濟(jì)性和易建造性[5]。

        在此基礎(chǔ)上,結(jié)合建筑信息模型(BIM)技術(shù),將定型的建筑功能模塊和部品構(gòu)件信息(包括相關(guān)數(shù)據(jù)、物理信息、構(gòu)造、接口及技術(shù)說明等)錄入標(biāo)準(zhǔn)化信息庫,統(tǒng)一編碼、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則,形成通用部品構(gòu)件系列,并通過信息化協(xié)同平臺實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)信息互通與共享。

        5 設(shè)計(jì)的協(xié)同與集成

        設(shè)計(jì)過程的主線是建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)則是完善建筑功能的整體設(shè)計(jì),跟隨設(shè)計(jì)主線平行交互進(jìn)行,這種一體化設(shè)計(jì)達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)深度后,開始系統(tǒng)性集成設(shè)計(jì),最終完成建筑部品構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)。

        ⑴ 設(shè)計(jì)協(xié)同過程中,一般由建筑專業(yè)牽頭,提供標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)條件和資料給到各相關(guān)專業(yè)展開設(shè)計(jì),每個設(shè)計(jì)階段后期,再由各相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)反提設(shè)計(jì)成果和技術(shù)資料給建筑專業(yè)整合,并就存在的相互碰撞問題,進(jìn)行技術(shù)分析、磋商及論證,取得一致意見并相互確認(rèn)后,開始下一階段設(shè)計(jì),不斷深化往復(fù)。

        協(xié)同設(shè)計(jì)要實(shí)行嚴(yán)格的校審和協(xié)調(diào)制度,通過各專業(yè)之間有效的交叉與整合機(jī)制,持續(xù)優(yōu)化建筑功能和品質(zhì);同時(shí),精準(zhǔn)確定各專業(yè)和系統(tǒng)之間界面、定位和關(guān)聯(lián),為高復(fù)合度的集成設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

        ⑵ 集成設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)以建筑功能模塊或單元為基礎(chǔ)進(jìn)行深度整合,側(cè)重部品構(gòu)件的復(fù)合性設(shè)計(jì)和設(shè)備管線綜合性設(shè)計(jì),并確定部品構(gòu)件以及設(shè)備管線之間的連接方式,包括通用型接口、接縫構(gòu)造以及界面公差設(shè)計(jì),以保證連接節(jié)點(diǎn)的安全性、通用性和耐久性要求。通過更高程度的部品構(gòu)件和綜合管線的精準(zhǔn)集成,表現(xiàn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢[6]。

        ⑶ 利用建筑信息模型技術(shù)和信息管理平臺,提增標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過程的協(xié)同和集成效率,平衡和優(yōu)化各專業(yè)之間的整體設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)建筑部品構(gòu)件及功能模塊的精準(zhǔn)集成。

        6 專業(yè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        ⑴ 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以保證建筑的安全性、穩(wěn)定性和耐久性為原則,根據(jù)國家及行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),在建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,確定建筑的結(jié)構(gòu)形式、高度、跨度、體型、材料等級、構(gòu)造和連接方式。其中,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)通過節(jié)點(diǎn)連接和構(gòu)造設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)“等同現(xiàn)澆”的效能,給結(jié)構(gòu)安全以最基本保障[7]。

        對于各類別裝配式構(gòu)件在制作、運(yùn)輸、堆放和吊裝等環(huán)節(jié)荷載作用下的承載力和變形進(jìn)行驗(yàn)算,并完成臨時(shí)支點(diǎn)和吊點(diǎn)設(shè)計(jì)。

        ⑵ 外圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)地域氣候條件,滿足建筑的使用功能、建筑效果和建造技術(shù)要求。其中,比較其他外墻系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)預(yù)制混凝土外墻板與主體結(jié)構(gòu)連接的安全性要求,保證在罕見地震時(shí),外墻板不得掉落;連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有可靠的承載力,并采用柔性連接方式,具備適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形能力;外墻接縫防水構(gòu)造應(yīng)防排結(jié)合,接縫材料具有可靠的粘接性能和耐久性能[8]。

        ⑶ 設(shè)備和管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重與其它系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)管線綜合平衡、精準(zhǔn)定位和通用型接口,應(yīng)用管線分離、整體衛(wèi)浴和同層排水技術(shù),公共管井、管廊采用模塊化設(shè)計(jì)。

        ⑷ 內(nèi)裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合建筑、防火和環(huán)保等相關(guān)規(guī)范要求,結(jié)合建筑模塊化設(shè)計(jì),通過采用建筑信息模型(BIM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝修與機(jī)電系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì),體現(xiàn)系統(tǒng)之間建筑部品、構(gòu)件及接口的通用性和集成技術(shù)[9]。

        7 結(jié)語

        裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思想和方法要貫穿于設(shè)計(jì)全過程,堅(jiān)持“少規(guī)格、多組合”的基本原則,以模數(shù)化為基礎(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化為核心,集成化設(shè)計(jì)為方向,精準(zhǔn)高效地實(shí)現(xiàn)完備的建筑功能和系統(tǒng)性建造指標(biāo),為裝配式建筑建造工業(yè)化發(fā)展提供可靠保證。

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