葉苑青

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州510010）

0 引言

近年來，我國大量建筑使用要求不斷提升，功能越多元化，設(shè)計施工難度不斷加大。同時，城市高速發(fā)展，建筑行業(yè)也隨之快速推進(jìn)。我國《十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出加強(qiáng)綠色建筑規(guī)劃設(shè)計方法與模式，加強(qiáng)建筑信息模型、大數(shù)據(jù)技術(shù)在建筑設(shè)計、施工和運(yùn)維管理全過程研發(fā)應(yīng)用［1］。如何從最初的設(shè)計方面開始考慮增強(qiáng)建筑自身的多樣性，適應(yīng)性，加速設(shè)計的速度，提升設(shè)計品質(zhì)和有效縮短施工周期成為設(shè)計考慮與探討的主要方向。

模塊化是各個領(lǐng)域最前沿的研究課題［2-12］，具有非常重要的地位，具有廣泛的應(yīng)用。而將模塊化設(shè)計理念運(yùn)用到建筑中，是解決使用的不同功能需求，增強(qiáng)建筑適應(yīng)性，提高設(shè)計速度，加快建設(shè)周期，方便裝配施工的有效手段。建筑的模塊化設(shè)計具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，已成為時代主流的一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

1 項目概況

某大廈項目位于廣州市白云新城，為地下4層、地上36 層、建筑總高度160 m、總建筑面積約20 萬m2的超高層綜合辦公樓。建筑功能為某航空公司總部辦公，集商業(yè)寫字樓、大型會議室、休閑等于一體，打造華南地區(qū)辦公配套最完善的國際航空中心總部基地。筆者以本項目為例，從方案設(shè)計階段開始，運(yùn)用模塊化設(shè)計，使用BIM 輔助設(shè)計，大大增強(qiáng)了建筑的適應(yīng)性，為裝配式施工提供合理性，提高了單元的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，縮短了整體施工周期，有效的提升工程質(zhì)量。

2 建筑模塊化設(shè)計

本項目的設(shè)計首先需要滿足企業(yè)多樣化需求，即企業(yè)內(nèi)多個部門不同的分隔需要，必須設(shè)計可靈活布置的標(biāo)準(zhǔn)層平面。其次因建筑總高受限，標(biāo)準(zhǔn)層層高只有3 900 mm，還必須在層高受限的條件滿足央企總部所需的穩(wěn)重又不失現(xiàn)代感造型風(fēng)格。

2.1 平面標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

建筑模塊化標(biāo)準(zhǔn)化，最重要的是考慮其適應(yīng)性問題，面對不同的辦公要求，不同的分隔需要，能做出相應(yīng)的變化，這是建筑標(biāo)準(zhǔn)化的主要問題。合理的模塊單元尺寸設(shè)計，配合上合理的結(jié)構(gòu)布置，使建筑充滿了生命力與適應(yīng)力。

面對本項目的多樣化需求，筆者應(yīng)用模塊化設(shè)計的理論，希望可以從最初的設(shè)計開始，平面的設(shè)計中應(yīng)用了模塊化的基本單元設(shè)計，減少設(shè)計師重復(fù)的工作，增強(qiáng)項目的適應(yīng)性。為了適應(yīng)多個部門的不同需要，整個塔樓采取標(biāo)準(zhǔn)的中間筒設(shè)計，柱網(wǎng)單元標(biāo)準(zhǔn)14 000 mm×5 350 mm，并且外部框架與外立面結(jié)合一體，如圖1 所示。在層高3 900 mm 的條件下，通過BIM 技術(shù)、管線綜合設(shè)計手段，實現(xiàn)了3 200 mm 凈高，整層2 600 m2，寬14 m 無柱辦公空間，無遮擋全景景觀的舒適辦公環(huán)境。

2.2 立面模數(shù)化設(shè)計

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布局Fig.1 Typical Floor Plan

本項目運(yùn)用極具數(shù)理邏輯的模數(shù)美學(xué)設(shè)計，使得外部形象整體而有韻律和肌理變化，同時滿足央企的莊嚴(yán)形象要求。設(shè)計致力于每一個模數(shù)單元的合理化并且力求精益求精。立面設(shè)計從室內(nèi)人體尺度、到層間消防需要、相關(guān)規(guī)范的細(xì)節(jié)；從室內(nèi)裝修的地面天花綜合管槽布置、再到避難層的百頁分布等等，無一不考慮在內(nèi)，最終以模數(shù)化的設(shè)計全部一一解決，如圖2所示。由細(xì)部到整體，由小單元到大模數(shù)，全部落實到位。并且平面與造型的模數(shù)化設(shè)計，為裝配式施工提供了合理性。特別是U 型鋼梁、鋼板墻裝配式施工以及單元式幕墻的應(yīng)用，不僅縮短了施工周期，也大大提高了建筑的整體效果與壽命。

圖2 立面單元模塊透視圖Fig.2 Vertical Unit Module Perspective

2.3 BIM輔助設(shè)計

本項目運(yùn)用BIM 技術(shù)，在設(shè)計階段通過碰撞檢查、三維可視化應(yīng)用及凈高分析，充分推敲改進(jìn)新結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點與管線綜合的問題，實現(xiàn)裝配式設(shè)計施工一體化。本大廈采用全裝配式鋼結(jié)構(gòu)，工業(yè)化建造使土建工期縮短至僅12個月。經(jīng)過平面、立面的高精度模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了建筑、設(shè)備、機(jī)電的建筑工業(yè)化、模塊化，如圖3所示。另外單元式幕墻設(shè)計施工過程中，實現(xiàn)裝配式精準(zhǔn)加工、可視化交底、安全分析、單元構(gòu)件跟蹤，如圖4所示。

3 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層BIM三維視圖Fig.3 BIM 3D Visualization of Typical Floor Plan

圖4 幕墻構(gòu)造BIM三維視圖Fig.4 BIM 3D Visualization of Curtainwall Structure

本項目規(guī)整柱網(wǎng)給結(jié)構(gòu)模塊化提供前提條件，并且通過標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，為模塊最小單元構(gòu)件批量生產(chǎn)提供可行性。塔樓辦公區(qū)域為14 m大跨度，鋼筋混凝土梁無法滿足建筑凈空要求，鋼梁無法滿足剛度要求，鋼骨梁需支模，無法實現(xiàn)裝配式施工，需要采用U型鋼組合梁。但常規(guī)的U 型鋼組合梁無法實現(xiàn)與鋼管混凝土柱的剛接，本項目創(chuàng)新性的采用支座增設(shè)蓋板的U 型鋼組合梁，如圖5 所示。塔樓辦公區(qū)域采用高470 mm 的標(biāo)準(zhǔn)裝配式U 型鋼組合梁（獲國家發(fā)明專利），如圖6所示（紅色標(biāo)示為U型鋼組合梁）。

圖5 支座增設(shè)蓋板的U型鋼組合梁構(gòu)造Fig.5 Construction of U-shaped Steel Composite Beam with Cover Plate Added to Support

圖6 塔樓核心筒結(jié)構(gòu)布置平面圖Fig.6 Layout Plan of Tower Core Tube Structure

塔樓采用鋼管混凝土柱-U 型鋼梁-外包多腔鋼板混凝土剪力墻核心筒與鋼管混凝土柱-U 型鋼梁-異形鋼管混凝土柱框架內(nèi)筒兩種結(jié)構(gòu)體系的組合，外包鋼板剪力墻是由預(yù)制外包鋼板與內(nèi)嵌現(xiàn)澆混凝土組成，外包鋼板與內(nèi)嵌混凝土通過鋼板上焊接的雙向加勁肋板實現(xiàn)共同作用。外包鋼板對混凝土起到套箍作用，有效提高的混凝土的抗壓強(qiáng)度，鋼板與混凝土相互結(jié)合，充分發(fā)揮混凝土抗壓，鋼板抗拉的優(yōu)點，從而大大減少了剪力墻的厚度，減輕墻體自重，減小結(jié)構(gòu)地震力的同時節(jié)省基礎(chǔ)造價。

外包鋼板采用分塊拼裝，大量焊接工作可在工廠完成，施工速度快，符合建設(shè)方對建造周期的需求。鋼管混凝土柱是由鋼管和內(nèi)部現(xiàn)澆混凝土組成，混凝土與鋼管通過焊接螺栓共同作用。與鋼板墻類似，外框鋼管混凝土柱充分發(fā)揮鋼管的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度，大大減小框架柱截面，增大結(jié)構(gòu)外圍凈寬。

核心筒與外框架的連接采用外包U 型鋼箱-混凝土組合框架梁，由U 型外包鋼板內(nèi)填混凝土組成，混凝土與鋼板通過焊接螺栓形成剛度較大的抗彎組合構(gòu)件，充分發(fā)揮鋼板抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度，可減小梁高，增加核心筒外圍區(qū)域的建筑凈高；同時外包U 型鋼箱可直接作為施工支承模板，在施工過程中無需另外搭建施工模板和拆除模板，不僅節(jié)約了施工成本，而且縮短了工期；型鋼和混凝土的結(jié)合力好，提高了梁的承載力；混凝土與外側(cè)板結(jié)合，可提高外側(cè)鋼板的穩(wěn)定性。

4 模塊化設(shè)計實施效果

本項目設(shè)計需要精度高，新技術(shù)要求復(fù)雜。高精度的工業(yè)化設(shè)計需要新技術(shù)輔助設(shè)計，項目基于BIM技術(shù)與運(yùn)營平臺，實施全生命周期的一體化資產(chǎn)運(yùn)營與集成管理，在項目實施中取得了顯著效益。

施工過程中BIM 應(yīng)用效益：①質(zhì)量安全管理，實現(xiàn)安全質(zhì)量問題的云共享、可視化、PDCA 閉環(huán)處理，使問題閉合率高達(dá)95%以上；②利用BIM 模型進(jìn)行進(jìn)度模擬、計劃制定、偏差調(diào)整，其中解決重大問題9個；③在幕墻施工過程中，實現(xiàn)精準(zhǔn)加工、可視化交底、安全分析、單元構(gòu)件跟蹤，節(jié)約費用約260 萬元；④在裝修施工過程中，采用點云掃描，實現(xiàn)工廠預(yù)制加工，現(xiàn)場裝配式裝修，節(jié)約費用約270萬元；⑤在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，進(jìn)行復(fù)雜節(jié)點的工藝優(yōu)化、吊裝施工模擬；⑥在機(jī)電施工過程中，2 萬m2問題區(qū)域優(yōu)化，管線路有32處施工優(yōu)化。

另外，項目深度應(yīng)用全過程的BIM 技術(shù)以實現(xiàn)信息集成，采用大量的新技術(shù)、新工藝和預(yù)制鋼構(gòu)件以減少現(xiàn)場手工作業(yè)，利用大型智能集成運(yùn)營平臺（AR?CHIBUS+IBMS）以提高管理效率與質(zhì)量。在三維可視化狀態(tài)下展示設(shè)備數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，極大地提高了物業(yè)管理水平，物管效率提高了40%以上。

5 總結(jié)

筆者有多個模塊化設(shè)計的經(jīng)驗以及長期的實際案例的實踐，對于模塊化的運(yùn)用有非常深刻的體會，在辦公建筑工程上的作用尤其突出。借助單元模塊的設(shè)計與應(yīng)用，對大樓的整體設(shè)計得到有效的把控，使得功能靈活多變，增強(qiáng)了辦公的實際使用適應(yīng)性。應(yīng)用新技術(shù)加快了設(shè)計的速度，提高了整體空間布局的合理性。并且為施工裝配式提供了有效實際的可行性。但是，整體模塊化還有相當(dāng)多的板塊需要同時配合，有待繼續(xù)加強(qiáng)深化，通過本案實例，希望為今后類似工程提供借鑒。