馬雄飛，賀勃濤，段力楠，劉甜甜，馮 浩

（中建七局第四建筑有限公司，西安 710016）

裝配式建筑設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)存在一定的差異，對工業(yè)化水平的要求相對較高?，F(xiàn)階段，我國裝配式建筑方案設(shè)計(jì)仍然存在一定的缺陷，大多數(shù)采用串行的設(shè)計(jì)方式，在實(shí)際工程應(yīng)用中方案運(yùn)行的效率較低，建筑材料消耗的情況嚴(yán)重，在施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的工地?fù)P塵與建筑垃圾，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞的同時(shí)，整體建筑方案的生產(chǎn)效率較低，不利于裝配式建筑的穩(wěn)定發(fā)展[1]?；诖?，本文以某裝配式建筑工程項(xiàng)目為例，提出了基于裝配率導(dǎo)向的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，為促進(jìn)裝配式建筑的高效發(fā)展提供保障。

1 裝配式建筑設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容

裝配式建筑指的是根據(jù)裝配式定制要求，生產(chǎn)符合要求與標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制構(gòu)件，在施工現(xiàn)場組裝預(yù)制構(gòu)件，利用后澆混凝土的連接手段，將各類零散的預(yù)制構(gòu)件連接起來，生成整體建筑[2]。裝配式建筑方案設(shè)計(jì)屬于建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)部分，其研究范疇較大，具有一定的預(yù)見性，通過設(shè)計(jì)裝配式建筑方案，能夠?qū)M建建筑物中潛在的問題進(jìn)行預(yù)見，并及時(shí)制定解決措施[3]。裝配式建筑設(shè)計(jì)具有管理信息化、施工裝配化以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，基于建筑項(xiàng)目最優(yōu)化的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)建筑成本節(jié)約、施工質(zhì)量提高的目標(biāo)[4]。通常情況下，裝配式建筑方案采用串行的設(shè)計(jì)模式，分析方案實(shí)施中可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)建筑施工流程，組建完善的裝配式建筑設(shè)計(jì)與施工團(tuán)隊(duì)，最終結(jié)合信息化技術(shù)，對整體的建筑方案實(shí)施效果進(jìn)行全方位的跟蹤評估[5]。

當(dāng)前，我國傳統(tǒng)的裝配式建筑方案，在施工中的協(xié)調(diào)性較差，缺乏對裝配率的綜合考慮，制約了建筑工程經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化發(fā)展。綜上所述，本文在掌握裝配式建筑設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以裝配率為導(dǎo)向，對傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，具體步驟如下所示。

2 基于裝配率導(dǎo)向的建筑方案設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建裝配率計(jì)算模型

在構(gòu)建裝配率計(jì)算模型前，首先，明確裝配率的選取指標(biāo)，結(jié)合線性規(guī)劃的方式，設(shè)定模型中的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件。綜合考慮裝配式建筑施工中資源節(jié)約的要求，本文將預(yù)制構(gòu)件工程量設(shè)定為模型中的目標(biāo)函數(shù)，建筑施工的成本與周期設(shè)定為模型線性規(guī)劃的約束條件，從裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件建設(shè)成本與效益的基礎(chǔ)上，根據(jù)裝配式建筑的工程量，計(jì)算模型中各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的工程量，計(jì)算公式為：

式中，gi表示單位面積下各個(gè)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的工程量；Gi表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的總工程量；S 表示裝配式建筑總面積；i表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的種類。通過計(jì)算，得出裝配率計(jì)算模型的目標(biāo)函數(shù)，基于裝配式建筑效益分析的原理，對模型的約束條件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，公式為：

式中，gix 表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件總效益；Zci表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的增量成本；ai表示建筑預(yù)制構(gòu)件在工程量中的占比；Z1表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件運(yùn)營階段增量成本；Ji表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。通過計(jì)算，獲取到裝配率計(jì)算模型的約束條件，為了使模型中的裝配率實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合構(gòu)件的預(yù)制率，共同構(gòu)建裝配率計(jì)算模型。在模型中輸入預(yù)制構(gòu)件的名稱與相應(yīng)的權(quán)重，設(shè)定模型計(jì)算的期望值與生命周期，分配各個(gè)構(gòu)件的效率。通過構(gòu)建的裝配率計(jì)算模型，在現(xiàn)澆工程量下，獲取各個(gè)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的相關(guān)信息，為后續(xù)建筑方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供保障。

2.2 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)

基于上述裝配率計(jì)算模型構(gòu)建完畢后，獲取建筑主體結(jié)構(gòu)部分的裝配率，基于裝配率的等級評價(jià)與構(gòu)件拆分原則，本文對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的拆分進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。預(yù)制構(gòu)件作為裝配式建筑的重要組成部分，其拆分環(huán)節(jié)是建筑方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。首先，通過裝配率計(jì)算模型，分析建筑主體結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分對裝配率的影響程度。結(jié)合各個(gè)預(yù)制構(gòu)件在建筑中的占比情況，獲取裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的選擇順序，如圖1所示。

圖1 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件選擇順序

如圖1所示，基于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的選擇順序，對構(gòu)件進(jìn)行拆分處理，控制各個(gè)預(yù)制構(gòu)件在方案中的應(yīng)用比例。本文設(shè)計(jì)的預(yù)制構(gòu)件拆分環(huán)節(jié)，主要包括對預(yù)制承重剪力墻、預(yù)制梁、外掛墻板、預(yù)制樓板等構(gòu)件進(jìn)行拆分，具體的拆分原則如下。針對預(yù)制承重剪力墻來說，在構(gòu)件的灌漿孔道處均勻布設(shè)孔洞，除邊緣構(gòu)件外，其余墻體采用現(xiàn)澆的預(yù)制方式進(jìn)行拆分；外掛墻板拆分處理中，需要控制有洞口墻板的寬度，墻梁采用整體預(yù)制，每塊墻板的長度應(yīng)當(dāng)小于5.5m；在預(yù)制梁的梁端處進(jìn)行拆分，拆分為單跨梁與雙跨梁兩種結(jié)構(gòu)；調(diào)節(jié)預(yù)制樓板的受力方向，基于樓板的疊合狀態(tài)拆分預(yù)制樓板，設(shè)置樓板底板間的距離不超過265mm，跨度小于5.5m；預(yù)制柱、樓梯以及陽臺板、空調(diào)板在拆分處理中，將拆分位置設(shè)置為裝配式建筑樓層的標(biāo)高處，結(jié)合單塊斜板與梁進(jìn)行獨(dú)立預(yù)制。

在上述裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員還應(yīng)當(dāng)遵循少規(guī)格、多組合的構(gòu)建拆分原則，結(jié)合建筑工程項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，提高構(gòu)件生產(chǎn)與裝配的質(zhì)量與效率。

2.3 基于BIM 的裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)

通過上述對裝配式建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的拆分處理設(shè)計(jì)，提高了構(gòu)件生產(chǎn)與裝配的質(zhì)量，接下來，結(jié)合BIM 技術(shù)，提出裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的流程，如圖2所示。

圖2 基于BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

如圖2所示，在裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合設(shè)計(jì)方、構(gòu)件廠、運(yùn)輸方與施工方的不同需求，共同制定建筑方案，通過多方的綜合考量，判斷方案是否通過，若不通過則各方需要重新協(xié)商并進(jìn)行修改，若通過則生成協(xié)同設(shè)計(jì)方案?；趨f(xié)同設(shè)計(jì)方案，分析建筑預(yù)制構(gòu)件是否符合方案設(shè)計(jì)的要求，對建筑預(yù)制構(gòu)件的尺寸類型進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化構(gòu)件的生產(chǎn)工藝與進(jìn)度，從裝配施工受限需求方面，判斷構(gòu)件尺寸大小及重量是否影響建筑方案的實(shí)施，避免構(gòu)件選取不當(dāng)影響方案實(shí)施的效率。

利用裝配率參數(shù)化平臺，提取各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)信息，基于裝配率計(jì)算模型，對預(yù)制構(gòu)件的裝配率進(jìn)行等級評價(jià)，當(dāng)裝配率未達(dá)到建筑方案最優(yōu)化預(yù)期目標(biāo)時(shí)，通過參數(shù)平臺設(shè)計(jì)模型中的交互式節(jié)點(diǎn)，不斷調(diào)整裝配式建筑方案，直至各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的裝配率達(dá)到最優(yōu)化預(yù)期目標(biāo)，完成裝配式建筑方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 對比分析

為了對本文提出的基于裝配率導(dǎo)向的裝配式建筑方案設(shè)計(jì)的可行性作出進(jìn)一步客觀分析，進(jìn)行了如下文所示的實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)以某地區(qū)M 住宅小區(qū)建設(shè)項(xiàng)目為研究對象，小區(qū)建筑平面結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)住宅小區(qū)建筑平面結(jié)構(gòu)圖

圖3為本次實(shí)驗(yàn)選用小區(qū)建筑的平面結(jié)構(gòu)圖，該住宅小區(qū)總建筑面積為32506.14m2，其中，擬用裝配式建筑建造的為1#樓與5#樓，兩棟樓的建筑高度均為75.6m，包括地上與地下兩個(gè)部分，總共25 層，整體建筑結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)，其中，1#樓的1 層至6 層為商鋪建筑，建筑面積為4503.15m2，包含架空部分。住宅小區(qū)的建筑工程等級與耐火等級標(biāo)準(zhǔn)均為一級，小區(qū)建設(shè)使用年限為50年。將上述本文設(shè)計(jì)的裝配式建筑優(yōu)化方案應(yīng)用到該項(xiàng)目中，首先，對小區(qū)內(nèi)的住宅戶型及組合形式進(jìn)行分析，獲取項(xiàng)目建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化戶型?；陬A(yù)制構(gòu)件的相關(guān)規(guī)范，選取建筑主體部分結(jié)構(gòu)的預(yù)制部品。在實(shí)驗(yàn)中，項(xiàng)目預(yù)制內(nèi)墻的材質(zhì)由甲方確定，預(yù)制疊合樓板采用預(yù)制混凝土構(gòu)件，基于預(yù)制構(gòu)件的類型，明確預(yù)制構(gòu)件的預(yù)制范圍。按照建筑優(yōu)化方案的線性順序，對建筑結(jié)構(gòu)的主體進(jìn)行布置，分析計(jì)算建筑主體結(jié)構(gòu)的受力情況，確定各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸。在傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，借助BIM技術(shù)，提高裝配式建筑方案施工數(shù)據(jù)及信息的準(zhǔn)確性。利用Revit 分析軟件，與裝配率計(jì)算模型，獲取該項(xiàng)目在應(yīng)用裝配式建筑優(yōu)化方案前后，各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用比例及裝配率，并進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 裝配式建筑方案優(yōu)化前后預(yù)制構(gòu)件應(yīng)用比例及裝配率對比

根據(jù)表1可知，裝配式建筑方案在設(shè)計(jì)優(yōu)化前，各個(gè)預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用比例較低，且實(shí)際裝配率與目標(biāo)裝配率之間的差距較大，不能很好地實(shí)現(xiàn)方案的預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化后，預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用比例與實(shí)際裝配率均得到了顯著提高，具有較高的可行性。

4 結(jié)語

綜上所述，在裝配式建筑設(shè)計(jì)逐漸興起的趨勢下，改善了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)施工中存在的不足，然而，現(xiàn)階段，我國裝配式建筑方案在實(shí)際工程施工中的應(yīng)用效率較低，在建筑質(zhì)量與性能方面仍然存在一定的缺陷?；诖耍疚囊胙b配率，提出了全新的建筑方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過本文的研究，有效地調(diào)節(jié)了裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用比例，使建筑的實(shí)際裝配率以及施工質(zhì)量得到了顯著提高。