裝配式體系下的高校教學建筑標準化設計研究

戰長恒

1 研究背景與方法

1.1 研究背景

（1）我國建筑工業化轉型與裝配式建筑的發展與推廣

在環境污染日益嚴重、勞動力成本逐漸增加、建筑產業化發展等因素的影響下，我國建筑行業長期以傳統現澆方式為主的粗放型建造模式的問題逐漸顯現[1]。“十三五”以來，我國從國家政策上高度重視裝配式建筑的推廣，成為我國建筑行業轉型升級的重要措施。2016年國務院發布《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，提出“大力推廣裝配式建筑”①，明確了發展裝配式建筑是建造方式的重大變革。在此基礎上，住建部出臺了一系列行動方案和管理辦法②，為全面落實推進裝配式建筑發展提供保障措施。在國家政策的引導下，各地裝配式建筑的發展取得了顯著的成績（表1），有專家指出[2]，裝配式建筑是一個未來長期發展的創新過程，是我國建筑行業轉型升級邁向高質量發展的最佳時機。

表1 2018年我國部分省市裝配式建筑發展概況

（2）高校教學建筑裝配式發展的需求

20世紀90年代以來，我國高等教育正經歷前所未有的發展，高校在數量、人數、面積、規模等方面的發展都急速增長。高校的擴張帶來校園建設的發展和需求也越來越大，諸多高校建設新校區，各地廣泛建設大學城的現象一直延續至今。目前我國建筑行業總體上是一個勞動密集型產業，高校建設的增長也處于一種粗放型的發展方式，具有高投入、高消耗的特征[3]，高校建設能耗占社會總能耗的比重日趨增大。近年來，隨著全國建筑產業化的推進，裝配式建筑得到了大力推廣，裝配式在高校建筑建設中的應用也引起了業內的廣泛關注，出現了一些試點案例的研究與建設。2017年山東建筑大學教學實驗樓項目落成，作為全國首個鋼結構裝配式的超低能耗建筑，為裝配式技術在高校建設中的應用打開了市場。哈爾濱工業大學在深圳校區的擴建工程中，4棟學生宿舍均采用裝配式鑲嵌體系建造，總建筑面積10.1萬m2，項目預制率28. 6%，裝配率為61. 7%，均大幅超過深圳市裝配式建筑相關基本標準要求。另外，目前正在建設中的華南理工大學廣州國際校區的建設中，也大幅度地采用了裝配式技術。

試點案例的研究與實踐，為裝配式設計和建造在高校建設中的應用提供了前沿的探索，但目前我國總體上，對于裝配式高校建筑的研究仍然十分缺乏。由于標準化設計是裝配式建筑的基礎和核心[4]，因此，本文以高校校園建筑中最為典型的教學建筑為例，探索裝配式體系下高校教學建筑的標準化設計。

1.2 研究方法

標準化設計是裝配式建筑的關鍵。在高校教學建筑中，由于多數功能空間的重復率高（教室、辦公室等），為標準設計的實現提供了前提條件。一方面，高校教學建筑的平面設計中，柱網比較規整，開間和進深的尺寸范圍比較集中；另一方面，高校教學的功能單元重復率較高，有利于實現以標準化單元容納不同空間再相互進行組合的設計。

本文采用案例研究的方法，搜集和選取了8個傳統建造和3個裝配式建造的高校教學建筑設計方案（表2）。首先對8個傳統建造的案例通過平面功能和尺寸的統計分析，提取高校教學建筑中常見功能的尺寸范圍，在此基礎上，通過對裝配式建造的3個案例進行解析，探討傳統方案利用裝配式建造時進行平面標準化優化設計、預制構件標準化設計、立面多樣化設計的優化方法。

表2 文中涉及案例的基本信息列表

2 高校教學建筑的平面標準化

裝配式離不開標準化，而標準化的基礎是模數化[5]。我國建筑設計的基本模數是100mm，擴大模數為300mm，并由此衍生出擴大模數和分模數③。裝配式建筑標準設計中，通常通過統一尺寸相近、功能相似的空間，從而減少預制構件的種類。在高校教學建筑中，由于平面柱網規整，多數功能空間的重復率高，有利于通過對尺寸相差較小的多種功能進行模數協調來減少標準開間的尺寸，實現平面的標準化優化設計，從而降低生產和建造成本。

2.1 各功能種類與尺寸統計

前面已經提到，在高校教學建筑中，平面設計柱網比較規整，開間和進深的尺寸范圍比較集中，再加上多數功能空間的重復率高（教室、辦公室等），為標準設計的實現提供了前提條件。文中對表2中8個傳統建造的高校教學建筑進行平面功能和尺寸的統計，提取高校教學建筑中常見功能的設計尺寸（表3，圖1～3），為高校教學建筑平面標準化設計進行模數協調的優化提供參照。

表3 高校教學建筑常見功能的統計

圖1 高校教學建筑柱網及層高常用尺寸統計

2.2 多種功能空間的尺寸協調統一

在裝配式標準化設計過程中，通過協調和統一尺寸相近、功能相似的空間的方式，減少預制構件的種類，從而降低生產和建造成本，例如在圖2和圖3中，中小型教室、辦公室、實驗室和科研工作室的開間和進深，均可選擇8000～10000mm的范圍。由于結構的規則性易于控制，可通過以下設計手法實現建筑標準化和構件標準化。

圖2 高校教學建筑各功能開間常見尺寸的統計

圖3 高校教學建筑各功能進深常見尺寸的統計

①協調X、Y方向軸網尺寸，確定構件寬度，實現構件寬度的統一：在高校教學建筑中，中小型教室、辦公室、實驗室和科研工作室等均可采用相同的軸網。

②協調豎向層高，根據層高確定構件高度，實現構件高度的統一：在高校教學建筑中，通常將高層高的階梯教室和報告廳獨立為一個單獨的模塊，或者設置于建筑一層，其余功能則可采用相同的層高。

③協調結構柱和梁截面尺寸，使構件與主體連接方式得到統一。

④在建造外立面設計中，盡量采用“少規格、多組合”來形成多樣效果。

2.3 基于模數協調的系統優化設計

（1）平面的優化設計

由于結構的規整性易于控制，高校教學建筑具有利用模數協調進行平面標準化優化設計的優勢。例如在表2的案例9中，原方案是傳統鋼框架結構，原設計中軸線較為自由，局部存在1/2M的軸線定位，在對方案進行優化設計的過程中，通過統一模數，協調框架結構的軸網尺寸，使標準層的鋼梁尺寸由原設計中的8種減少至2種。另外，由于原設計中鋼框架沿外墻布置，外墻與結構柱、外梁、挑梁之間的節點設計比較復雜，優化設計中將標準層樓板外挑1m，避免外墻與結構柱連接，簡化了外墻與梁柱之間的節點連接（圖4）。

圖4 案例9優化后的建筑平面圖

（2）管線集成的優化設計

管線的集成優化設計也是裝配式平面標準設計的重要方面，管線的集成設計一方面可以簡化平面；另一方面，歸并建筑設備管線，可以有效地減少管線穿墻，簡化外墻保溫和氣密性措施。例如在表2的案例9中，雨水管布置在保溫層外側，設置獨立的空間做保溫、氣密和隔聲處理。

3 高校教學建筑的預制構件標準化

（1）預制構件設計

標準設計的另一個重要方面是預制構件標準化。工業化的預制構件多種多樣，目前在我國裝配式高校教學建筑的實踐中，預制構件的使用主要集中于預制柱、預制外墻、門窗、疊合樓板、預制內墻、預制樓梯。例如，在案例9中，采用預制鋼結構（鋼柱、鋼梁，預制率100%）、ALC板（內外墻，預制率90%）、桁架板（樓板，預制率80%），預制樓梯（預制率90%）。此外，表4列舉了表2的案例11中的預制構件設計。

表4 案例11中預制構件的設計

（2）節點連接方式

預制構件的連接方式優化，也是裝配式建筑重要的方面。在表2的案例9中，采用標準化的螺栓連接節點，鋼結構優化為標準化的梁、柱鋼結構，在現場用鋼梁、鋼柱進行組合成框架單元。其連接節點僅為鋼框架、柱鋼接連接節點和鋼框架梁、次梁鉸接連接節點兩類。在優化設計中，通過連接節點的標準化優化，將連接節點從原來的164種優化為20種[6]（圖5～6）。

圖5 案例9鋼框架梁、柱剛接連接節點示意圖

圖6 案例9鋼框架梁、次梁鉸接連接節點示意圖

4 基于標準設計的立面多樣化設計

標準化設計區別于標準設計，并非千篇一律，而是將一系列標準的基本單元通過多樣化的組合，形成形式多樣的個性化建筑產品。在標準化的基礎上實現多樣化，基礎模數的取值越小，標準設計的開放性越高，預制構件組合的多樣性則越強，但是基礎模數取值則會導致預制構件的種類增多。因此，在標準設計的基礎上進行多樣化設計，需要選取合適的模數，在設計中，減少構件種類，盡量采用“少規格、多組合”來形成多樣效果。表5中羅列了表2的案例10的外墻拆分設計，用盡可能少的模具進行預制構件設計，通過組合方式進行外立面多樣化的設計。

表5 案例10中的外立面拆分設計

另外，除了通過預制構件的拆分設計進行外立面多樣化設計以外，在裝配式高校教學建筑的設計中，同樣可以采用傳統的增加綠化、材料和色彩、第五立面營造、引入新技術等方式來進行多樣化的設計。

結語

標準化設計是裝配式建筑的關鍵，尤其是設計階段在裝配式建筑的全產業鏈中起著舉足輕重的作用。在全國范圍大規模的推動裝配式建筑，以及高校建設需求量持續增大的背景下，裝配式體系在高校建設中應用的優勢也逐漸顯現出來。尤其是在高校教學建筑中，結構規則、柱網尺寸集中、多功能空間的重復率高等特點，具備標準化優化的先天優勢，在今后的發展過程中應該得到推廣。裝配式高校教學建筑標準化設計的研究，是其進行裝配式全過程建造的第一步，為高校教學建筑產業化、綠色化、信息化發展提供了基礎。

資料來源：

圖4：山東建大建筑規劃設計研究院提供；

圖5～6：參照參考文獻[6]繪制；

表5中的圖片：華陽國際工程設計有限公司提供；

表1：各省市住建部門網站、預制建筑網；

表2：華南理工大學建筑設計研究院提供，山東建大建筑規劃設計研究院提供，華陽國際工程設計有限公司提供；

文中其余圖表均為作者繪制。

注釋

① 2016年2月，國務院發布《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，提出“大力推廣裝配式建筑”，“加大政策支持力度，力爭10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%”。2016年9月，國務院印發《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，明確了發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，并提出8項重點任務，是我國今后一段時間內推進裝配式建筑的綱要。

② 2017年，住建部為全面推進裝配式建筑的發展，出臺了《“十三五”裝配式建筑行動方案》、《裝配式建筑示范城市管理辦理》、《裝配式建筑產業基地管理辦法》等，為裝配式建筑發展提供了措施保障。

③ 擴大模數（2M、3M、6M、9M、12M……）一般用于開間、進深、柱距、跨度、洞口、層高等，分模數（M/10、M/5、M/2）一般用于縫隙、節點構造、構配件截面等，這也是符合目前裝配式常用建材的尺寸。