預制裝配式建筑設計要點解析探討

文／魯麗娜、毛澤豐 浙江省工業設計研究院有限公司 浙江杭州 310000

引言：

建筑行業作為推動社會經濟快速發展的支柱型產業，直接影響到人們的生活質量和經濟發展層次。預制裝配式建筑作為建筑產業當中新型的建設形式，在實際的發展過程中具有批量化和集成化生產的優勢，通過生產廠家將建筑結構當中各個不同部位的構件批量生產，然后直接運輸到施工現場來進行安裝。這種建筑施工模式具有施工周期短、經濟效益高、結構穩定性強等優勢，同時也對方案設計質量提出了較高要求。通過總結預制裝配式建筑設計過程中的注意要點，希望可以為設計體系的不斷完善提供有效參考，提升預制裝配式建筑施工結果的可靠性。

1、預制裝配式建筑應用優勢

1.1 經濟成本較低

在傳統建筑工程的施工中，需要投入數量眾多的人力成本、物力成本、時間成本、安全成本、管理成本等，尤其是在建筑工程施工規模、施工高度不斷增大的情況下，不確定成本也會不斷增多，從而影響到建筑工程的經濟效益。預制裝配式建筑的應用，則具備了經濟成本較低的優勢，具體體現在以下幾方面：（1）預制件都是在工廠中進行集中制作，整個制作過程流程化，能夠減少預制件生產過程的材料浪費，降低材料成本支出。（2）在預制構件的方案設計過程中，會利用BIM技術對各項參數進行優化，這樣也可以盡量避免可能出現的質量問題，減少預制件返工成本。（3）在裝配式建筑工程施工期間，可以同步進行預制構件制作、現場支架搭設等工作，從而減少工程時間成本，增加工程所帶來的綜合效益。

1.2 資源能耗更低

在建筑工程施工過程中，會消耗大量能源，而預制裝配式建筑的應用，能夠基于信息技術對建筑工程綜合效益進行客觀評估，并且在兼顧經濟效益的同時，減少工程能源損耗量，促進建筑工程的可持續發展。例如，在施工過程中，建筑使用的材料種類日益增多，增加了材料的管理難度，若材料出入庫管理、生產管理存在不足，也會帶來材料浪費的問題，增加資源損耗；而在預制件建筑工程施工過程中，雖然依舊使用鋼筋混凝土作為主要原材料，但是大部分結構都是在工廠內進行統一制作，借助完善的管理體系和生產體系，可以最大限度降低制作過程中的能源損耗，有效改善工程的施工環境，達到更好預期的環保效果。

1.3 施工效率更高

在傳統鋼筋混凝土建筑施工中，需要投入較多的時間成本，例如，在鋼筋混凝土樓板施工中，從澆筑到完成養護、拆除模板、進入下階段施工，時間周期不低于20d，并且在樓板澆筑完成到養護結束期間，也會在一定程度上干擾到其他施工活動的進行，影響到整個工程的施工進度。而預制裝配式建筑工程的應用，可以在完善的預制技術的輔助下，縮短建筑工程封底、樓板安裝、墻面安裝等環節的時間，有效加快建筑工程的施工進度。另外，在裝配式建筑工程的施工中，多依靠裝配技術、吊裝技術來對預制件進行安裝，也可以有效提升施工結果的可靠性，更好地滿足建筑工程施工要求。并且在預制裝配式建筑工程的施工中，也可以添加保溫、隔音等材料，在確保建筑工程性能與質量的同時，提高建筑工程的保溫性與隔音效果。

2、預制裝配式建筑常用結構

2.1 預制剪力墻板

如圖1所示，目前常用的預制剪力墻外墻板主要為夾芯墻板，自外向內包括外頁板、保溫板和內頁板三層。從整體上看，外墻板的上下口構造形式仍然保留了上世紀預制大板建筑中預制墻板上高下平的形式，即外墻板下口的內頁板和保溫板與下層樓板的上表面平齊，外頁板下緣略有降低，起滴水作用；將外墻板上口的外頁板與保溫板拉高至與樓板的構造上表面平齊，方便將預制樓板搭接在內頁板上，外頁板上端略有降低，以便于與上層墻板咬合，可以從外立面上防止樓板外露，從而減小排水需要分層處理而帶來的難度，并規避冷橋的產生。在預制外墻板的制作中，所使用的預埋件會集中埋設在內頁板中，而墻板的上方與兩側也會對外伸出預埋件和鋼筋（外露深度不低于10cm），而且為了避免鋼筋結構出現受力偏差的問題，在前期預制過程中也會采用錯位分布的方式來預埋鋼筋。另外，在預制剪力墻板的制作中，也會在內頁板上預設套筒灌漿口和預埋鐵件等結構，預制件之間也會利用灌漿的方式進行連接，以提升預制剪力墻板的質量。

圖1 預制剪力墻板示意圖

2.2 預制樓板

在預制裝配式建筑工程的施工過程中，預制樓板也是經常應用到的結構。目前常用的預制板類型為預制大樓板、桁架鋼筋混凝土疊合板等，前者多用于大板建筑工程，如商場、工廠等；后者多用于民用建筑、辦公建筑工程，屬于半預制結構。以桁架鋼筋混凝土疊合板為例，在施工時會結合預制和現澆兩種方式進行施工，在工廠預制環節，會制作預埋鋼筋桁架的薄混凝土板，利用吊裝設備將薄混凝土板吊裝到合適位置后，再進行現澆作業，以此來確保樓板上下表面的平整性，同時也可以起到提升建筑整體性的作用。

2.3 預制樓梯

在預制裝配式建筑工程中，也經常采用預制樓梯。在以往的施工過程中多采用現澆樓梯，制模、拆模均需要耗費較多時間，從而影響到了整個工程的施工進度。而采用預制樓梯結構，在施工過程中，會根據提前擬定好的預制方案來建立模板，拆模時的底模、側模可以繼續保留并進行使用，從而節省了較多的時間成本。在預制樓梯的制作中，也需要在梯段底部、頂部和梯段側面采用錯位分布的方式來預留預埋件和鋼筋（外露深度不低于10cm）。利用吊裝設備將薄混凝土板吊裝到合適位置后，再進行現澆作業，以此來確保銜接位置的穩固性，提高建筑結構的完整性。

3、預制裝配式建筑設計流程

3.1 方案設計

進行預制裝配式建筑設計時，首要任務便是做好方案設計工作，這也是后續圖紙細化的重要保障。在具體的設計活動中，應注意以下內容：（1）需要對工程項目建設目標、建設要求、項目定位、框架結構、實現功能等內容進行整理，同時也需要做好預制構件加工性能、構件施工工藝等內容的綜合性考量，根據綜合分析結果來完成預制裝配式建筑立面結構、平面結構、結構特征、結構形式等內容的標準化設計。（2）對各部位預制構件的尺寸、外觀質量、性能要求等內容進行整理，并以此來確定預制件的安裝方式和位置，同時對預制構件的工程總量、工程造價進行初步預估，并擬定完善的預制件設計方案。（3）擬訂方案時需要做好建筑立面和建筑平面的協調處理，各節點的制定也需要契合建筑項目要求，這樣也可以在確保建設質量的同時，實現同尺寸、同類型預制件的標準化生產，更好地滿足建筑工程作業要求。

3.2 圖紙設計

完成設計方案并校核其合理性之后，進入到圖紙設計階段。在具體的設計過程中，需要對設計方案中的工作重點、設計要求等內容進行整理，并完成各個分支系統布局、相關技術、預制構件參數等內容的論證，查看各個模塊之間是否處于相互協調的狀態。在BIM技術應用背景下，可以通過碰撞實驗、參數校核等途徑來校核各項參數的匹配度，對于不匹配的內容也需要進行及時修正，提高這些內容相互之間的協調性。例如，在對墻體、樓板、梁柱等預制結構的設計中，利用BIM技術來進行建模，在模型中對不同結構的種類、尺寸這些參數進行細致化分析，并對圖紙中存在不足的內容進行優化設計和深度設計，這樣也可以確保不同預制構件在應用中可以同時滿足多結構的建設施工要求，不斷拓展同屬性預制構件的應用范圍。管線預留設計、模板結構預制等環節也需要遵循一體化的原則，有序開展工程計算和測驗工作，以此來提高不同施工模塊之間的適應性，從而優化拓展不同預制構件的使用途徑。

3.3 方案設計向圖紙設計過渡

在設計活動中做好方案設計向圖紙設計過渡屬于非常重要的工作內容，這也是提升設計內容轉化率的重要基礎。方案的具體建設活動中，需要做好技術語言的合理利用，并將其順利轉換為對應的初步設計，所有的設計內容都需要在初步圖紙中進行體現。在具體的初步設計活動中，需要對建筑工程功能性進行討論，以此來完成預制構件加工方案的初步規劃設計。同時，設計活動中也需要做好平面設計，參考統一的應用標準完成平面設計，并在此基礎上完成設計圖紙的細化處理，提高精確化施工結果的合理性。需要注意的是，初步設計的過程中，需要做好多組合共同設計的方式，盡量規避定制化預制構件的使用，以提高裝配式建筑設計結果的合理性。

4、預制裝配式建筑設計要點

4.1 建筑立面設計

在開展裝配式建筑設計活動時，建筑立面合理化設計屬于非?；A的工作內容。在具體的設計過程中，需要充分突出其審美特性，并以此為基礎來完成立面結構設計，充分發揮出裝配式建筑工程的應用優勢。可以通過以下幾方面展開設計：（1）對多樣化組合形式進行應用，充分利用預制構件的形態特征，對其進行不同形式的排列，使建筑形體三維視覺效果可以得到充分體現，同時也滿足了建筑的獨特性要求。（2）做好建筑層次的打造工作，在建筑立面的設計中，包括建筑外墻、女兒墻、陽臺、空調板等結構，而這些結構的外在表現形態也會直接影響到立面設計效果，對此在設計活動中也需要綜合考慮不同結構尺寸、形態上的搭配方法，以此來豐富度立面結構層次，這也為預制構件的標準化生產創造相應的便利條件，以提高所設計內容的合理性與可靠性。（3）在設計中也需要做好質感元素、色彩元素、紋理元素的合理化融入，不斷提升立面設計結果的審美性。目前常用的立面施工材料有鋼筋混凝土、裝飾混凝土、瓷板材料等，利用這些材料自身紋理、質感的不同，來建立合理的裝飾立面，以滿足不同情況下的建筑要求。

4.2 建筑平面設計

在裝配式建筑設計過程中，也需要做好建筑平面的設計工作，在具體的設計過程中需要注意以下內容：

在平面設計時需要遵循協調性設計原則，基于得到的可靠數據，對相關內容進行多次測量、客觀評估、綜合比對，從而找到最為合適的應用尺寸和設計方案，充分利用裝配式建筑的應用優勢，提高建筑工程的施工質量，降低工程的建設的成本。例如，在設計活動開始前，需要根據建筑的功能分布情況，對整個空間進行合理劃分，根據劃分結果來完成各模塊類型的優化設計，得到最優化的模塊組合方式。

在平面設計活動中，會按照標準化功能模塊、單元模塊的順序來展開平面化設計，并且，設計原則也需要和工業化生產要求保持一致，提升設計結果的統一性。例如，在大空間布局中，需要基于實際情況，對承重墻體、陽臺、管線等結構布局位置進行靈活調整。并且在滿足工程質量要求的基礎上，適當減輕建筑工程自重，降低對承重結構的壓力，為隔板拆除工作的順利推進創造便利條件。

4.3 結構連接設計

在預制裝配式建筑工程的設計中，結構連接設計也屬于非常重要的設計內容，構件相互間連接方式的選擇，直接影響到構件連接結果的標準性與穩定性。以預制剪力墻外墻板為例，在此類墻板的設計中，根據其形狀可以細分為L型、一字型和T型3種（如圖2所示），在對其連接節點進行設計時，需要對其具體的施工過程進行梳理，即連接節點位置會在施工時插入縱向鋼筋，搭配箍筋結構將縱向鋼筋和預埋吊筋關聯在一起，穩定后再進行澆筑。那么在前期設計活動中，需要做好預埋吊筋長度、位置、布置形式進行確定，使其更加貼合現場實際需求，提高設計結果的可靠性。需要注意的是，在L型墻板連接節點的設計中，由于此類墻板結構特殊性，在設計時也需要標記預制外墻模板的具體位置，從而形成滿足現場澆筑作業的封閉區域，以提高結構連接結果的可靠性[1]。

圖2 預制剪力墻連接點結構示意圖

4.4 建筑管線設計

在建筑工程施工過程中，伴隨著許多管線系統的施工，如給水管道、排水管道、供暖管道、供氣管道、供電管道等，這些管道在施工時存在穿墻、交叉作業等情況，這也需要在設計環節做好建筑管線設計，確保管線施工過程的有序性。在具體的設計過程中，需要做好部門作業間的配合，做好管線系統位置、具體走向、預留孔位置等內容的綜合考量，提高設計內容的合理性。例如，在管線預留設計活動中，需要注意以下內容：做好不同管道線路分布區域、具體位置等內容的系統分析，搭配BIM技術所建立的三維模型，完成設計管線預留方案，基于模型來校核參數合理性，滿足要求后進入到下一施工環節。根據裝配式建筑的相關要求，對于管線預留內容的合理性進行客觀評估，以此來防止結構設計不合理帶來的功能干擾問題，提高所設計內容的合理性[2]。所有設計內容完成后，也會利用BIM技術來進行碰撞實驗，根據實驗結果來判斷設計中是否存在不合理的內容，及時進行內容修正，提高設計方案的可行性。

4.5 吊裝設備設計

在預制構件的安裝過程中，吊裝設備屬于非常重要的工作載體，做好吊裝設備的優化設計，這也是確保后續施工活動可以有序推進的基礎條件。在設計過程中，應注意以下內容：（1）需要綜合考慮預制構件的基礎參數（如重量、體積等），以此來選擇相應噸位的吊裝設備，如目前使用較多的龍門吊，可根據實際情況來選擇相應噸位的龍門吊（噸位超過標準噸位的20%），為后續施工活動的推進奠定基礎[3]。（2）做好吊裝設備位置的合理布局，建筑工程現場會擺放許多的施工設備，并且為了加快作業進度，都會選擇多區域同步施工的方式，這也要求吊裝設備所在位置在滿足安全要求的基礎上，可以盡量輻射到更多區域，以此來降低施工現場的擁擠度，加快預制構件的施工速度。

4.6 構件參數設計

除上述提到的設計內容外，做好構件參數設計也非常重要。在預制構件的設計過程中應滿足規范化要求，結合現場的實際情況合理選擇預制構件尺寸、外觀與性能，這樣也可以提升預制構件的適應性，降低后續結構安裝時的復雜程度，從而起到節約工程建設成本的作用。在設計中，需要先對結構復雜程度高的構件進行優化設計，并且選擇最為合適的方法來強化結構參數，以提升結構整體的穩定性，避免運輸和安裝時出現構件損壞問題。在設計時也需要做好構件抗震性能、防火性能、耐久性等參數的綜合考量，借此來提高構件的可靠性[4]。另外，對于一些特殊部位的構件，如廚衛區域的預制構件，需具有較強的防潮性、防水性，這也是前期設計中需重點考量的內容。

結語：

綜上所述，預制裝配式建筑具有施工效率高、施工成本低等優勢，目前已經在許多工程項目施工中得到了應用，本次通過整理預制裝配式建筑設計時需要注意的內容，希望可以提高設計方案的合理性和可行性，能對加快工程施工進度起到積極的促進作用。