基于裝配式建筑的模塊化設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

樊俊，張祥康，程超

（中國(guó)十七冶集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

在建筑施工領(lǐng)域，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工方式存在著許多問題，如施工周期長(zhǎng)、施工質(zhì)量難以保證等。而裝配式建筑作為一種新型的建筑施工方式，通過工廠化生產(chǎn)和模塊化設(shè)計(jì)，能夠有效提高施工效率和建筑質(zhì)量。因此，對(duì)于裝配式建筑的模塊化設(shè)計(jì)方法的研究具有重要意義。

吳江泠[1]研究了上海市一座高約60m的高層辦公樓采用裝配式建筑的方案選擇。兩種方案分別是：裝配式鋼筋混凝土框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。經(jīng)過預(yù)制構(gòu)件布置和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)方案更優(yōu)。王文靜[2]等人總結(jié)了國(guó)內(nèi)外模塊化建筑結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，包括結(jié)構(gòu)體系、模塊類型和連接方式，并分析了焊接、螺栓連接、自鎖式連接等不同形式的節(jié)點(diǎn)等連接方式，為模塊化建筑的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供參考。楊璽[3]研究了模塊化框架剪力墻結(jié)構(gòu)的種類、連接方法和應(yīng)用，通過建立數(shù)值模型驗(yàn)證了模塊化結(jié)構(gòu)在抗震性能方面的優(yōu)越性，結(jié)果表明模塊化結(jié)構(gòu)降低了損傷，提高了抗震性能和恢復(fù)能力。

本論文旨在通過對(duì)國(guó)內(nèi)外裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)，探討模塊化設(shè)計(jì)方法在提高施工效率和改善建筑質(zhì)量方面的作用，并提出一套適用于國(guó)內(nèi)實(shí)際情況的模塊化設(shè)計(jì)方法。

1 裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)政策

為了推動(dòng)裝配式建筑在中國(guó)的發(fā)展，國(guó)務(wù)院辦公廳于2016年印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》。該文件明確指出，在未來的十年內(nèi)，裝配式建筑在新建建筑中所占比例將達(dá)到30%。住建部則在2017年印發(fā)了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》，該方案明確提出到2020年，裝配式建筑在新建筑中所占比例要達(dá)到15%以上，重點(diǎn)區(qū)域還要在此基礎(chǔ)上再提高5%。進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展，住建部在2019年印發(fā)了《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑市場(chǎng)監(jiān)管司2019年工作要點(diǎn)》。該文件重點(diǎn)提出要開展鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)試點(diǎn)，選擇部分地區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)工作。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本和新加坡作為亞洲的領(lǐng)軍代表，在20世紀(jì)90年代開始了裝配式建筑的發(fā)展。德國(guó)、加拿大等國(guó)緊隨其后將這種模式發(fā)展為工業(yè)化的建造方法，并取得新的進(jìn)步。由于長(zhǎng)期的發(fā)展積累和大量學(xué)術(shù)研究，裝配式建筑在這些國(guó)家已經(jīng)建立了廣泛的基礎(chǔ)。然而，在20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)現(xiàn)澆建筑技術(shù)的快速發(fā)展使得裝配式建筑技術(shù)所具有的施工速度快、不受道路運(yùn)輸限制等優(yōu)勢(shì)逐漸被取代。直到現(xiàn)澆建筑的弊端漸漸顯現(xiàn)，裝配式建筑再次回到了大眾的視野。2015年，住建部在《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中提高了我國(guó)工業(yè)化建筑基礎(chǔ)理論，推動(dòng)了裝配式建筑的發(fā)展。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆模式相比，裝配式建筑的增量主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化程度較低、模塊化和規(guī)模化程度較低，從而導(dǎo)致額外的增量成本[4]。然而，通過將裝配式建筑與工程總承包模式相結(jié)合，實(shí)施一體化管理可以極大改善增量成本的問題。采用信息化的方法對(duì)裝配式建筑進(jìn)行管理，有助于其健康快速地發(fā)展。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)裝配式建筑的形式更加多樣化、研究?jī)?nèi)容更加細(xì)化。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究還局限于經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，對(duì)將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑的迫切性方面還需要從多個(gè)方面進(jìn)行闡述由于裝配式建筑處于初期發(fā)展階段，各方面標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。目前存在著建造質(zhì)量無法精確控制、工期相對(duì)于傳統(tǒng)建筑未見明顯優(yōu)勢(shì)、技術(shù)系統(tǒng)和配套制度尚不完備以及客戶接受度較低等問題。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)方法的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)研究、解決實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)和工藝問題，并提高建筑信息模型（BIM）在裝配式建筑中的應(yīng)用效果。

1.3 存在的問題

近幾年來，裝配式混凝土住宅在發(fā)展中面臨了一些問題。首先，由于裝配率要求較低，裝配式混凝土建筑的構(gòu)件種類繁多，導(dǎo)致精度不夠準(zhǔn)確。這會(huì)影響到建筑的質(zhì)量和穩(wěn)定性。套筒灌漿檢測(cè)技術(shù)在裝配式混凝土建筑中還不夠成熟，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以保證建筑的安全性。此外，裝配式混凝土建筑在施工和安裝過程中，難度較大，而且造價(jià)較高。這使得裝配式混凝土建筑的應(yīng)用受到限制。相比之下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的發(fā)展相對(duì)迅速，但同樣也面臨一些問題。外露梁柱問題是一個(gè)較突出的難題，這影響到了建筑的美觀性。由于鋼結(jié)構(gòu)的使用量較大，造成了一些資源浪費(fèi)，有些鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，缺乏統(tǒng)一規(guī)范，這給建筑的設(shè)計(jì)和施工帶來了一定的困擾。裝配式建筑的模塊化設(shè)計(jì)也存在一些問題和局限性。模塊化設(shè)計(jì)需要大量的固定資產(chǎn)投入，規(guī)模較小的企業(yè)或項(xiàng)目可能面臨資金壓力。該方法限制了設(shè)計(jì)的自由度和靈活性，建筑師無法根據(jù)個(gè)人創(chuàng)意和個(gè)性化需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，不同供應(yīng)商提供的模塊質(zhì)量和規(guī)格存在差異，可能導(dǎo)致兼容性問題。

1.4 模塊化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)

裝配式建筑的核心思想是將建筑分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過工廠預(yù)制和組裝，并運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝。這一方法采用了模塊化設(shè)計(jì)，具有提高生產(chǎn)效率、減少噪聲和污染、提高質(zhì)量和靈活性的優(yōu)點(diǎn)。在工廠中，預(yù)制模塊可以大批量生產(chǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)建造時(shí)間，加快建筑項(xiàng)目的進(jìn)度。構(gòu)件的預(yù)制可以減少施工現(xiàn)場(chǎng)的噪聲和污染問題。模塊化設(shè)計(jì)使得每個(gè)模塊都按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗(yàn)，確保質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。由于建筑結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，可以根據(jù)客戶需求和環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整，增加靈活性。裝配式建筑能提高建筑效率、降低成本、提高質(zhì)量、保障人員安全，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)踐案例分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際案例進(jìn)行分析，顯示了基于裝配式建筑的模塊化設(shè)計(jì)方法在實(shí)踐中的應(yīng)用效果，為裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)提供參考。

重慶仙桃數(shù)據(jù)谷的大數(shù)據(jù)展示館采用了模塊化箱體加鋼結(jié)構(gòu)框架的搭建方式，整個(gè)建筑面積約1 500m2，內(nèi)部主要用于展示國(guó)家網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該項(xiàng)目在40d內(nèi)完成，建筑充分利用了場(chǎng)地條件，設(shè)計(jì)師決定以模塊箱體直接構(gòu)成三面的界面，最大程度地凸顯了建筑的現(xiàn)代感。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)被嵌入到模塊箱體中，不僅使建筑更加堅(jiān)固穩(wěn)定，也增強(qiáng)了建筑的美觀性。通過鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，整體的屋面搭設(shè)在三面的箱體上，形成了一個(gè)完整的挑空空間。此外，混合結(jié)構(gòu)的運(yùn)用不僅豐富了建筑的空間形態(tài)，還為其后續(xù)的使用提供了更多可能性。

雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時(shí)辦公區(qū)的設(shè)計(jì)采用了集成化模塊體系、工廠化加工方式和拼裝式施工模式的建造體系。整組建筑均由12m×4m×3.6m的模塊組成，通過將建筑分為小模塊，實(shí)現(xiàn)了工廠化加工和快速拼裝，保證了建筑質(zhì)量和施工效率。設(shè)計(jì)師以十字式平面布局為基礎(chǔ)，使建筑在功能和形式上與自然環(huán)境融合，并具備可再利用和可擴(kuò)展性。這種模塊化設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了建筑行業(yè)的現(xiàn)代化和高效化發(fā)展趨勢(shì)，將為其他建筑項(xiàng)目提供借鑒和發(fā)展的方向。

3 適用于國(guó)內(nèi)實(shí)際情況的模塊化設(shè)計(jì)方法

裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)考慮建筑的建造方式，以避免忽視具體的施工細(xì)節(jié)。工廠預(yù)制化生產(chǎn)的模塊單元在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方面具有優(yōu)勢(shì)，可提高建筑質(zhì)量和施工效率。雖然國(guó)內(nèi)裝配式建筑模塊化設(shè)計(jì)以鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊為主，空間形態(tài)相對(duì)不夠靈活，但是通過模塊之間的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同功能和空間需求的靈活布局，從而彌補(bǔ)了空間形態(tài)的不足。本節(jié)在前文基礎(chǔ)上，提出了一套適用于中國(guó)實(shí)際情況的模塊化設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)說明和解釋。

3.1 細(xì)化結(jié)構(gòu)體系

目前國(guó)內(nèi)的裝配式建筑以鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為主要形式，適用于高層住宅和各種保障性住房項(xiàng)目，政府批量建設(shè)的公租房和廉租房等項(xiàng)目通常采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)抗震設(shè)防要求，多層建筑和高層建筑有不同的處理方式。多層建筑可以考慮全裝配式建筑，而高層建筑適合半裝配式建筑。在具體的建筑設(shè)計(jì)中，可以采用多種建筑技術(shù)和材料來構(gòu)建建筑物。外墻可以選擇使用“三合一”預(yù)制外墻板，這種墻板集結(jié)構(gòu)、保溫和裝飾于一體，能夠提高施工效率和建筑的整體性能。內(nèi)剪力墻可以采用現(xiàn)澆混凝土大模板施工，這種施工方式可以減少構(gòu)件的連接點(diǎn)，提高建筑的穩(wěn)定性和承載能力。內(nèi)隔斷墻可以采用輕質(zhì)混凝土條板，這種墻體材料重量輕、保溫性能好，能夠滿足內(nèi)部空間的隔離和隔聲需求。而樓板方面，可以采用預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合的疊合樓板。這種樓板結(jié)構(gòu)既能夠減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，又能夠保證樓板的強(qiáng)度和使用壽命。對(duì)于一些小型構(gòu)件，可以全部采用預(yù)制裝配的方式施工，這樣可以提高工程的施工質(zhì)量和速度。在建筑高度較高的20～40層建筑中，可以使用鋼管混凝土柱作為豎向構(gòu)件。鋼管混凝土柱具有強(qiáng)大的承載能力和抗震性能，能夠滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)需求。為增強(qiáng)建筑的抗側(cè)力能力，可以采用鋼板組合剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件，即框架－鋼板組合剪力墻體系。這種結(jié)構(gòu)體系能夠有效地抵抗側(cè)向荷載的作用，提高建筑的整體穩(wěn)定性和抗震性能。通過采用這些先進(jìn)的建筑技術(shù)和材料，可以確保建筑物的結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)提高施工效率和建筑質(zhì)量。在超高層建筑中，也可以采用鋼板組合剪力墻體系，但要避免墻長(zhǎng)過長(zhǎng)的問題。為了充分發(fā)揮鋼板組合剪力墻體系的剛度優(yōu)勢(shì)，可以將墻體模塊化和單元化。在高烈度地震條件下，鋼板組合剪力墻體系能夠顯著提高建筑的整體抗震性能。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化及模數(shù)化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)建筑裝配化過程，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化是至關(guān)重要的。標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化應(yīng)該用于所有構(gòu)件，包括外墻三合一預(yù)制墻板，為應(yīng)對(duì)不同的工程需求，設(shè)計(jì)人員可以選擇這些標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件并靈活組合。衛(wèi)生間和廚房等區(qū)域的具體規(guī)格也應(yīng)當(dāng)明確，并在建筑設(shè)計(jì)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。包括確定各種尺寸和布局的標(biāo)準(zhǔn)配置，例如衛(wèi)生間的面積、設(shè)備與家具的布局等。同樣，建筑設(shè)計(jì)中的柱網(wǎng)、開間和層高等方面也應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以確保建筑的結(jié)構(gòu)和布局在不同項(xiàng)目中具備一致性。最好能夠?qū)崿F(xiàn)在全國(guó)范圍。在推廣預(yù)制裝配式建筑時(shí)，應(yīng)優(yōu)先在住宅工程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。特別是在“保障房”“廉租房”等住宅工程中應(yīng)該進(jìn)行大規(guī)模的推廣。在住宅工程中，可以采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，并利用外墻“三合一”預(yù)制構(gòu)件和內(nèi)墻現(xiàn)澆大模板結(jié)構(gòu)，或者選擇全裝配方案來進(jìn)行建造。而在大型公共建筑項(xiàng)目，如辦公大樓、學(xué)校、醫(yī)院和商場(chǎng)等，則通常采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。在這些項(xiàng)目中，可以逐步推行裝配化工藝，例如使用外墻掛板、內(nèi)非承重隔墻以及預(yù)制疊合樓板等等。對(duì)于大型房地產(chǎn)企業(yè)來說，他們應(yīng)該扮演領(lǐng)導(dǎo)者的角色，推動(dòng)預(yù)制裝配化施工的進(jìn)程，在設(shè)計(jì)、施工和工廠加工制造等方面實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。建議與工廠、專業(yè)公司和建材行業(yè)等企業(yè)建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，以大幅提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，并更好地推動(dòng)建筑工業(yè)化和預(yù)制裝配化的進(jìn)程。推廣鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也非常必要，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的所有主要構(gòu)件都是在工廠中進(jìn)行預(yù)制加工，并具有輕重量和易于安裝的優(yōu)點(diǎn)，如果能夠降低鋼結(jié)構(gòu)的成本，鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)適當(dāng)降低。降低預(yù)制裝配化工程造價(jià)是實(shí)現(xiàn)工程推廣裝配式建筑的關(guān)鍵，建議在住宅區(qū)等條件允許的情況下，采取在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)件加工制作的方式，并且可以在現(xiàn)場(chǎng)建立小型流動(dòng)構(gòu)件加工廠。需要改善鋼構(gòu)件連接技術(shù)，減輕焊接工人的作業(yè)負(fù)擔(dān)，并盡量避免構(gòu)件生產(chǎn)工廠不屬于總承包單位所帶來的額外費(fèi)用。因此，建議建筑企業(yè)在加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)，加強(qiáng)與工廠等企業(yè)的合作，以形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從而應(yīng)對(duì)造價(jià)的問題，進(jìn)一步促進(jìn)預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展。

3.3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑信息在各專業(yè)間的協(xié)同共享，并通過建立統(tǒng)一的信息模型來實(shí)現(xiàn)信息交流和協(xié)同工作。它能整合不同專業(yè)的設(shè)計(jì)信息，形成完整的建筑信息模型，并在運(yùn)營(yíng)階段與設(shè)備管理進(jìn)行關(guān)聯(lián)。BIM技術(shù)還能通過模擬和評(píng)估整體效果，提升建筑項(xiàng)目的質(zhì)量和可視化程度。結(jié)合全生命周期理念和模塊化設(shè)計(jì)思維，BIM可以精確管理工程各模塊的信息。協(xié)同設(shè)計(jì)模式能有效解決模塊化設(shè)計(jì)中的溝通協(xié)調(diào)問題，提高裝配式構(gòu)件與建筑工程的適配性，降低生產(chǎn)成本。通過建立基于BIM技術(shù)的模塊單元數(shù)據(jù)庫，可以解決傳統(tǒng)裝配式建筑設(shè)計(jì)中缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問題，提高標(biāo)準(zhǔn)性和量化管理水平，推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展。

4 結(jié)論

為滿足建筑業(yè)快速發(fā)展的需求，本文基于裝配式建筑的模塊化設(shè)計(jì)方法，提出了適用于不同結(jié)構(gòu)體系、考慮生產(chǎn)施工協(xié)調(diào)一體化和利用BIM技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)方法，結(jié)論如下：

（1）多層建筑可以考慮全裝配式建筑，而高層建筑適合半裝配式建筑，即可以使用鋼管混凝土柱作為豎向構(gòu)件。

（2）在推廣預(yù)制裝配式建筑時(shí)，應(yīng)優(yōu)先在“保障房”“廉租房”等住宅工程中應(yīng)該進(jìn)行大規(guī)模的推廣，而在大型公共建筑項(xiàng)目可以逐步推行裝配化工藝，在設(shè)計(jì)、施工和工廠加工制造等方面實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。

（3）推廣鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，建議在住宅區(qū)等條件允許的情況下，采取在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)件加工制作的方式，并盡量避免構(gòu)件生產(chǎn)工廠不屬于總承包單位所帶來的額外費(fèi)用。建筑企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與工廠等企業(yè)的合作，以應(yīng)對(duì)造價(jià)的問題，進(jìn)一步促進(jìn)預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展。

（4）利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑信息在各專業(yè)間的協(xié)同共享，形成完整的建筑信息模型，并在運(yùn)營(yíng)階段與設(shè)備管理進(jìn)行關(guān)聯(lián)。