不同結構形式的裝配式住宅建筑設計與經濟性研究

夏祥宇 魏宗敏 王桂文

隨著國家對裝配式建筑的持續推進和規范，裝配式建筑所占比例逐年提高，加快對裝配式建筑的研究與應用已勢在必行。住宅產業化是綠色建筑的有力推手，它將住宅規劃、設計、部品部件生產、施工、管理和服務等環節聯結為一個完整的體系，一方面帶動了新技術、新工藝、新材料的應用，另一方面大大提升了建筑品質和科技含量，同時也帶動了上下游產業。

因成本高于現澆砼結構住宅，裝配式結構住宅的發展受到了一定阻力。在滿足產業化率和裝配率要求的前提下，如何通過合理的設計使住宅建筑更低碳環保、成本更優、空間更舒適是建筑設計人員需要考慮的事情。

本研究結合實際項目進行裝配式建筑設計，并通過對三種常見裝配式結構形式的設計及造價分析，歸納總結出建議及改進方向，對同類項目設計具有一定借鑒意義。因我國地域遼闊，建筑材料類別及造價具有較大差異性，故應結合項目所在地實際情況具體問題具體分析。

一、施工圖設計

選取濟南市南北康A-1地塊項目1號住宅樓進行設計，單體平面為兩梯四戶中間帶連廊的平面，戶型面積分別為94㎡和140㎡。根據山東省裝配式建筑評價標準要求，裝配率不應低于50%，設計時間為2020年4月。

1. 建筑設計

該項目1 號樓地上二十六層，地上建筑面積12129.55㎡，層高2.9m，建筑高度76m，建筑防火等級為一級，抗震設防類別為丙類，結構合理使用年限為50年。

（1）交付標準：公區精裝修，戶內全裝修。

（2）建筑節能設計：本建筑體積34918.78m3，外表面積11668.88㎡，建筑物體型系數為0.33；窗墻比：南向為0.32，北向為0.21，東西向均為0.06。外窗選用隔熱斷橋鋁合金中空玻璃窗，傳熱系數為1.80，氣密性7級。屋面保溫材料為90厚擠塑板，裝配式剪力墻方案中外墻保溫采用保溫結構一體化體系及自保溫砌塊，另外兩種方案中外墻保溫采用ALC自保溫墻板及保溫結構一體化體系。本次節能設計均采用山東鋼鐵集團房地產有限公司（以下簡稱山鋼地產）住宅項目常用節能做法并滿足山東省住宅建筑節能設計相關要求。

2. 結構設計

濟南地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第三組，場地類別按Ⅱ類考慮，抗震設防類別為標準設防。裝配式剪力墻結構抗震等級為三級，裝配式鋼結構抗震等級為二級，裝配式剪力墻土+鋼結構抗震等級為二級。基本風壓0.45kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

建筑結構布置較為規則，共采用了三種裝配式結構形式，均滿足山東省裝配式建筑評價要求的最低要求（50分）（詳見表1）。第一種為裝配式剪力墻結構，其中豎向承重內墻、樓板、樓梯采用預制，其余采用現澆；第二種為裝配式鋼結構，主要豎向構件為矩形鋼管（內充混凝土），水平構件為H型鋼梁，樓板為鋼筋桁架樓承板；第三種為裝配式剪力墻+鋼結構混合結構，受建筑布置影響，交通核在北側，東西區域采用鋼筋混凝土剪力墻，中部區域為鋼框架。

表1 裝配式建筑評價表

二、經濟技術指標測算分析

1. 各方案經濟技術指標測算

根據南北康項目A-1地塊1號住宅樓的三種裝配式結構設計方案，分別編制三種結構的算量圖形，主要計算主體結構工程量，裝飾工程和安裝工程未納入計算范圍。采用廣聯達BIM土建計量平臺GTJ2021建立結構模型，采用16系平法規則，參照房屋建筑與裝飾工程計量規范計算規則（2013-山東）計算工程量。

計價采用廣聯達計價軟件GBQ4.0版本，運用廣聯達計價軟件編制工程量清單，參照《山東省建筑工程消耗量定額2016》及《山東省安裝工程消耗量定額2016》，人工工日按70元/工日，鋼筋價格3790～4050元/t，混凝土價格480～500元/m3，砂漿480元/m3，裝配式預制構件3300～3600元/m3，其余價格參考當期市場價格確定。根據計價結果匯總三種結構形式經濟技術指標表，參見表2。

表2 各結構形式指標對比表

2. 方案經濟技術指標對比分析

在平面相同且滿足單體裝配率最低要求的情況下，裝配式剪力墻方案造價最低，裝配式鋼結構方案最高；裝配式剪力墻方案比裝配式鋼結構方案造價低307.3元/㎡，其中豎向支撐低225.78元/㎡，橫向支撐低263.67元/㎡，橫向板低18.37元/㎡，樓梯低15.62元/㎡，保溫低28.78 元/㎡，砌體低23.24元/㎡，措施低87.00元/㎡。鋼結構的承重構件采用鋼梁、鋼柱和支撐，用鋼量遠高于混凝土結構，這是鋼結構造價高的主要原因。

三、裝配式結構建筑設計優化改進措施

根據經濟技術指標分析及裝配式評分表，影響成本的因素主要集中在主體結構部分，可以有針對性地降低主體結構構件比例。無論是哪一種裝配式結構，均可通過增加非承重墻、內隔墻、干法施工、集成衛生間、管線分離、標準化設計等措施來增加相應分值，從而降低主體結構分值，達到降低成本的目的。裝配式建筑深化研究內容和設計階段需要把控的重點內容如下：

1. 裝配式建筑深化研究方向

（1）因圖紙中裝飾裝修、安裝工程未能完善，后續需要根據深化設計進一步完善測算分析，明確裝飾裝修、安裝工程在不同結構形式中的造價偏差。

（2）本次只考慮滿足最低裝配率要求情況下的造價分析，后續可測算裝配率的進一步提高對造價的影響。

（3）需進一步研發適合市場銷售的裝配式住宅戶型。

2. 裝配式建筑設計階段需要把控的重點內容

（1）方案設計階段

①近年來，各地紛紛出臺關于裝配式建筑的獎勵政策，如濟南市2020年出臺的《濟南市裝配式建筑預制外墻建筑面積不計入容積率激勵政策實施細則》中第二條規定“在我市范圍內新建符合國家或山東省《裝配式建筑評價標準》評價等要求的裝配式建筑項目，采用裝配式外墻技術產品，其預制外墻建筑面積不超過規劃總建筑面積3%的部分，不計入建筑容積率。”建設單位應在項目設計前期與政府相關部門就土地規劃條件及裝配式建筑獎勵政策進行深入溝通，在方案階段明確裝配式建筑設計實施范圍，進而判斷結構體系、概念方案設計的合理性，才能達到降低成本的目的。

②項目定位階段應減少戶型種類，同一面積段的戶型設計應盡量一致，形成標準戶型、標準交通核等。如戶型差異不可避免，不同戶型之間的衛生間、廚房、臥室等相同功能空間的開間應盡量保持一致，可有利于減少外墻板尺寸差異性。標準戶型、標準開間可最大限度地滿足預制構件標準化加工要求并降低成本；方案設計過程中應避免出現寬度小于等于200mm的內外墻墻垛，如確實需要可考慮做成現澆結構。

③明確裝配式建筑的裝配率要求后，應結合項目定位先選擇合理的裝配式建筑結構體系再確定技術方案，明確計算、評價單元和評價項。確定裝配式建筑結構體系、技術方案后，應反向調整建筑平面、立面、剖面設計，確定住宅建筑方案。如采用裝配式鋼結構，需考慮在確定結構體系下豎向抗側力柱構件采用何種形式，若采用方鋼管混凝土柱，應充分考慮鋼管柱凸出墻面的問題，結合具體的戶型設計可采用柱偏置和長扁柱或利用裝修將此問題消除；若采用方鋼管混凝土組合異形柱，應提前與廠家對接異形柱加工方式問題，也應充分考慮異形柱與保溫層可靠連接的問題。

（2）裝配式結構施工圖設計階段

圖紙為滿足構件深化設計的要求，建議建立典型戶型的各系統綜合的三維模型。設計成果應包含：產業化專項內容：明確裝配率或預制率指標，涵蓋所有結構、建筑的產業化節點，明確各類接縫做法等。以裝配式混凝土結構為例，設計成果主要有：

①PC結構施工設計總說明及 PC構件工程量統計清單。

②預制構件平面分布圖—圖紙中應區分現澆結構及預制結構，繪出預制結構構件的位置及定位尺寸；繪出預制結構構件型號或編號及詳圖索引號；標注較大構件的尺寸、重量及吊裝距離最遠的構件。

③預制構件立面分布圖應包含─整棟建筑立面上的預制構件與現澆砼的范圍及預制構件的名稱。

④預制構件剖面圖應表達建筑的預制構件墻身詳圖及節點詳圖索引。

⑤預制構件公共詳圖應包括水平和豎向縫連接詳圖、夾心保溫排水管設置詳圖、預制剪力墻水平和豎向連接詳圖、預制梯段板端部連接詳圖、夾心保溫內外頁板連接詳圖、預制墻施工用斜撐詳圖、預制外墻調標高詳圖、PC與現澆陰角模板施工詳圖、雙向疊合板整體式接縫構造圖等。

⑥預制構件索引節點詳圖應包括凸窗與疊合梁的連接詳圖、PC墻的豎向和水平連接、陽臺板與疊合梁的連接詳圖、轉換層與PC構件的連接詳圖、陽臺隔墻上下連接詳圖等。

⑦PC計算書應包括預制率計算、預制夾心保溫外墻面積計算、剪力墻水平接縫計算、預制構件正常使用階段錨固驗算、預制構件脫模和吊裝階段計算等。

3. 裝配式構件深化設計及加工階段

建設單位可引入BIM設計進行輔助。建設單位、施工單位、施工圖設計單位、裝配式構件廠家、BIM設計單位應共同參與，從不同的角度去審視裝配式構件深化設計的合理性。如施工單位應充分考慮施工機具放置位置對裝配式墻板的影響，外墻腳手架的懸挑樓層處的裝配式外墻板應在設計階段預留出相應的孔洞，避免因后期開洞對墻板造成破壞而增加不必要的成本。

四、結語

對于住宅建筑來說，裝配式混凝土結構、裝配式鋼結構、裝配式混-鋼混合結構都是比較成熟的結構體系。本文的研究分析，將有助于建筑師、結構師和造價師更加明確這三種筑結構體系經濟性差異點所在，讓他們在今后的住宅設計及成本管控中更具有主導權。希望更多的建筑師可以設計出實用、經濟、綠色的住宅建筑，為我國低碳發展做出貢獻，為建設單位降低開發成本并為老百姓設計出更加舒適的居住空間。