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五位一體管理模式下的裝配式建筑優(yōu)化設(shè)計

2021-05-14 03:40:24王一波劉東海
建筑施工 2021年1期
關(guān)鍵詞:預(yù)制構(gòu)件裝配式構(gòu)件

王一波 劉東海 何 亮 董 震

1. 杭州錢江新城投資集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310016;

2. 綠城樂居建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310007;

3. 中建科技集團(tuán)有限公司華東分公司 上海 201109

相對于傳統(tǒng)建筑,裝配式建筑建造需要經(jīng)過設(shè)計、采購、構(gòu)件生產(chǎn)、吊裝施工等多個環(huán)節(jié),這就需要運用一套科學(xué)合理的管理模式來進(jìn)行管理。EPC工程總承包管理模式是近年來使用較多的項目管理模式,具有一定的先進(jìn)性,這種管理模式有利于實現(xiàn)工程建造組織化、系統(tǒng)化,有利于實現(xiàn)技術(shù)集成應(yīng)用和創(chuàng)新,在推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展上具有先天的優(yōu)勢[1-3]。雖然裝配式建筑的設(shè)計、生產(chǎn)、施工等的發(fā)展特點與EPC模式具有極強的融合性,但預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、吊裝環(huán)節(jié)卻制約著項目工程的管理效率,而且傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計流程也制約了創(chuàng)新技術(shù)的研究與應(yīng)用,具體體現(xiàn)在組織結(jié)構(gòu)、施工進(jìn)度控制、成本控制等諸多方面。針對這些弊端,新的裝配式建筑一體化發(fā)展模式(“科研+設(shè)計+制造+采購+施工”工程總承包管理模式,下稱“五位一體模式”)應(yīng)運而生。

1 五位一體模式介紹

傳統(tǒng)的EPC模式是工程總承包,即設(shè)計(engineering)、采購(procurement)、施工(construction),指從事EPC工程總承包的企業(yè)按照與建設(shè)單位簽訂的合同,對工程項目的設(shè)計、采購、施工等實行一體化全過程的承包,并對工程的質(zhì)量、安全、工期和造價等全面負(fù)責(zé)的承包方式[4]。

五位一體模式是指在傳統(tǒng)EPC模式的基礎(chǔ)上,增加了研發(fā)(research)和制造(manufacture)。與傳統(tǒng)EPC模式相比,五位一體模式的重點是在設(shè)計階段將建筑、結(jié)構(gòu)、機電、精裝部品部件的有機集成,與科研有機融合;在建造階段應(yīng)用智能化建造平臺將制造、采購、施工、成本、科技等有機融合,從而提高裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量、安全管理水平和整體效率、效益。五位一體工程總承包建造模式能有效解決我國在裝配式建筑發(fā)展初期,項目建造過程中還普遍存在的科研、設(shè)計、制造、采購以及工程管理相互間不能有效協(xié)同的問題。

不同于專注于某一環(huán)節(jié)的科研院所、設(shè)計院、加工廠和建筑企業(yè),五位一體服務(wù)模式將建筑作為最終產(chǎn)品,構(gòu)筑其在裝配式建筑領(lǐng)域的核心競爭力。其中設(shè)計是降低裝配式建筑成本的核心要素。裝配式建筑能否節(jié)約成本核心取決于設(shè)計環(huán)節(jié),如果只是簡單的將傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式的設(shè)計套用在裝配式建筑上,那么一般來說成本都要比傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式高。而通過適用于裝配式建筑的優(yōu)化設(shè)計,則成本可以大幅降低,甚至低于傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式。

五位一體模式以科研、設(shè)計一體化為技術(shù)支撐,以BIM技術(shù)為高效工具,以EPC管理為保障手段,切實踐行“研發(fā)、設(shè)計、采購、制造、管理”的裝配式建筑管理模式,全面提升工程質(zhì)量水平[5]。

2 裝配式住宅設(shè)計優(yōu)化

2.1 裝配式住宅優(yōu)化設(shè)計概述

從裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā),裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計存在很多不同之處,且裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏一個標(biāo)準(zhǔn)化體系,這影響了裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。因此,必須要建立一個裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計體系,使其能夠具有標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計,讓裝配式結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用更加簡便。標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計只需對結(jié)構(gòu)尺寸等功能進(jìn)行調(diào)整,即可讓模塊既符合使用者的要求,又滿足設(shè)計、制作、施工的訴求,同時對結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計完善,保證裝配式建筑結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)化設(shè)計。

2.2 優(yōu)化設(shè)計的要點及方法

在對裝配式住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之前,必須要對整個裝配式建筑結(jié)構(gòu)的特點及設(shè)計要點進(jìn)行分析[6],本文將從裝配式住宅設(shè)計方案制定、裝配式設(shè)計過程、裝配式節(jié)點設(shè)計等3個方面進(jìn)行探討。

2.2.1 裝配式設(shè)計方案制定

理論上講,任何現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)都可以做裝配式,但傳統(tǒng)設(shè)計中由于前期方案沒有考慮到預(yù)制構(gòu)件的拆分細(xì)節(jié),大多數(shù)的裝配式建筑在拆分時都會出現(xiàn)問題,比如非標(biāo)構(gòu)件占比大、施工安裝困難等。因此,需要對裝配式方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、可實施性等方面的比較,選出最優(yōu)的設(shè)計方案,并根據(jù)施工圖情況不斷改進(jìn),不斷優(yōu)化設(shè)計方案。方案的制定主要包含以下3點:

1)頂層設(shè)計。首先,必須要將裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行合理性與可行性判定,對設(shè)計中的各方面進(jìn)行綜合分析,包括戶型、分縫、軸網(wǎng)等一系列的布置等。在裝配式方案的確定上,要與其他相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行溝通協(xié)調(diào),保證實際施工的便捷性、安全性,真正提高裝配式建筑的質(zhì)量,使其達(dá)到最大程度的優(yōu)化。布置預(yù)制構(gòu)件時,不能局限于設(shè)計角度,要從全局考慮,比如有些較重的預(yù)制構(gòu)件,如未考慮現(xiàn)場塔吊位置、起吊載重,就有可能導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)出來了,運到現(xiàn)場卻不能吊裝,需要通過其他方式進(jìn)行吊裝,從而造成不必要的支出[7]。

2)標(biāo)準(zhǔn)化控制[8]。除了在前期方案設(shè)計的時候需要考慮模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化外,在深化設(shè)計階段同樣需要考慮,從而可以減少預(yù)制構(gòu)件的種類,降低模具攤銷,進(jìn)而降低構(gòu)件成本。例如在進(jìn)行疊合梁設(shè)計時,初步設(shè)計完成后基本定好了梁截面,施工圖階段確定梁配筋,在深化階段,需要精確定位調(diào)整梁縱筋的間距,盡量減少梁兩端出筋的形式及間距,以減少梁端端模的種類。

3)拆分要點。拆分要點包括:預(yù)制構(gòu)件尺寸要遵循少規(guī)格、多組合的原則,構(gòu)件節(jié)點連接要簡單巧妙;長度較大的構(gòu)件拆分時可考慮對稱居中拆開(也就是套用性要高);單構(gòu)件質(zhì)量盡量接近,一般不超過5 t,高度不宜跨越層高;一般模具周轉(zhuǎn)率在100次以上;暗柱應(yīng)現(xiàn)澆(抗震時墻體受力較大的部位,且暗柱現(xiàn)澆有利于構(gòu)件交接);凸窗應(yīng)一體化預(yù)制且重復(fù)率高;構(gòu)件拆分均以樓層劃分,不做跨層處理;減少次梁,采用建筑面層降板,減少拼縫;等等。

2.2.2 裝配式設(shè)計過程

與粗放型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計不同,裝配式建筑設(shè)計是一個集約化、精細(xì)化的過程。傳統(tǒng)的裝配式建筑設(shè)計中,只要滿足政策要求的預(yù)制率或裝配率就可以,但在五位一體模式下,特別是融入了研發(fā)和制作,就要求項目在前期方案策劃和初步設(shè)計時就進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同合作,統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)卣摺⑼獠抠Y源、業(yè)主需求、施工需求、經(jīng)濟(jì)性要求、制造要求,以及預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、安裝、施工中可能產(chǎn)生的各種問題,達(dá)到在結(jié)構(gòu)安全前提下降低成本、快速高效施工的目的。同時在初步設(shè)計調(diào)整階段還需及時更新預(yù)制率或裝配率數(shù)據(jù)以滿足項目要求。

設(shè)計流程的規(guī)范化,預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化非常重要。如果預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝復(fù)雜,標(biāo)準(zhǔn)化程度低,則無法進(jìn)行批量生產(chǎn),從而導(dǎo)致構(gòu)件生產(chǎn)成本過高,施工超出預(yù)算,影響企業(yè)利潤。如果實際項目中應(yīng)用了研發(fā)的新技術(shù),還需要整合各環(huán)節(jié)反饋的問題。新技術(shù)必須以精細(xì)化設(shè)計為原則,達(dá)到施工簡易、成本優(yōu)化的目的。必要時進(jìn)行虛擬設(shè)計(排除理想化設(shè)計)以對產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行迭代。

例如疊合板出筋及支撐問題,在預(yù)制構(gòu)件加工和施工過程中,疊合板少出筋甚至不出筋可以提高制作及安裝效率,減小模具成本,在施工過程中疊合板少支撐甚至無支撐一直是施工方追求的目標(biāo)。這就要求我們在項目進(jìn)行時充分發(fā)揮科研優(yōu)勢,目前解決此類問題的方法有飛筋、大板設(shè)計、新型預(yù)應(yīng)力鋼管桁架疊合板體系等。

2.2.3 裝配式住宅節(jié)點設(shè)計

影響裝配式住宅節(jié)點設(shè)計的因素包括主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)外維護(hù)、設(shè)備管線、內(nèi)裝等。節(jié)點的設(shè)計既要滿足結(jié)構(gòu)安全要求,同時還應(yīng)滿足加工方便、施工便捷的特點。因此,在裝配式建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計上,必須不斷優(yōu)化,降低生產(chǎn)成本。在保證建筑安全的基礎(chǔ)上,促進(jìn)建筑工業(yè)化的穩(wěn)定發(fā)展,比如衛(wèi)生間降板做法、飄窗連接節(jié)點做法、疊合板出筋問題等,通過應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對節(jié)點進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化,使設(shè)計能夠更加科學(xué)、合理。

PC構(gòu)件連接節(jié)點設(shè)計需要多方面考慮,節(jié)點過于復(fù)雜,會導(dǎo)致工廠生產(chǎn)制造成本過高、現(xiàn)場安裝施工困難等問題;節(jié)點過于簡單,則又可能難以滿足連接節(jié)點的構(gòu)造要求。這就需要設(shè)計師和各方緊密溝通,從連接的可靠性、生產(chǎn)安裝的便利性、節(jié)點實現(xiàn)的造價成本等多個方面考慮,確定最合適的節(jié)點方案。

比如前面提到的疊合板的出筋問題一直制約著工廠的模具設(shè)計及生產(chǎn)效率。為解決這一問題,采用了四邊不出筋疊合板[9],疊合板采用密拼方式,可設(shè)計為單向板或雙向板,其節(jié)點形式如圖1~圖4所示。

圖1 四邊不出筋密拼縫連接的單向疊合板示意

圖2 四邊不出筋密拼縫單向疊合板接縫示意

圖3 四邊不出筋密拼縫連接的雙向疊合板示意

圖4 四邊不出筋密拼縫雙向疊合板接縫示意

2.3 多專業(yè)協(xié)同

預(yù)制構(gòu)件作為工廠生產(chǎn)出來的工程產(chǎn)品,對設(shè)計完成度、精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑工程設(shè)計。一個構(gòu)件出廠時,其內(nèi)部的鋼筋、機電線盒、雨水管洞甚至外部裝飾都已經(jīng)在工廠全部完成,這對深化設(shè)計人員提出了更高的要求。深化設(shè)計工作早已不是深化設(shè)計人員單方面就能夠完成全部的專業(yè)工作,要想實現(xiàn)高完成度、高精準(zhǔn)度的要求,就必須要求建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修等專業(yè)在設(shè)計前期或設(shè)計過程中進(jìn)行一體化協(xié)同設(shè)計,即橫向協(xié)同設(shè)計。比如構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,又如線盒、開洞的布置,BIM技術(shù)作為一體化集成設(shè)計工具,為各專業(yè)協(xié)同設(shè)計提供了可能。

除了設(shè)計各專業(yè)之間的協(xié)同之外,在五位一體模式框架下還有設(shè)計方與施工方、設(shè)計方與構(gòu)件生產(chǎn)廠之間的協(xié)同,即縱向協(xié)同設(shè)計。設(shè)計方需要從施工現(xiàn)場和構(gòu)件生產(chǎn)廠那里了解現(xiàn)階段的一些生產(chǎn)、施工條件,然后合理地利用當(dāng)前的資源配置進(jìn)行設(shè)計。如構(gòu)件生產(chǎn)廠里現(xiàn)有的吊裝埋件為螺紋套筒,如果設(shè)計時采用吊環(huán)、吊釘作為吊裝埋件,理論上可行,但需要構(gòu)件廠重新進(jìn)行埋件招標(biāo)采購,既浪費了時間,又造成了不必要的成本支出。

3 工程應(yīng)用實例

某住宅小區(qū)采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計,建設(shè)規(guī)模為地上140 000 m3、地下60 000 m3,主要樓層控制在15~24F。戶型分為60、80、100、120 m2。

此類型住宅產(chǎn)品為目前市場上較為常見的產(chǎn)品,具有非常顯著的代表性,主要體現(xiàn)在:體量大、種類繁多;建設(shè)速度要求快;交付質(zhì)量好;節(jié)省建設(shè)成本。采用傳統(tǒng)EPC模式,基本無法滿足以上4點要求,而采用五位一體工程總承包服務(wù)模式,可從研發(fā)、設(shè)計源頭上進(jìn)行優(yōu)化:

1)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計有平面標(biāo)準(zhǔn)化、立面標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、部品部件標(biāo)準(zhǔn)化等4個方面,通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計有助于降低采購、模具成本。比如平面標(biāo)準(zhǔn)化可以采用模塊化設(shè)計實現(xiàn),模塊化應(yīng)具有迭代性、相互聯(lián)動性、模數(shù)化等特點。同時通過模塊錯落組合、裝飾線腳外掛的方式實現(xiàn)平立面造型的多樣可變性。本項目17棟單體僅采用了3種平面規(guī)格,為后續(xù)施工的部署提供了便利性。

2)類框架簡化體系。分戶墻隔離,形成主要受力剪力墻,其余必要部位增加結(jié)構(gòu)柱,從而使內(nèi)部空間自由劃分,同時采用輕質(zhì)裝配式內(nèi)裝。對內(nèi)部預(yù)制剪力墻進(jìn)行合并,增加長墻,減少預(yù)制剪力墻規(guī)格,同時也提高了預(yù)制率。另外,類框架體系還可實現(xiàn)大板體系,本項目對梁體系進(jìn)行優(yōu)化,全部采用現(xiàn)澆梁,取消次梁,設(shè)計為若干大板,為吊裝、運輸提供了便捷性。

3)研發(fā)新構(gòu)件。為實現(xiàn)同層排水,通過研發(fā)U形槽構(gòu)件達(dá)到免降板施工,簡化了施工工序,如圖5所示。

圖5 U形槽結(jié)構(gòu)同層排水

4)少規(guī)格設(shè)計。預(yù)制構(gòu)件規(guī)格種類的增加會導(dǎo)致模具成本增加,本項目17棟單體僅采用了1個飄窗形式和2個陽臺模式、2種梯段板,大大減少了預(yù)制構(gòu)件規(guī)格的種類,整個項目17棟單體的模具數(shù)為50種左右。通過優(yōu)化設(shè)計,在預(yù)制構(gòu)件每立方米成本中,模具降低370元,人工降低130元,管理費用降低60元,每立方米綜合成本降低560元。

4 結(jié)語

裝配式建筑往往與生產(chǎn)、施工等各方聯(lián)系緊密,而設(shè)計方由于相關(guān)經(jīng)驗的缺乏,導(dǎo)致裝配式建筑成本較高,施工困難。通過裝配式建筑與五位一體工程總承包管理模式的結(jié)合,可以實現(xiàn)在項目組織架構(gòu)、工期、成本管理等方面的有效控制,保證工程項目的順利進(jìn)行,實現(xiàn)項目管理的利潤目標(biāo)。

從另一個角度來看,企業(yè)為實現(xiàn)項目的利潤目標(biāo),大力推行企業(yè)的內(nèi)部建筑標(biāo)準(zhǔn)化管理。通過健全各模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、部件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),對預(yù)制裝配式建筑設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,形成統(tǒng)一而專業(yè)的施工工藝、施工方法,進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、施工的統(tǒng)一協(xié)調(diào),有效提高裝配式建筑的質(zhì)量,并節(jié)約施工成本,提高施工效率,最終促進(jìn)裝配式建筑行業(yè)的快速發(fā)展。

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