武 琳 李忠秋

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.吉林澤信房地產(chǎn)有限公司，吉林 吉林 132000）

中國建筑業(yè)已經(jīng)進(jìn)入綠色化、工業(yè)化、信息化發(fā)展的關(guān)鍵時期，裝配式建筑是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要途徑之一，可以有效促進(jìn)節(jié)能減排、全面提升建筑品質(zhì)、縮短工期、提高建筑工業(yè)化水平。相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式建筑在設(shè)計、施工、裝修、驗收和管理層面均具有很大優(yōu)勢。一體化、信息化協(xié)同設(shè)計保證了工程質(zhì)量；工程總承包管理，可以使全過程追求整體效益最大化；裝配化、專業(yè)化、精細(xì)化程度高，裝修與主體結(jié)構(gòu)同步的特點又保證了工程效率。

裝配式建筑具有五大特征，分別是標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化、一體化和信息化，其中，標(biāo)準(zhǔn)化是其他幾個特征的基礎(chǔ)和核心。在裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的研究上，我國還處于起步階段，目前還沒有關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，雖然國內(nèi)的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)和結(jié)構(gòu)體系已出現(xiàn)很多，但是裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化概念仍然不強，一些工程項目為了預(yù)制而預(yù)制，反而造成大量資源的浪費和成本的增加。為了提高建造效率、降低生產(chǎn)難度、減少生產(chǎn)成本，提高建筑產(chǎn)品質(zhì)量，建筑工業(yè)化必須遵循標(biāo)準(zhǔn)化的原則，逐漸實現(xiàn)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化和建筑體系標(biāo)準(zhǔn)化，是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的趨勢。

1 裝配式建筑體系在多層住宅中應(yīng)用的可行性

1.1 不同結(jié)構(gòu)體系在多層住宅中的應(yīng)用分析

按承重結(jié)構(gòu)所用的材料劃分，現(xiàn)有多層住宅常用的結(jié)構(gòu)體系包括磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。在磚混結(jié)構(gòu)中，由于墻體既是承重構(gòu)件又是圍護(hù)構(gòu)件，住宅的戶型和布局受到墻體的限制，室內(nèi)空間不夠靈活，無法滿足購房者的多樣化需求，因此逐漸被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所取代。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比磚混結(jié)構(gòu)強度高，抗震性能好，整體性強，并且室內(nèi)空間分隔相對自由，開間和進(jìn)深相對較大，是目前常用的多層住宅結(jié)構(gòu)體系。

隨著城市化進(jìn)程的加速以及人們生活水平的提高，越來越多的購房者偏愛大開間的客廳布局，對住宅戶型的功能性提出了更高的要求。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)相比，雖然有著很大的優(yōu)勢，但受到材料性質(zhì)的影響，大開間、大進(jìn)深的房屋勢必要增大柱子的截面面積、梁的高度和板的厚度，使得結(jié)構(gòu)面積占用了室內(nèi)使用空間。梁柱外露又影響了室內(nèi)的美觀，加大了后期改造的難度。因此，大跨度、便于后期戶型改造、減少梁柱節(jié)點外露是目前亟須解決的問題。

鋼結(jié)構(gòu)是彌補鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不足的較為有利的解決方案。目前，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大型廠房、場館和超高層建筑中，在多層住宅中應(yīng)用較少，究其原因主要有兩個方面：其一是與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，造價相對較高；其二是受到制作以及安裝的影響，鋼結(jié)構(gòu)住宅質(zhì)量問題時有發(fā)生，且技術(shù)體系沒有前兩者成熟，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在住宅應(yīng)用比例偏低。

近幾年，隨著中國經(jīng)濟(jì)逐步向高質(zhì)量發(fā)展，中國鋼材需求處于減少和調(diào)整階段。與此同時，供給側(cè)仍在不斷增加，導(dǎo)致出現(xiàn)鋼產(chǎn)能過剩的局面，建筑業(yè)作為鋼材的需求大戶，在鋼材內(nèi)銷方面有著重要的調(diào)節(jié)作用。推動多層鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展，一方面可以推動鋼鐵工業(yè)發(fā)展，另一方面有助于鋼結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)?；a(chǎn)，構(gòu)建完善的技術(shù)體系，減少生產(chǎn)成本，兩者相輔相成，對建筑業(yè)和鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展均有重大意義。

鋼框架結(jié)構(gòu)體系常用在多層住宅中，該體系中梁柱為承重構(gòu)件，其截面尺寸小，節(jié)省結(jié)構(gòu)面積，增加建筑物使用面積達(dá)4%～8%，而墻體主要承擔(dān)圍護(hù)及分隔作用，室內(nèi)空間靈活性較大，經(jīng)濟(jì)效益較高。此外，鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能好，整體性高，自重輕，與同面積的建筑樓層相比，重量可減輕30%。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)體系中的一個分支，由于施工方法的改變，使其應(yīng)用在住宅建筑中的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。首先，與裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的部品部件運輸便捷，采用干式連接工藝使安裝工作量減少，提高施工效率，縮短工期，提高資金周轉(zhuǎn)率，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；其次，裝配式鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制精度高，管線布置方便——鋼梁允許小口徑孔洞，便于電氣管線穿越，從而增加建筑凈高；再者，由于鋼材本身的特性，便于后期改造、材料拆除和回收，在拆除的過程中成本低，污染小。綜上所述，裝配式鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多層住宅建筑中有著明顯的優(yōu)勢和可行性。

1.2 現(xiàn)有裝配式多層住宅設(shè)計中存在的問題

受傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的影響，裝配式多層住宅一直存在實用性、美觀性和裝配化之間的矛盾，主要表現(xiàn)為以下三點：

（1）住宅體型復(fù)雜，未有效利用模數(shù)化理念，生產(chǎn)效率低。由于生活習(xí)慣、采光通風(fēng)和建筑個性化的要求，建筑設(shè)計師通常會采用墻體錯位變化、角度轉(zhuǎn)折等處理手法，由此產(chǎn)生了不規(guī)則的平面形式，導(dǎo)致施工難度加大，構(gòu)件規(guī)格種類較多，通用性降低，不利于鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型的施工，增加建造成本。

（2）過度考慮模塊化設(shè)計，戶型缺少靈活性，同時減少了空間的實用性，造成室內(nèi)空間利用率降低，個性化不足，不滿足人們對住宅建筑的需求。

（3）以傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑體系的思路進(jìn)行設(shè)計，未結(jié)合裝配式自身特點，為了裝配而裝配，使設(shè)計與生產(chǎn)、施工嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致在拆分設(shè)計中出現(xiàn)困難，增加生產(chǎn)成本和施工難度，違背了建筑工業(yè)化的初衷。

要解決以上問題，就要構(gòu)建裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計體系，嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思路和設(shè)計方法，在實踐中不斷地更新和完善具體的實施路徑。

2 多層裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法即是采用標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件組合成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，進(jìn)而組合成標(biāo)準(zhǔn)化的戶型。雖然在此過程中使用的是標(biāo)準(zhǔn)化的處理方法，但通過不同的組合形式能夠得到多樣化的建筑產(chǎn)品。在設(shè)計過程中，首先將建筑整體劃分為若干層，根據(jù)不同的使用功能將每一層劃分為不同規(guī)格尺寸的模塊，再將每一種模塊分解成不同類型和尺寸的構(gòu)件，最后將構(gòu)件按照戶型、單元、層的邏輯順序組合起來，最終形成整棟建筑。需要注意的是，在層層劃分的過程中要注重規(guī)格和類型盡量縮小，保證構(gòu)件的通用性，實現(xiàn)效益的最大化。

利用BIM技術(shù)可以很好地解決裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計問題，基于BIM的裝配式建筑設(shè)計方法能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)通用的構(gòu)件統(tǒng)一在一起，形成預(yù)制構(gòu)件庫，在下次設(shè)計時可以直接套用構(gòu)件庫里的信息，減少了設(shè)計成本和時間成本。此外，成熟的BIM建模技術(shù)可以直觀地反映出模塊的組合效果，戶型的實用性，為施工提供參考。

2.2 模塊化設(shè)計

模數(shù)和模數(shù)協(xié)調(diào)是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)，聯(lián)系著設(shè)計、施工、運輸、安裝、運營等各個環(huán)節(jié)，使不同流水線批量生產(chǎn)出來的構(gòu)件和部品能夠有效組合在一起，避免交叉和碰撞。設(shè)計階段合理布局，應(yīng)用建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效減少部件規(guī)格和種類。

2.2.1 功能模塊設(shè)計

根據(jù)走訪調(diào)查采集的數(shù)據(jù)顯示，住宅中不同功能房間的尺度基本滿足3M的模數(shù)（1M=100mm）。客廳作為家人休息和會客的場所，占據(jù)較好的位置，隨著人們生活習(xí)慣的改變以及對住房更高層次的需求，客廳還兼顧了書房、娛樂等其他功能，使得開間、進(jìn)深在近幾年的設(shè)計中有擴(kuò)大的趨勢。同時，敞開式廚房成了廚房設(shè)計的主流，與餐廳、客廳融為一體，增加了住宅的進(jìn)深尺寸。對于廚房的設(shè)計，也不僅僅局限于傳統(tǒng)的中廚，西廚的加入豐富了廚房的功能，對空間的需求也更高。

臥室的面積在近幾年的住宅設(shè)計中有減少的趨勢，小戶型和緊湊型布局使得臥室在整個套內(nèi)面積中所占比例較少。究其原因，一方面是擴(kuò)大客廳面積帶來的后果，另一方面是傳統(tǒng)設(shè)計理念的影響。隨著科技的進(jìn)步，智能家居逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞?，融入住宅設(shè)計中，在房間的尺度方面，要充分考慮智能產(chǎn)品的使用空間，滿足人們多樣化的需求。

結(jié)合上述調(diào)查數(shù)據(jù)以及人們對房間功能上的需求，依據(jù)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)理念，統(tǒng)一相關(guān)尺寸，設(shè)計臥室、廚房、客廳、餐廳、衛(wèi)生間、陽臺和樓梯等功能模塊。

2.2.2 模塊化組合——戶型設(shè)計

隨著城市化進(jìn)程的加快，一、二線城市更好的就業(yè)機(jī)會吸引了大批的年輕人，而居高不下的房價一直是擺在購房者面前的難題，橫在城市和家之間。據(jù)調(diào)查顯示，2020年北京首次購房年齡為35.5歲，上海為36.7歲，天津為37.5歲，購房難的問題使新入人口的租房周期達(dá)到了10年以上。2020年，杭州、上海等地出現(xiàn)長租公寓暴雷事件使租房問題再次高調(diào)地呈現(xiàn)在大眾的視野中，想要解決這一問題，緊湊型公寓和公租類保障性住房是有效途徑之一。

在進(jìn)行戶型設(shè)計時，要充分考慮購房者的需求以及未來的人口趨勢。多層住宅的平面類型有獨立單元式和通廊式，通廊式又包含內(nèi)廊式和外廊式。獨立單元式有利于通風(fēng)、采光，且平面布置靈活，體形美觀，是多層住宅中常用的布置方案。內(nèi)廊式的特點是各個套型住宅的入戶門均朝向建筑中部，與走道、公共樓梯相連，各戶之間干擾大，部分套型朝向較差。外廊式的特點是建筑物的外墻一側(cè)是公共走廊，通過走廊進(jìn)入各個房間，雖然各套型之間略有干擾，但每套均可占用建筑物的全部進(jìn)深，從而獲得較好的朝向和采光，此外公共走廊也可作為活動場所加以利用。本設(shè)計中采用外廊式布局進(jìn)行公寓設(shè)計，如圖1所示。

圖1 模塊拼接與戶型設(shè)計

2.2.3 構(gòu)件拆分規(guī)劃，建立預(yù)制構(gòu)件庫

從結(jié)構(gòu)受力的合理性和經(jīng)濟(jì)性分析，鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)以6m～9m為宜。通常鋼結(jié)構(gòu)中梁的高跨比為1：15～1：20，隨著跨度的增大，梁的高度也隨之增大，為了滿足開窗及使用要求，結(jié)合各使用空間的開間和進(jìn)深尺寸，按照建筑模數(shù)協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，選取6M為柱網(wǎng)的基本模數(shù)，以此進(jìn)行部件設(shè)計，建立預(yù)制構(gòu)件庫，包括預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板、疊合樓板、整體衛(wèi)浴等，如圖2所示。

圖2 整體衛(wèi)浴

3 多層裝配式建筑節(jié)能降耗路徑分析

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年中國建筑能源消費總量為8.99億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費總量的20.6%；建筑碳排放總量為19.6億噸CO2，占全國能源碳排放總量的19.4%。而2018年全國建筑能耗總量達(dá)到21.47億噸，占全國能源消費總量比重為46.5%；建筑碳排放總量為49.3億噸CO2，占全國碳排放的比重為51.3%。為盡早實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，建筑節(jié)能是首要解決的問題之一。

建筑外墻是建筑節(jié)能設(shè)計的重要組成部分。目前，裝配式結(jié)構(gòu)中外圍護(hù)墻體有兩種形式，一種是混凝土剪力墻外墻，用于裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中；另一種為外掛墻板，用于框架結(jié)構(gòu)中，只起圍護(hù)作用。兩種墻體在構(gòu)造中均嵌入了保溫材料，形成了自保溫墻體。在實際應(yīng)用中，兩種墻體都表現(xiàn)出一定的節(jié)能問題。

在鋼框架結(jié)構(gòu)體系中，除墻體外，其他構(gòu)件均為鋼梁和鋼柱，墻體和梁柱間存在很大的熱橋，在使用過程中容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。通常做法是在外墻進(jìn)行外保溫處理，但此種處理方式增加了墻體厚度，在套內(nèi)面積的約束下，使得實際使用面積減少。而在裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中，相鄰預(yù)制構(gòu)件之間往往采用后澆混凝土進(jìn)行濕式連接，雖然外葉墻體能夠達(dá)到良好的保溫效果，但接縫處仍然沒有完全阻斷熱橋。

裝配式建筑是建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在，而節(jié)能降耗又是裝配式建筑發(fā)展的目標(biāo)之一。在裝配式建筑節(jié)能方面，首先應(yīng)發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，用政策引導(dǎo)制定裝配式建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，完善技術(shù)體系；其次發(fā)揮市場作用，重視節(jié)能設(shè)計方法和設(shè)計理念，形成建筑節(jié)能的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，從設(shè)計出發(fā)，落實到生產(chǎn)、施工、后期運營的各個環(huán)節(jié)；最后，技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵所在，高校、設(shè)計單位和企業(yè)應(yīng)充分聯(lián)動，發(fā)揮各自優(yōu)勢，攻堅克難著力解決裝配式建筑節(jié)能問題。