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一、“裝配式建筑”設(shè)計要點

1.建筑系統(tǒng)工程及集成設(shè)計的源起

裝配式建筑的發(fā)展在國內(nèi)外與其他先進行業(yè)比有很大差距，這是需要我們反思的。二戰(zhàn)以后建筑工業(yè)化的發(fā)展之所以遠遠落后于其他制造業(yè)，有幾個方面主要問題：

第一，受傳統(tǒng)行業(yè)劃分的影響，建筑設(shè)計、加工制造、裝配式施工各自分隔、需要統(tǒng)合；

第二，受傳統(tǒng)專業(yè)分工的影響，建筑、結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備、裝飾裝修各自發(fā)展，缺乏協(xié)同；

第三，受傳統(tǒng)建設(shè)方式的影響，手工粗放、成本至上、壽命短、標準低，今后應該是往精益營造的方向發(fā)展，需要把粗放的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣纳a(chǎn)方式，這個就需要向制造業(yè)學習。當年柯布西耶提出“住宅是居住的機器”，從產(chǎn)業(yè)這個背景下跟制造業(yè)產(chǎn)生一定的關(guān)系。第一次產(chǎn)業(yè)革命的蒸汽機、機械化階段與格羅皮烏斯、柯布西耶提出建筑工業(yè)化的概念是發(fā)生關(guān)聯(lián)的；第二次產(chǎn)業(yè)革命的電力時代、電氣化與芝加哥學派為代表出現(xiàn)的摩天樓、復雜綜合體、高層建筑、電梯、電氣、空調(diào)等等是發(fā)生關(guān)聯(lián)的；最近以扎哈為代表的參數(shù)化建筑，實際上需要基于計算機技術(shù)的發(fā)展，所以參數(shù)化建筑與第三次產(chǎn)業(yè)革命也是發(fā)生關(guān)聯(lián)的；未來的第四次產(chǎn)業(yè)革命大趨勢，裝配式建筑的發(fā)展必然和網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、人工智能發(fā)生關(guān)聯(lián)，必然要走向智能建造。制造業(yè)一條著名的微笑曲線（圖1），可以看出設(shè)計的價值和全生命周期的使用價值，是整個制造業(yè)的價值高點。

從這個意義上講：設(shè)計是價值之源，加工和生產(chǎn)是為了最終的使用服務的！我們從設(shè)計到生產(chǎn)到使用，一定是全過程、全系統(tǒng)的產(chǎn)品的概念，才能真正發(fā)揮建筑業(yè)走向制造業(yè)的優(yōu)勢。我們提出系統(tǒng)性建造和完整的建筑產(chǎn)品的思路，就是要從根本上與制造業(yè)發(fā)生關(guān)聯(lián)。

圖1 微笑曲線

綜上，建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和發(fā)展一定要向制造業(yè)學習，傳統(tǒng)的建造方式以毛坯交房為主，有電氣管線上下水，但是與品質(zhì)生活，直接關(guān)乎人的使用需求的內(nèi)裝等相關(guān)的內(nèi)容沒有。沒有從使用者的生活需求、從功能配置，從整個內(nèi)裝體系，從系統(tǒng)工程去考慮。沒有實現(xiàn)“像汽車一樣”的以功能、性能、需求、品質(zhì)為主打方向的建筑產(chǎn)品。因此，對標制造業(yè)的完整性，沒有內(nèi)裝的建筑只能是個“半成品”。成品時代的建筑學比任何時代都迫切地需要建立“系統(tǒng)工程”的理論和方法！（圖2）

圖2 建筑系統(tǒng)工程學類比圖

2.建筑系統(tǒng)工程及集成設(shè)計初探

系統(tǒng)工程是什么？錢學森在我國的航空航天事業(yè)、以及兩彈一星事業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，其核心并不是說錢學森設(shè)計了原子彈、設(shè)計了火箭，而是他把系統(tǒng)工程的科學理論帶回了中國，極大地支撐了當時最高端的科學發(fā)明。所以研究裝配式建筑，一定要有系統(tǒng)工程的理念，一定要運用最優(yōu)化的思路，把建筑當作一個復雜的系統(tǒng)加以研究。

我們將裝配式建筑系統(tǒng)劃分為：主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、建筑設(shè)備及管線系統(tǒng)、建筑圍護系統(tǒng)和裝飾裝修系統(tǒng)，四個系統(tǒng)下又有子系統(tǒng)（圖3）。基于這樣一種設(shè)計方法，就可以把裝配式建筑的結(jié)構(gòu)主體、內(nèi)裝系統(tǒng)、機電設(shè)備、圍護結(jié)構(gòu)集成為一個有機的整體。在系統(tǒng)工程理論指導下，裝配式建筑發(fā)展一定要建立一個大的思維和工作模式：建筑是一個復雜的系統(tǒng)，建筑設(shè)計需要系統(tǒng)的設(shè)計方法；建筑需要整合，建筑是若干子系統(tǒng)的集成；裝配式建筑要始終堅持系統(tǒng)的設(shè)計方法、系統(tǒng)集成的發(fā)展方向。這就是我今天和大家分享的裝配式建筑設(shè)計要點。

圖3 裝配式建筑系統(tǒng)

3.建筑系統(tǒng)和系統(tǒng)集成設(shè)計方法

2016年，中建科技代表中建總公司申報國家“十三五”重點研發(fā)計劃《工業(yè)化建筑設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)》課題。項目提出要研究七大關(guān)鍵技術(shù)：混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，預應力關(guān)鍵技術(shù)，竹木結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，鋼和混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，高性能結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)，高性能裝配式圍護體系。我們應用了建筑系統(tǒng)和系統(tǒng)集成的思路和方法，通過建筑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、建筑圍護、內(nèi)裝和設(shè)備管線四大子系統(tǒng)劃分，把七大關(guān)鍵技術(shù)歸納到主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中；而圍護體系關(guān)鍵技術(shù)的研究，就納入到建筑外圍護系統(tǒng)中；一體化和內(nèi)裝也列入相應的系統(tǒng)中（圖4）。這樣就把國家“十三五”課題要求的關(guān)鍵技術(shù)，通過系統(tǒng)集成形成了一個完整的研究項目。其中，一體化、標準化集成設(shè)計方法，也就是我們今天講的建筑系統(tǒng)工程理論和集成設(shè)計方法（圖5、圖6）

圖4建筑系統(tǒng)示意圖

圖5 工業(yè)化建筑系統(tǒng)圖

圖6 工業(yè)化建筑設(shè)計系統(tǒng)研究框架

4.模數(shù)和模塊

模數(shù)是工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，能達到優(yōu)化尺寸系列化和通用化的目標，還有一個關(guān)鍵點是協(xié)調(diào)建筑要素之間的相互關(guān)系。我對模數(shù)一開始的理解就是從磚混建筑3M開始的，按照三的倍數(shù)滿足要求的三模，從開間、進深、層高去控制。隨著對裝配式建筑的研究，發(fā)現(xiàn)模數(shù)不僅限于開間進深，也深入到構(gòu)件、甚至構(gòu)件內(nèi)部，包括內(nèi)裝部品。內(nèi)裝部品與主體建筑的關(guān)系，是一個系列的模數(shù)協(xié)調(diào)關(guān)系。最近發(fā)表了一篇關(guān)于羅馬建筑考察的論文，羅馬的建筑材料很簡單，用天然的混凝土把磚、石砌筑起來，形成砌體結(jié)構(gòu)。

整個羅馬的砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾千年的發(fā)展，體系非常完整，比如用方石控制建筑外形，實現(xiàn)模數(shù)協(xié)調(diào)，方石用完后，往往建筑內(nèi)部會出現(xiàn)一些非模數(shù)化區(qū)域，即模數(shù)控制不了的情況，再用亂石砌筑，就形成現(xiàn)在所說的模數(shù)中斷區(qū)，最后完成建筑物整體立面很完整的形式，這就是石與磚的模數(shù)關(guān)系，所以，模數(shù)是裝配式建筑中很值得研究的課題。無獨有偶，當年的羅馬由作坊切磨石材，現(xiàn)場裝配，其實也是工廠化的一種模式，只是現(xiàn)在機械化的程度更高。

模數(shù)在裝配式建筑中是非常重要的。關(guān)于模數(shù)的優(yōu)化，與大家分享幾個案例，一個是我們團隊的建筑和結(jié)構(gòu)兩專業(yè)通過共同優(yōu)化現(xiàn)澆節(jié)點，僅用三種模具就對全部節(jié)點進行了多樣化的處理，實現(xiàn)了現(xiàn)澆節(jié)點的標準化。再一個是在工廠預埋電盒，一開始經(jīng)常出現(xiàn)與鋼筋的碰撞（圖7），現(xiàn)場調(diào)整十分不便，既耽誤時間也容易出錯。后來采用鋼筋模數(shù)化、線盒點位模數(shù)化，兩個模數(shù)做好錯位，就完全避免了兩者的碰撞。當時僅僅為了解決某個具體的工程問題，現(xiàn)在看來是整體的一個全面系統(tǒng)化考慮。

不僅結(jié)構(gòu)、配筋、機電管線，包括建筑裝飾的點位控制，都應該是一個完整的考慮。結(jié)合這些基于工業(yè)化制造需求的設(shè)計、生產(chǎn)、施工一體化的探索，從傳統(tǒng)的粗放轉(zhuǎn)變?yōu)榫殻饾u就有點兒造汽車的感覺了。

圖7 通過模數(shù)協(xié)調(diào)避免交叉碰撞  

模塊在整個系統(tǒng)中是一個重要的方面，建筑師對模塊的理解往往是功能模塊，但是實際上不要局限在研究功能模塊，而要研究功能模塊的尺寸。比如一個20平米的空間，如果是2米×10米就是一個走廊，如果是4米×5米就是一個房間。所以建筑師研究功能模塊，更多是研究它所形成的空間。這個空間就是滿足多種使用功能需求的幾何尺寸空間，和人的使用有很大關(guān)系。這個空間的高效性，就是“可持續(xù)住宅”的一個核心。如果沒有高效性，比如3米×10米的空間也不能有太多的變化。無論出于何種目標，研究空間是我們做開放式建筑、建筑工業(yè)化的核心內(nèi)容。

通過空間多樣化，實現(xiàn)組合多樣化，然后再實現(xiàn)立面多樣化。例如曾經(jīng)在北京做過標準化模塊的多樣化組合、研究40平米公租房的時候，提出5.4米×5.4米的空間概念，去掉核心筒的公攤面積，基本上就是40平米的空間。5.4米會出現(xiàn)更多可能性，5.4米就是兩個2.7米，對普通住宅來說就可以保證有兩個朝向開窗的房間，在公租房中空間設(shè)計遠優(yōu)于4.8米開間的空間，能實現(xiàn)明居室，不再是僅有一個外窗、起居室都是黑暗的房間。由于采用了高效空間的設(shè)計，40平米的一居室實現(xiàn)了一室一廳，50平米就可以實現(xiàn)兩室一廳，60平米就可以實現(xiàn)三室一廳。所以我提出來“實惠設(shè)計”，就是從建筑學的初心，去研究建筑的尺寸空間，來達到設(shè)計目的，實現(xiàn)空間優(yōu)化。這種高效的標準化模塊空間，可以組合成單元式住宅，也可以組合成外廊式住宅。實際上這也是標準院做的保障性住房的國家建筑標準圖集上呈現(xiàn)的。

在那本圖集上是5.8米或6.0米，現(xiàn)在引申過來5.4米用在北京。這個模塊在北京保障房里用的還是比較多的。對模數(shù)組合、模塊組合、單元組合、部品組合、構(gòu)件組合，各種不同的組合來實現(xiàn)立面多樣化和空間多樣化。圖8是當時做的一個構(gòu)件劃分，圖中白色的部分都是標準化的，外立面可以實現(xiàn)多樣化處理。一個好的建筑空間，一定可以適應多種需求，如圖9。

所以，建筑師要重點研究模數(shù)和空間尺寸的關(guān)系，要努力實現(xiàn)標準化設(shè)計，多樣化呈現(xiàn)這樣一個目標。要研究模數(shù)和模塊通過系統(tǒng)集成的方法，把所有的部品、構(gòu)件形成裝配式建筑，真正實現(xiàn)“像造汽車一樣造房子”。

圖8 平面標準化及多樣化示例

圖9 空間構(gòu)成多樣化示例

二、中建科技“裝配式建筑”設(shè)計技術(shù)案例精講

1.裕璟幸福家園工程概況

裕璟幸福家園工程是深圳的第一個預制率50%、裝配率70%的項目，是華南地區(qū)預制率最高的項目，是深圳市第一個裝配式建筑采用EPC工程總承包模式項目。中建科技承擔EPC工程總承包，建筑高100米，共33層，本項目為住建部科技與產(chǎn)業(yè)化促進中心、深圳市住建局牽頭、《深圳市保障性住房標準化圖集》的首個落地項目，是深圳市住建局和建筑工務署推出的第一個EPC總承包的裝配式保障性住房試點項目，由住宅工程管理站實施管理。

該項目有兩個標準樓型，內(nèi)廊式的標準樓型和塔式一梯六戶的樓型。這個項目在1號2號樓的4層以下、3號樓的5層以下是現(xiàn)澆，嚴格按照標準中底部加強區(qū)的要求做；中部5-30層、6-32層分別是標準層，采用裝配式；頂部采用了現(xiàn)澆，見圖10。

圖10 裕璟幸福家園工程概況

2.項目主要亮點    

1）設(shè)計優(yōu)化

在裝配式建筑EPC總承包“兩個一體化”的踐行和探索中，中建科技堅定踐行兩個一體化的思路：“設(shè)計、加工、裝配”一體化和“建筑、結(jié)構(gòu)、機電、內(nèi)裝”一體化。設(shè)計優(yōu)化將北京裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗和深圳地方特點相結(jié)合，采用了適宜的構(gòu)造措施和做法。BIM方面，建立了“企業(yè)云”實現(xiàn)了“全員、全專業(yè)、全過程”的“三全”BIM應用；質(zhì)量保證方面，主要是設(shè)計監(jiān)理制度+灌漿套筒安裝精度保障措施+灌漿密實度保障措施等；科技進步方面，已經(jīng)成為了深圳市建設(shè)工程質(zhì)量安全智能監(jiān)管云平臺首批試點項目；該項目列入國家十三五重點研發(fā)計劃示范項目。

2）一體化的BIM應用

項目采用了“全員、全專業(yè)、全過程”的“三全”BIM應用。中建科技在深圳建立了企業(yè)云——裝配式建筑協(xié)同平臺，制定企業(yè)標準《裝配式建筑企業(yè)BIM協(xié)同規(guī)則》，對設(shè)計資源標準、設(shè)計行為標準、設(shè)計交付標準做出約定。整個設(shè)計院的全團隊都在這個平臺上做。將來所有項目都要在平臺上、服務器上、在一個模型上進行設(shè)計。完成的成果里面不僅有結(jié)構(gòu)，也有建筑、內(nèi)裝、潔具、甚至包括廚房衛(wèi)生間、輕鋼龍骨、吊頂?shù)龋暾匕凑者@個模型實現(xiàn)。第一，全員BIM，不止是三維畫圖，而是全員共用共享；第二，全專業(yè)BIM，所有專業(yè)都要在同一模型，一體設(shè)計；第三，全過程BIM，設(shè)計加工裝配都要做到一體化的管理，是EPC管理的核心，如圖11。

圖11 一體化的BIM應用層級示例

通過這個模型，可以解讀一個標準層的全部構(gòu)件，從疊合梁、預制外墻板、預制內(nèi)墻板、疊合樓板、到具體現(xiàn)澆節(jié)點，都實現(xiàn)BIM化、數(shù)據(jù)化。建筑專業(yè)對所有構(gòu)件尺寸進行控制，結(jié)構(gòu)專業(yè)有所有構(gòu)件配筋，有鋼筋則直接自動生成鋼筋用料清單，就可以在工廠進行數(shù)控加工（圖12）

圖12 構(gòu)件生產(chǎn)的BIM應用

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