裝配式建筑實踐與思考

【主講人】：李壯壯

【簡介】：中國中建設計集團有限公司中建預制裝配建筑研究院暖通工程師，參與了多項裝配式課題研究，以及裝配式項目深化設計；現主要從事于：裝配式研究、施工圖深化設計、綠色建筑及LEED咨詢顧問等工作。

【講座導讀】本期【綠建大講堂】由具有豐富裝配式建筑設計經驗的李壯壯介紹裝配式建筑的基礎知識、裝配式各專業設計要點及注意事項以及工廠生產工藝和現場施工流程。

一、裝配式建筑的含義

含義圖

工廠化：主要結構構件、部品在工廠里進行生產

工具化：施工現場的工廠化，不具備工廠化條件的時候就是工具化

工業化：發揮工廠生產的優勢，用現代化的制作、運輸、安裝和科學管理的大工業生產方式代替傳統的、分散的手工業生產方式來建造房屋。

工廠化分為專用體系和通用體系。專用體系是定型的構件或生產方式所建立的承載體系，缺少通用性和互換性；通用體系指預支構件、配套制品等，通用體系更加產業化和工業化。

產業化：全行業、產業鏈（整體）的現代化，本義來講就是要實現生產、供應等的工業化。

1.裝配式建筑的定義

裝配式建筑是指工廠預制、現場裝配而成的建筑，它采用各類預制材料組合房屋的各個部分，使其具備卓越的保溫、隔音、防火防蟲、節能、抗震、防潮功能。簡單的說就是“拼積木”，裝配式建筑是一種工業化的生產方式。

建筑工業化的發展途徑：

1）發展預制裝配式建筑體系（工廠化）；

2）現場施工作業工業化（工具化）。

2.裝配率

建筑單體范圍內，預制構件所占使用的所有構件的比率稱為裝配率。通常按正負零以上部分核算（地下是現澆）。裝配率指標反映建筑工業化程度。裝配率越高，工業化程度越高。

3.裝配式建筑的特點

1）大量的建筑部品由車間生產加工完成，構件種類主要有:外墻板，內墻板，疊合板，陽臺，空調板，樓梯，預制梁，預制柱等。

2）現場大量的裝配作業，而原始現澆作業大大減少。

3）采用建筑、裝修一體化設計、施工，理想狀態是裝修可隨主體施工同步進行。

4）設計的標準化和管理的信息化，構件越標準，生產效率越高，相應的構件成本就會下降，配合工廠的數字化管理，整個裝配式建筑的性價比會越來越高。

5）符合綠色建筑的要求。

二、建筑工業化的體系

常用民用建筑工業化體系：

體系圖

1.砌塊建筑（如圖1）

定義：用預制的塊狀材料砌成墻體的裝配式建筑。

特點：較普通黏土磚有施工方便、工藝簡單、適應性強、造價低等優點，能有效減少制磚對耕地的破壞。

適用范圍：3～5層建筑。

分類：

1）按品種分：實體砌塊、空心砌塊；

2）按材料分：混凝土砌塊、加氣混凝土砌塊、粉煤灰硅酸鹽砌塊、爐渣混凝土砌塊、陶粒混凝土砌塊；

3）按規格分：小型砌塊、中型砌塊、大型砌塊

圖1：砌塊建筑結構圖與常用規格

2.板材裝配式建筑（如圖2）

定義：是由預制的大型內外墻板、樓板和屋面板等板材裝配而成，又叫大板建筑。

分類：中型板材建筑、大型板材建筑

特點：中尺寸小，制作、運輸、安裝方便；但接縫多。

大型板材：機械化施工程度高，有利于提高生產率、縮短工期、改善勞動條件。

適用范圍：

中型板材：2～5層建筑

大型板材：中、高層建筑

缺點：對建筑物造型和以及建筑物布局有較大的制約性

圖2：板材裝配式建筑結構圖

3.框架輕板建筑（目前采用最多）（如圖3）

定義：以柱、梁、板組成的框架承重結構，以輕型墻板為圍護與分隔構件的新型建筑。

特點: 承重部分與圍護部分分開，輕型圍護構件重點考慮保溫、防水、美觀；建筑的開間、進深大，空間分隔靈活；但梁、柱接頭復雜。

適用范圍:有較大空間要求的高層、多層、高層住宅和大型公共建筑。（裝配式建筑應盡量采用大空間，可以靈活隔斷，內墻的預制和PC外墻掛板可以空間靈活滿足空間使用要求）

類型：

1）按材料分：鋼筋混凝土框架、鋼框架

2）按施工方法分： 裝配式框架、現澆式框架

3）按構件的組成形式：梁板柱框架體系、板柱框架體系、剪力墻框架體系

圖3：框架輕板建筑結構圖

如圖所示框架輕板建筑主要分為以下三個類型：梁板柱框架體系、版主框架體系、剪力墻框架體系。

4.大模板建筑（如圖4）

定義：使用大型模板進行混凝土澆筑的建筑工程

特點：整體性強、剛度大、抗震能力強、工藝簡單、施工速度快；但現場混凝土工作量大、工地施工組織復雜。

適用范圍：用于多層或高層建筑

類型：

1）全現澆式大模板建筑

2）現澆與預制相結合式大模板建筑

（1）內外墻全現澆（2）內澆外砌（3）內澆外掛

圖4：大模板建筑結構圖

5.滑升模板建筑（如圖5）

定義：預先將工具式模板組合好，利用墻體特制的鋼筋做導桿，以油壓千斤頂作提升動力，有間隔有節奏邊澆筑邊提升模板。

特點：整體性強、機械化程度高、施工速度快、節省模板；但對施工精度要求高。

適用范圍：上下有相同壁厚的建筑物和具有簡單垂直形體的構筑物。

類型：

1）外墻均采用滑模

2）內墻，外墻裝配式

3）只用滑模澆注電梯間等建筑的筒體核心部分。

圖5：滑升模板建筑結構圖

6.升板建筑（如圖6）

定義：在底層混凝土地面上重復澆筑各層樓板和屋面板，豎立預制鋼筋混凝土柱子，以柱為導桿，把樓板和屋面板提升到設計高度，加以固定。

特點：施工設備簡單，可簡化工序、提高效率、減少高空作業、節省模板，施工場地小。

適用范圍：室內大空間、樓面荷載大的多層建筑。

圖6

7.盒子建筑（如圖7）

定義：在工廠預制成整體的盒子狀結構為基礎，運至施工現場吊裝而成的建筑。

特點: 工廠化生產程度高，現場工作量小，有較好的剛度，自重較小；但生產投資大、造價較高。

適用范圍：適用于住宅、旅館等低層和多層建筑

構成：整澆式、骨架條板組裝式、預制板組裝式。

板材的數量：六面體、五面體、四面體盒子

圖7：盒子建筑結構圖

8.裝配式建筑的分類

分類圖

三、建筑工業化發展

1.國外工業化的發展

瑞典: 新建建筑中，通用部件的住宅占80%以上；

法國：1977年成立構件建筑協會（ACC），建筑工業化達85%；

丹麥：世界上第一個將模數法治化的國家，國際標準化組織的ISO模數協調標準以丹麥為標準為藍本。

美國：住宅通用體系標準化、系列化、專業化商品化、社會化程度很高，90%以上；

日本：工業化住宅注重成套技術發展，建筑工業化接近90%；種類從結構上分為鋼筋混凝土結構、木結構、輕鋼結構及由此組合而成的組合結構；從施工方法上可分為大型預制板方式及單元式方式。日本經濟力量強大，鋼產量大，質量可靠，施工方便快速，價格較便宜，建造成的住宅整體造價與混凝土結構相近或更低，因此 輕鋼結構占工業化住宅的80%。

2.我國建筑工業化發展

我國建筑工業化發展示意圖

四、裝配式建筑的設計要點

1.設計理念

從局部到整體的模塊組合。首先是由臥室、次臥、客廳、廚房、衛生間等按照設計需求并結合相關模數尺寸制定一系列功能性模塊；功能性模塊組成后再組裝成A、B、C、D等一系列戶型，即戶型模塊；戶型模塊確定后再進行自由拼裝完成單元模塊，最后由不同的單元模塊組合到一起形成各種建筑單體。（如圖8）

圖8

2.模數協調

建筑模數：是指選定的尺寸單位，作為尺度協調中的增值單位。

基本模數：基本模數的數值規定為l00mm，表示符號為M，即1M等于l00mm，整個建筑物或其中一部分以及建筑組合件的模數化尺寸均應是基本模數的倍數。

擴大模數：指基本模數的整倍數。（水平、豎向擴大模數）

模數協調：應用基本模數或擴大模數的方法實現尺寸協調。

裝配式剪力墻住宅適用的優先尺寸系列

《北京市裝配式剪力墻住宅建筑設計規程》DB11/T970-2013

3.模塊體系

中國建筑設計集團建筑工業化設計研究中心，針對裝配式住宅研究并集合了幾大模塊體系，包括功能模塊基本尺度、戶型模塊、標準模塊以及中建彈性空間體系。以下為幾種模塊具體介紹。

裝配式模塊體系

3.1功能模塊基本尺度

以基本模數、擴大模塊為基礎并按照業主使用需求、功能需求來定義基本的功能模塊，例如60平方米的戶型，客廳模塊規格為3.0*4.2，80平方米的戶型則客廳模塊規格為4.3*4.5。同理廚房、衛生間模塊等也需要按照擴大模數進行協調。（如圖9）

圖9

3.2戶型模塊（如圖10）

戶型模塊則根據基本功能模塊按照戶型類型、功能以及使用需求等組合成不同的戶型最小單元；比如根據功能性模塊不同尺度，我們規定了一室兩廳一衛70平方米的相應戶型模塊，它適用于生活過渡性人群。

圖10

3.3標準模塊

標準模塊主要是集成的功能性模塊，比如入戶空間、收納空間、集成廚房以及整體衛浴等。根據不同尺寸以及功能性需求制定一系列的標準模塊，自由組合到單元模塊中。（圖11）

圖11

3.4中建彈性空間體系

中建彈性空間體系按照樓梯、走廊、入戶空間、客廳、主臥和公共空間模塊、戶內空間模塊分成兩類：公共空間模塊和戶內空間模塊（如圖12左）；按照彈性類型主要分為固定模塊和彈性模塊。固定模塊是一層樓的固定單元，彈性模塊是可以按照業主的要求進行任意組合（如圖12右）。

圖12

這里主要介紹下固定模塊和彈性模塊。

如圖13灰色部分為固定模塊，有連廊、整體衛浴；彈性模塊分為尺寸彈性以及空間彈性。尺寸彈性模塊按照業主要求可大可小、可延伸可伸縮；比如左側A區就是尺寸彈性，根據戶型大小、業主需求可上下左三個方向隨意放大縮小；其中B區域也是指可大可小的尺寸空間彈性。空間彈性是指空間內飾可以任意組合的，比如右側A區域就是空間彈性，區域內的臥室、廚房等功能性房間是可以任意組合的。

裝配式建筑按照尺寸彈性和空間彈性進行任意組合基本可以滿足大部分建筑要求。

圖13

3.5中建MCB 彈性空間體系

我們根據彈性空間體系，研究并制訂了一系列固定模塊與彈性模塊，組合成中建MCB彈性空間體系，包括：固定模塊系統、彈性模塊系統、復合管廊系統、輕質隔墻系統、集中新風系統、分區收納系統、同層排水系統、集成廚房系統、整體衛浴系統以及故障檢修系統等10大體系。（圖14）

圖14

4.注意事項

中國建筑設計集團建筑工業化設計研究中心根據實際裝配式住宅設計項目、裝配式相關課題研究制訂了比較系統的《中建MCB預制裝配式建筑建造指南》CSCEC-PCV1.0，本部指南中，詳細的總結了建筑設計、結構設計、暖通設計、給排水設計、電氣設計以及燃氣設計等專業的設計要點及注意事項，由于時間關系，我從《指南》中摘取了部分相關各專業設計注意事項，供大家交流。

4.1建筑設計

1）簡單、規則，避免剛度、質量和承載力分布不均勻；

2）宜采用大空間的平面布局方式，滿足住宅靈活性、可變性；

3）充分考慮設備管線與結構體系關系以及結合樓板現澆統一考慮；

4）遵循統一標準及模數化設計原則；優化套型模塊的尺寸和種類

5）優先采用疊合樓板；

6）樓板與樓板之間，樓板與墻體之間采用混凝土后澆保證整體性；

7）考慮需要降板房間；

4.2結構設計

1）建筑體型、平面布置及構造應符合抗震設計的原則和要求。

2）應遵循受力合理、連接簡單、施工方便、少規格、多組合的原則；

3）承重墻、柱等豎向構件宜上下連續，門窗洞口宜上下對齊，成列布置，不宜采用轉角窗；門窗洞口的平面。

4.3建筑節能設計

1）預制外墻的保溫材料及厚度滿足相關規范；宜采用輕質高效保溫材料；

2）穿透保溫材料的連接件，宜采用玻璃纖維、PC等非金屬材料；保證熱工性能不削減；

3）帶門窗的預制外墻，門窗洞口與門窗框間密閉性不低于門窗密閉性；避免冬季冷風滲透；

4）外墻與梁、板、柱相連時，連接處保持墻體保溫的連續性；避免形成冷橋，產生內部結露。

4.4設備及管線設計

1）機電管線進行綜合設計，公共部分宜采用架空；

2）預留溝、槽、孔、洞的位置遵循結構設計模數網格；

3）衛生間宜采用同層排水；

4）太陽能熱水系統集熱器等考慮建筑一體化，做好預留；

5）給水、采暖水平管暗敷于地面墊層中；（供暖宜采用低溫熱水地面輻射供暖系統）

6）散熱器掛件預埋結構體上；

7）空調布置頂板吊頂下；

8）電氣水平管線暗敷于結構樓板疊合層中；

9）分戶墻兩側安裝電器設備不應連通設置；影響隔聲；

10）預制墻體上開關、插座、弱電插座等有結構進行預留；

11）戶內配電盤與智能家居分

五、裝配式建筑的施工工藝

1.工廠加工裝配構件階段（工廠階段）

工廠加工裝配構件示意圖

工廠加工裝配構件示意圖

裝配式建筑工廠生產

2.建筑整體裝配階段:

建筑整體裝配示意圖

建筑整體裝配示意圖

建筑整體裝配示意圖

建筑整體裝配示意圖

裝配式建筑現場

裝配式建筑現場圖

裝配式建筑現場圖

裝配式建筑現場圖

六、裝配式建筑的思考

思考：

1.施工作業的變革，從現澆到裝配，推動建筑產業現代化的發展；

2.通過建筑工業化，節約各種資源(資源消耗、水、垃圾產量少)，邁向資源節約型、環境友好型“兩型”社會；

3.由于構建采用工廠化產生，提高了施工效率，提升了建筑品質；

4.目前新型建筑工業化扔處于探索階段，需要大力加強行業引領，通過規范標準的不斷推陳出新，全面推動建筑工業化的發展進程；

5.尋找裝配式建筑裝配率與成本之間的平衡點，促進市場的推廣，加大公眾的認同以及企業的參與。

展望:

專家預測：裝配式建筑將迎來爆發式增長！

Q:鋼結構的防火問題？

A:鋼結構最大的問題就是防火問題，鋼結構有很多優點如：抗震、施工速度快，鋼結構防火目前采用的途徑是加厚防火涂料。加厚防火涂料也是存在問題的，如果建筑產生火災，雖然建筑主體由于防火涂料有一定的耐火性，但是熱是可以傳遞的，熱量會傳遞到建筑的主體，因此鋼結構的溫度也是很高的，高溫度的鋼會對其結構產生一定的影響。所以說鋼結構的防火是需要研究并解決的問題，希望大家在這方面有更加深入的研究與探討。

Q:目前樓體材料還是混凝土為主，混凝土預示著高耗能，未來在世界范圍內取代混凝土材料發展是否有很好的突破和方向。

A:我國目前樓梯材料還是以混凝土為主，日本80%都是鋼結構，日本的鋼產量高且價格低，直接導致成本的降低。國內的鋼造價高，鋼筋混凝土更符合我國的現狀。

Q: 萬科在住宅產業化路上走的很早也很艱難，萬科在7年前就提出要在2015年左右實現全產業化，但目前差距也很遠，除了成本因素，你覺得還有哪些是限制發展的主要因素？

A:萬科是很早走上了住宅產業化道路，從開始的裝配率5%到50%及以上，主要的限制是價格和標準的不統一和不完善，如果有完善的標準和通用的體系，裝配式建筑在制造和建造上都會取得很大的突破。

Q:裝配式建筑和綠色建筑的結合點？

A:裝配式建筑本身就滿足綠建的要求，如裝配式建筑在施工過程中的能耗、水耗、資源消耗等均會大大的降低，可減少90%以上的建筑垃圾。

Q:目前裝配式混凝土或者鋼結構最高可以蓋多少層？

A: 國內目前最高的可能就是今年3月份遠大建造的57層鋼結構建筑，大概是200多米。其實裝配式建筑的最大問題不是高度而是造價問題，主要包括工藝成本和運輸成本。第一：工藝成本主要區別在于現澆一般用木模具固定，而在裝配式工廠加工的時候大部分用的是鋼模具；第二；裝配式建筑的生產廠家少，較遠距離的運輸也會大大增加成本。控制造價最好的方式的就是規模化。如果裝配式建筑的規模不大相應的成本就會上升，因此裝配式建筑關鍵在于規模化，在有了通用的標準和體系后，裝配式建筑的規模化會提升，住宅產業化就會有一定的突破。

Q:影響裝配式建筑的發展除了造價因素，您覺得還有什么因素？

A:對于造價問題，我國現在對住宅產業化有一定的補貼政策，根據裝配率的不同可獲得相應的補貼；而除了造價因素，原建設部副部長仇保興提出了另外兩個因素：一個是裝配式住宅的設計、生產、安裝施工、驗收等技術標準尚未建立，一些相關試點的成果無法大規模推廣，形成不了通用體系。另一個因素：管理體系也不利于裝配式建筑的發展，目前有總承包資質的企業沒有專業化的生產能力，有生產能力的沒有項目承包資質，造成專業化公司還需投入一定的管理成本。

【知識鏈接】

中國中建設計集團有限公司（直營總部）屬于中國建筑工程總公司，具有建筑行業（建筑工程）甲級、城鄉規劃編制甲級、文物保護工程勘察設計甲級、風景園林設計專項乙級等多項資質，其中設計各類專業技術人才1530余人，其中：教授級高級工程師（建筑師）26人，高級工程師（建筑師）312人，中級工程師576人，初級（助理）工程師497人。一級注冊建筑師、一級注冊結構工程師、注冊城市規劃師、注冊設備工程師、注冊電氣工程師、注冊監理工程師、注冊造價師共計211人。

公司結構圖

中國建筑設計集團建筑工業化設計研究中心：

工業化深化設計、工業化課題研究，相關標準圖集制定