装配式建筑专题一 | 樊则森：装配式建筑设计要点及案例精讲

4月13-14号，2017年中国工程建设标准化协会建筑产业化分会年会暨装配式建筑技术论坛圆满落下帷幕，各位行业大咖齐集深圳会场，展开一场装配式建筑的华山论剑。
       为推广装配式建筑最新技术成果，国家建筑标准设计组织策划了“装配式建筑专题”，将连续报道本次会上各位行业专家精彩纷呈的现场发言，欢迎大家持续关注！

题记：装配式建筑一定要建立建筑系统工程和集成设计的理念和方法，这可能比过去具体研究技术对行业更有帮助，目前，系统集成和集成设计这样的理念也被融入新编的国家标准中。
（本文作者：樊则森；文字整理：李文扬。 转载请注明出处）

一、 “装配式建筑”设计要点

1. 建筑系统工程及集成设计的源起

       装配式建筑的发展在国内外与其他先进行业比有很大差距，这是需要我们反思的。二战以后建筑工业化的发展之所以远远落后于其他制造业，有几个方面主要问题：
       第一，受传统行业划分的影响，建筑设计、加工制造、装配式施工各自分隔、需要统合；
       第二，受传统专业分工的影响，建筑、结构、机电设备、装饰装修各自发展，缺乏协同；
       第三，受传统建设方式的影响，手工粗放、成本至上、寿命短、标准低，今后应该是往精益营造的方向发展，需要把粗放的生产方式转变为精细化的生产方式，这个就需要向制造业学习。当年柯布西耶提出“住宅是居住的机器”，从产业这个背景下跟制造业产生一定的关系。第一次产业革命的蒸汽机、机械化阶段与格罗皮乌斯、柯布西耶提出建筑工业化的概念是发生关联的；第二次产业革命的电力时代、电气化与芝加哥学派为代表出现的摩天楼、复杂综合体、高层建筑、电梯、电气、空调等等是发生关联的；最近以扎哈为代表的参数化建筑，实际上需要基于计算机技术的发展，所以参数化建筑与第三次产业革命也是发生关联的；未来的第四次产业革命大趋势，装配式建筑的发展必然和网络、大数据、人工智能发生关联，必然要走向智能建造。制造业一条著名的微笑曲线（图1），可以看出设计的价值和全生命周期的使用价值，是整个制造业的价值高点。从这个意义上讲：设计是价值之源，加工和生产是为了最终的使用服务的！我们从设计到生产到使用，一定是全过程、全系统的产品的概念，才能真正发挥建筑业走向制造业的优势。我们提出系统性建造和完整的建筑产品的思路，就是要从根本上与制造业发生关联。

图1 微笑曲线

       综上，建筑业转型升级和发展一定要向制造业学习，传统的建造方式以毛坯交房为主，有电气管线上下水，但是与品质生活，直接关乎人的使用需求的内装等相关的内容没有。没有从使用者的生活需求、从功能配置，从整个内装体系，从系统工程去考虑。没有实现“像汽车一样”的以功能、性能、需求、品质为主打方向的建筑产品。因此，对标制造业的完整性，没有内装的建筑只能是个“半成品”。成品时代的建筑学比任何时代都迫切地需要建立“系统工程”的理论和方法！（图2）

图2 建筑系统工程学类比图

2. 建筑系统工程及集成设计初探

       系统工程是什么？钱学森在我国的航空航天事业、以及两弹一星事业中发挥了重要的作用，其核心并不是说钱学森设计了原子弹、设计了火箭，而是他把系统工程的科学理论带回了中国，极大地支撑了当时最高端的科学发明。所以研究装配式建筑，一定要有系统工程的理念，一定要运用最优化的思路，把建筑当作一个复杂的系统加以研究。
       我们将装配式建筑系统划分为：主体结构系统、建筑设备及管线系统、建筑围护系统和装饰装修系统，四个系统下又有子系统（图3）。基于这样一种设计方法，就可以把装配式建筑的结构主体、内装系统、机电设备、围护结构集成为一个有机的整体。在系统工程理论指导下，装配式建筑发展一定要建立一个大的思维和工作模式：建筑是一个复杂的系统，建筑设计需要系统的设计方法；建筑需要整合，建筑是若干子系统的集成;装配式建筑要始终坚持系统的设计方法、系统集成的发展方向。这就是我今天和大家分享的装配式建筑设计要点。

图3 装配式建筑系统

3. 建筑系统和系统集成设计方法

       2016年，中建科技代表中建总公司申报国家“十三五”重点研发计划《工业化建筑设计关键技术》课题。项目提出要研究七大关键技术：混凝土结构关键技术，钢结构关键技术，预应力关键技术，竹木结构关键技术，钢和混凝土结构关键技术，高性能结构体系关键技术，高性能装配式围护体系。我们应用了建筑系统和系统集成的思路和方法，通过建筑系统的结构、建筑围护、内装和设备管线四大子系统划分，把七大关键技术归纳到主体结构系统中；而围护体系关键技术的研究，就纳入到建筑外围护系统中；一体化和内装也列入相应的系统中（图4）。这样就把国家“十三五”课题要求的关键技术，通过系统集成形成了一个完整的研究项目。其中，一体化、标准化集成设计方法，也就是我们今天讲的建筑系统工程理论和集成设计方法（图5、图6）

图4建筑系统示意图

图6 工业化建筑设计系统研究框架

4. 模数和模块

       模数是工业化生产的基础，能达到优化尺寸系列化和通用化的目标，还有一个关键点是协调建筑要素之间的相互关系。我对模数一开始的理解就是从砖混建筑3M开始的，按照三的倍数满足要求的三模，从开间、进深、层高去控制。随着对装配式建筑的研究，发现模数不仅限于开间进深，也深入到构件、甚至构件内部，包括内装部品。内装部品与主体建筑的关系，是一个系列的模数协调关系。最近发表了一篇关于罗马建筑考察的论文，罗马的建筑材料很简单，用天然的混凝土把砖、石砌筑起来，形成砌体结构。整个罗马的砌体结构经过几千年的发展，体系非常完整，比如用方石控制建筑外形，实现模数协调，方石用完后，往往建筑内部会出现一些非模数化区域，即模数控制不了的情况，再用乱石砌筑，就形成现在所说的模数中断区，最后完成建筑物整体立面很完整的形式，这就是石与砖的模数关系，所以，模数是装配式建筑中很值得研究的课题。无独有偶，当年的罗马由作坊切磨石材，现场装配，其实也是工厂化的一种模式，只是现在机械化的程度更高。
       模数在装配式建筑中是非常重要的。关于模数的优化，与大家分享几个案例，一个是我们团队的建筑和结构两专业通过共同优化现浇节点，仅用三种模具就对全部节点进行了多样化的处理，实现了现浇节点的标准化。再一个是在工厂预埋电盒，一开始经常出现与钢筋的碰撞（图7），现场调整十分不便，既耽误时间也容易出错。后来采用钢筋模数化、线盒点位模数化，两个模数做好错位，就完全避免了两者的碰撞。当时仅仅为了解决某个具体的工程问题，现在看来是整体的一个全面系统化考虑。
       不仅结构、配筋、机电管线，包括建筑装饰的点位控制，都应该是一个完整的考虑。结合这些基于工业化制造需求的设计、生产、施工一体化的探索，从传统的粗放转变为精细，逐渐就有点儿造汽车的感觉了。

图7 通过模数协调避免交叉碰撞

       模块在整个系统中是一个重要的方面，建筑师对模块的理解往往是功能模块，但是实际上不要局限在研究功能模块，而要研究功能模块的尺寸。比如一个20平米的空间，如果是2米×10米就是一个走廊，如果是4米×5米就是一个房间。所以建筑师研究功能模块，更多是研究它所形成的空间。这个空间就是满足多种使用功能需求的几何尺寸空间，和人的使用有很大关系。这个空间的高效性，就是“可持续住宅”的一个核心。如果没有高效性，比如3米×10米的空间也不能有太多的变化。无论出于何种目标，研究空间是我们做开放式建筑、建筑工业化的核心内容。
       通过空间多样化，实现组合多样化，然后再实现立面多样化。例如曾经在北京做过标准化模块的多样化组合、研究40平米公租房的时候，提出5.4米×5.4米的空间概念，去掉核心筒的公摊面积，基本上就是40平米的空间。5.4米会出现更多可能性，5.4米就是两个2.7米，对普通住宅来说就可以保证有两个朝向开窗的房间，在公租房中空间设计远优于4.8米开间的空间，能实现明居室，不再是仅有一个外窗、起居室都是黑暗的房间。由于采用了高效空间的设计，40平米的一居室实现了一室一厅，50平米就可以实现两室一厅，60平米就可以实现三室一厅。所以我提出来“实惠设计”，就是从建筑学的初心，去研究建筑的尺寸空间，来达到设计目的，实现空间优化。这种高效的标准化模块空间，可以组合成单元式住宅，也可以组合成外廊式住宅。实际上这也是标准院做的保障性住房的国家建筑标准图集上呈现的。在那本图集上是5.8米或6.0米，现在引申过来5.4米用在北京。这个模块在北京保障房里用的还是比较多的。对模数组合、模块组合、单元组合、部品组合、构件组合，各种不同的组合来实现立面多样化和空间多样化。图8是当时做的一个构件划分，图中白色的部分都是标准化的，外立面可以实现多样化处理。一个好的建筑空间，一定可以适应多种需求，如图9。
       所以，建筑师要重点研究模数和空间尺寸的关系，要努力实现标准化设计，多样化呈现这样一个目标。要研究模数和模块通过系统集成的方法，把所有的部品、构件形成装配式建筑，真正实现“像造汽车一样造房子”。

图8 平面标准化及多样化示例

图9 空间构成多样化示例

二、中建科技“装配式建筑”设计技术案例精讲

1. 裕璟幸福家园工程概况

       幸福家园工程是深圳的第一个预制率50%、装配率70%的项目，是华南地区预制率最高的项目，是深圳市第一个装配式建筑采用EPC工程总承包模式项目。中建科技承担EPC工程总承包，建筑高100米，共33层，本项目为住建部科技与产业化促进中心、深圳市住建局牵头、《深圳市保障性住房标准化图集》的首个落地项目。是深圳市住建局和建筑工务署推出的第一个EPC总承包的装配式保障性住房试点项目，由住宅工程管理站实施管理。该项目有两个标准楼型，内廊式的标准楼型和塔式一梯六户的楼型。这个项目在1号2号楼的4层以下、3号楼的5层以下是现浇，严格按照标准中底部加强区的要求做；中部5-30层、6-32层分别是标准层，采用装配式；顶部采用了现浇，见图10。

 图10 裕璟幸福家园工程概况

2. 项目主要亮点

1) 设计优化
在装配式建筑EPC总承包“两个一体化”的践行和探索中，中建科技坚定践行两个一体化的思路：“设计、加工、装配”一体化和“建筑、结构、机电、内装”一体化。设计优化将北京装配式剪力墙结构的经验和深圳地方特点相结合，采用了适宜的构造措施和做法。BIM方面，建立了“企业云”实现了“全员、全专业、全过程”的“三全”BIM应用；质量保证方面，主要是设计监理制度+灌浆套筒安装精度保障措施+灌浆密实度保障措施等；科技进步方面，已经成为了深圳市建设工程质量安全智能监管云平台首批试点项目；该项目列入国家十三五重点研发计划示范项目。
2) 一体化的BIM应用
项目采用了“全员、全专业、全过程”的“三全”BIM应用。中建科技在深圳建立了企业云——装配式建筑协同平台，制定企业标准《装配式建筑企业BIM协同规则》，对设计资源标准、设计行为标准、设计交付标准做出约定。整个设计院的全团队都在这个平台上做。将来所有项目都要在平台上、服务器上、在一个模型上进行设计。完成的成果里面不仅有结构，也有建筑、内装、洁具、甚至包括厨房卫生间、轻钢龙骨、吊顶等，完整地按照这个模型实现。第一，全员BIM，不止是三维画图，而是全员共用共享；第二，全专业BIM，所有专业都要在同一模型，一体设计；第三，全过程BIM，设计加工装配都要做到一体化的管理，是EPC管理的核心，如图11。

图11一体化的BIM应用层级示例

       这个模型，可以解读一个标准层的全部构件，从叠合梁、预制外墙板、预制内墙板、叠合楼板、到具体现浇节点，都实现BIM化、数据化。建筑专业对所有构件尺寸进行控制，结构专业有所有构件配筋，有钢筋则直接自动生成钢筋用料清单，就可以在工厂进行数控加工（图12）。

图12 构件生产的BIM应用

（在这个项目中还有其他的一些装配式建筑市场、管理和技术一体化的系统研究和实践成果，也在这次讲座中有所展开，本文由于篇幅关系，略有删减。望各位读者见谅。）