基于标准营造体系的装配式混凝土住宅设计

  1 引言

  装配整体式混凝土结构是由预制混凝土构件或部件通过钢筋、连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构，又简称为预制装配式结构（precast concrete，PC结构），按照此工艺建造的建筑，称为装配式建筑，亦可称为PC建筑。由此体系建造的住宅为装配式混凝土住宅。装配式混凝土住宅是住宅生产方式的变革，住宅产业化是住宅建设的发展趋势，是实现节能减排、发展低碳经济的必然需求。当今世界，能源紧张、节能减排已是全球共同的话题，住宅建筑的工业化和产业化势在必行。

  装配式住宅工业化生产，这与国家产业结构改革、节能减排、原材料的循环利用、提升建筑质量等是密切相关的，政府在管理层面上也出台了一系列政策大力支持。装配式混凝土住宅已逐步在全国各地进行推广，各地也初步形成了符合当地特色的装配式混凝土住宅体系，也有相关的地方规范出台。但从目前装配式混凝土住宅的实际情况来看，存在的一个重要的问题是，标准化、模数化没有充分体现；建筑形式与装配式、工业化的关系不紧密。产生此问题的根本原因是缺少一个标准的营造体系。

  2 营造体系的标准化需求

  国内的PC技术有很多种，各地不尽相同。万科在全国各地推广的PC也有多种体系，北京万科的是预制整体式剪力墙技术（竖向套筒连接），深圳万科是内浇外挂体系，上海万科是PCF体系，上海城建（集团）采用的是框架体系。体系众多，装配式住宅产品的设计标准化、模数化的概念不强，和现浇的住宅产品比没有实质性的变化。标准化、模数化的缺失，导致装配式住宅的建造成本大幅度提升。同时也存在为了预制而预制，或者象征性的采用部分的PC技术。达到此目的很容易，造价也不会太高。然而建立一套成熟的技术体系则需要长时间的实践和坚持，只有不断改进和优化才能进一步降低成本，将技术的推广应用推向成熟。

  2.1 装配式建筑的技术策略

  基于对装配式建筑多年研究和实践，建议可采用如下技术策略。

  2.1.1向制造业学习

  我国建筑行业一直走的是粗放型的发展道路，标准化缺失，模数化没有真正推广开，建筑部品在推广和应用模数协调方面贯彻不力，导致住宅产业化长期形不成，开发成本、效率和效益低下。住宅开发及部品生产标准化概念淡薄，模数协调理论早丢到脑后。部品设备无序化生产，技术引进名目混乱。我们一直号召向制造业学习，像造汽车那样造房子，向机械行业、计算机行业学习，学习什么？首要的就是要学习标准化、模块化思想，用标准化的理论知识武装头脑，结合建筑行业的实际，解决PC技术应用带来的成本居高不下、难以标准化的问题。同时需要建立标准化的一系列标准文件，占据行业发展的高端地位，引领社会化大协作生产模式的技术发展方向。

  2.1.2熟悉各种不同的技术体系，吸取各种技术体系的长处，寻找技术实施和研发的现实条件

  技术体系的成熟不是一天两天的事情，各种结构技术体系均存在一定的优缺点，没有完美的技术体系。但可以结合规范的允许范围，促进成熟可靠技术的实施推广；并联合社会各界技术研发力量，搭建尚未成熟的技术的研发平台，熟悉掌握各种可能出现的技术，在有条件时开展试验。

  2.1.3以成本为导向研发、设计产品，同时注意技术体系的延展性

  宜家的产品设计有一个特色，那就是“先制订价格，再进行具体设计和生产”，所以出现很多价格低廉、非常具有设计感的家居产品。宜家凭这样的设计理念让宜家的产品走进了干家万户，在激烈的市场竞争中占得一席之地。

  做装配式住宅也可以根据售价未开始设计，根据不同的受众群体来设计适合他们的装配式住宅。但同时还要考虑到装配式技术的延展性，纵向是自身技术的发展的脉络要清晰，在质量稳定和成本可控的同时逐步提升预制率，提供更加高质量的产品，横向是将装配式住宅技术向其他领域扩展到办公、商业乃至于各种业态的综合集群建筑。

  2.2 关于标准化、模块化的研究

  2.2.1标准化

  标准定义为“在一定范围内获得最佳秩序，对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则，导则或特征的文件。该文件经协商一致并经一个公认的机构批准。”标准应该以科学技术和经验的综合成果为技术，以促进最佳社会效益为目的。制定标准的对象是重复性事物或概念；制定标准的对象，包含生产、技术、经济工作和社会活动各个领域，但并不是所有的事物或概念，而是比较稳定的重复性的事物或概念；标准产生的客观基础是“科学、技术和实践经验的综合成果”；标准在产生过程中要“经有关方面协商一致”；标准的本质特征是统一；标准“由标准主管机构批准以特定的形式发布，作为共同遵守的准则和依据”的统一规定。“标准”是一个广义的概念，有文件标准、实物标准等。

  2.2.1.1 标准化的定义

  标准化为在一定范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的重复使用的规则活动。上述活动主要是包括制定、发布及实施标准的过程。标准化的重要意义是改进产品、过程或服务的适用性，防止贸易壁垒，并促进技术合作。标准化的总目的是为了在一定的范围内获得最佳秩序并促进最佳的社会效益。除此之外，标准化还有一个或多个特定目的，以适应某种需要或选择。标准化的方法原理：标准化的基本原理通常是通行的八字原理：“统一、简化、选优、协调”。

  2.2.1.2 标准化设计

  标准化设计是指标准件的选用和常用件的设计。标准件设计中提高效率的最简便的方法是建立标准件库和常用件库。经过生产实践的检验具有优良的性能才能确立为标准件，其结构和参数都已经标准化，所以无须对其结构合理性进行检验。在标准件库设计中体现了信息传递的单向性，即设计者只能选用不能修改。标准件库的优点如下：采用统一的描述格式，不同系统开发的标准库可以进行信息交换，最大限度地减少重复开发标准件库造成的资源浪费，并提高了系统的可靠性；为设计人员提供尽可能完整的标准件信息，该信息不仅包含尺寸、图形信息，还包括材料、功能信息等。基于事物特性表的标准件库体系是开放的，易于扩充。

  2.2.2模块化

  模块的本意就是“组件、预制件或预制住房单元”等，人们采用标准的尺寸的砖、石和黏结剂，通过不同的组合，可建成形状、风格各异的建筑物。砖、石的形状虽然简单，但是他们的组合是多变的。Module的形容词modular则表示有节奏的进行测量，含有积木化或组装式等含义，模块化（modularization）一词就兼有积木化的意义。由若干块“积木”，可以组合成不同形状和风格的建筑物，虽然他们的元素不多，但它具有快速组合和形式多变的特点，这正是人们所需要的优点。模块化是在通用化、系列化、组合化等标准化基础上引入系统工程原理而发展起来的一种标准化的高级形式，表现特征为尺寸模数化、结构典型化、部件通用化、参数系列化，组装积木化。作为组合化发展的高级阶段，模块化的理论基础是系统的分解与组合原理。

  2.2.2.1 模块化的涵义

  所谓模块化设计，就是在标准化理论的基础上运用系统工程的原理，将一复杂的工程产品分解成层次合理的简化、系列化、标准化单元模块，并用这些标准化模块组合成各种不同产品的过程。它是以功能分析为基础，通过功能、用途不同的各模块的互联组合实现基型产品和变型产品，主要包括模块划分与模块组合两个过程，模块划分是功能模块的结构设计过程，模块组合则是根据具体的功能要求，选择合适的模块组成产品。根据模块化设计思想，产品的构成层次发生了重大的变化。模块成了设计制造单元，要设计并建立标准模块库、专用模块库与相似的零部件库。生产时，查找标准模块库、专用模块库，对无法直接利用的模块可在其基础上进行变性设计形成新的模块，重新拼合模块使之成品化，缩短了设计周期。

  2.2.2.2 模块化设计

  模块化设计的关键是模块化标准化和通用化。它是指结构标准化，尤其是模块接口标准化和通用化。模块化设计所依赖的模块化的组合，即连接或接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块化应具有可组合性和互换性两个特征，而这两个特征出现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相同的功能，不同性质的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块化的有效组合。计算机行业中，由于采用了标准通用的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力、大量生辰某些特定的模块，并不断进行精心改良和研究，促使计算机技术达到空前的发展。

  2.2.2.3 模块化与模数协调

  关于模块化与模数协调，模块化是复杂产品标准化的高级形式，无论是组合式的单元模块还是结构模块都贯穿一个基本原则，这就是用型式和型式尺寸数目很少且有经济合理的统一化单元一模块，组合成大量具有各种不同性能的各种复杂的非标准综合体，这一原则成为模块化原则。为了实现模块化原则，保证模块是由模块组成的产品在尺寸上的协调，必须建立一套模数系统对产品的主尺度、性能参数以及模块化的外形尺寸进行约束，这就是建筑中的模数协调。

  模数协调工作是各行各业生产活动中最基本的技术工作，遵循模数协调原则，全面实现尺寸配合，可保证在住宅建设过程中，在功能、质量和经济效益方面获得优化，促使住宅建设从粗放型生产转化为集约型的社会化协作生产。

  2.2.2.4 模数协调技术在装配式混凝土住宅设计的目的

  模数协调技术在装配式混凝土住宅设计的目的主要表现在以下几方面：实现住宅建筑的设计者、制造业者、经销商、建筑业者和业主等人员之间的生产活动互相协调；能从建筑各部位尺寸进行分割，并确定各部件（模块）的尺寸和边界条件，是部件（模块）规格化，又不限制设计自由；优选某种类型的标准化方式，达到使用数量不多的标准化部件（模块），建造不同类型的住宅建筑；能使建筑部件（模块）尺寸的数量达到优先化；促进部件（模块）的互换性，使部件（模块）的互换与其材料、外形或生产方式无关；采用合理化的方法定位，吊装和组装部件（模块），以简化施工现场作业。

  2.2.3 PC技术体系选定要诀

  PC技术体系选定的过程中一定要做到“六化”，即简化、统一化、通用化、组合化、系列化、模块化。具体可表现为以下九点：

  1）结构布置尽可能的简单，构件的规格尽可能的简化；

  2）相同通用构件体系的住宅产品可以实现多种户型和楼型，但是具有相同的“基因”，实现一种统一外部表现，个性化的表现通过外表面颜色、附加构件如阳台板、空调板等的设置实现个性化；

  3）构件、户型应该形成事实上的通用化体系，并具有互换的特性，促进产品和部件的标准化；通用构件应具有很灵活的组合性特点；

  4）按照建筑模数，形成构件、部品的系列化分布，以适应更加多样的需求；

  5）PC建筑首先拆分为标准模块，然后是标准构件，形成一定的系统层次关系；某些非标部位形成非标模块，以适应部分特殊需求；

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  6）标准化需要形成一定的标准化构件和部品库，且这是一个开放的系统，易于扩充；

  7）拆分构件时应注意构件在整个系统中的作用及其更换性的可能性以及必要性，并保持构件在功能及结构方面有一定的独立性和完整性，构件问的结合要素便于连接与分离；

  8）构件的标准化背后其实就是模板的标准化，目的就是提升钢模的利用效率，标准的构件可以由可变模板技术实现系列化的构件系统；

  9）模块化数理方面的支撑就是模数协调技术，模数协调技术首先利用基本模数网格控制建筑物的平立剖面，以利于拆分成单元模块或构件，并利用构件定位技术、公差与配合等技术实现部件安装接口的模数协调。

  3 装配式混凝土住宅相关体系

  根据近年未装配式混凝土住宅按结构体系体可分为预制框架体系、预制剪力墙体系、预制叠合剪力墙结构体系、内浇外挂体系。

  3.1 预制框架体系

  预制框架结构体系的主要特征是将框架结构的构件拆分成梁、柱、楼板等基本预制结构体，单个构件重量较小，有利于预制和运输。连接处可以选择在梁柱节点，也可选择在梁柱节点以外，垂直构件连接一般采用套筒灌浆连接，可以实现高可靠性的连接。节点区或分段连接区现浇，楼板叠合层一般现浇，形成整体的刚度，达到等同现浇、抗震的目的。目前上海地区现行规范规定，装配整体式混凝土框架结构总高度不应大于50m。

  外墙作为结构体的荷载，不作为主要受力构件，根据建筑物的性质，可以选择预制混凝土墙板或者玻璃幕墙。预制墙板与结构体的连接采用干法或湿法连接，必定有一个方向与结构体铰接。结构体遇到外部荷载发生形变时，墙板之间可以发生变形，但墙体本身不发生破坏。

  预制框架可以结合现浇剪力墙或者预制剪力墙同时使用形成框架剪力墙结构体系。预制框架结构体系在上海、南京、沈阳有部分项目应用。

  3.2 预制剪力墙体系

  预制剪力墙结构体系将剪力墙结构体系的建筑拆分成剪力墙、楼板等构件，构件类型较少，但单个构件重量较大，剪力墙板竖向采用套筒或者浆锚连接，套筒可靠度高但是造价比较高，浆锚连接理论可行、造价较低，但施工质量保证难度较大；墙板水平向采用预留现浇段连接。预制剪力墙的平面布置与现浇结构区别不大，用于住宅比较容易适合传统的高层住宅的消费习惯。现行上海地区没有规范出台支持本系统。目前在国内预制剪力墙技术北京、沈阳、哈尔滨有部分项目应用。

  3.3 预制叠合剪力墙结构体系

  预制叠合剪力墙是为了实现住宅产业化而生产的一种介于全现浇钢筋混凝土剪力墙和全预制剪力墙之间的一种剪力墙结构构件。预制墙板工法又称为PCF工法，日本是较早推广、应用这种剪力墙的国家，技术也相对成熟。目前，预制叠合剪力墙在日本作为框架填充墙或框架结构中的抗震墙使用，真正作为受力构件用于纯剪力墙结构的工程实例不多见，同时日本工程界对于结构高度超过60m的建筑中采用预制叠合剪力墙态度谨慎。现行上海地区规范规定预制叠合剪力墙结构只适用于结构总高度不大于60m，层高不大于5.5m，抗震等级为三级以及以下的小高层、高层剪力墙结构住宅外墙。目前在国内预制叠合剪力墙技术上海有部分项目应用。

  3.4 其他体系

  在国内展开应用的其他体系还有NPC体系、预制叠合墙板体系等，这些体系与前述介绍的三种体系之一无本质区别。内浇外挂体系本质上是将部分外墙板当成荷载，受力结构采用现浇结构的形式，两者利用现浇连接在一起，本质上不属于结构受力构件采用PC技术的范畴，不具备技术延展性，属于为了预制而预制。预制异形柱结构体系也是一种适合于预制构件标准化的结构体系，由于本体系现浇结构的适用范围（上海地区异性柱框架结构适用的高度为21m，异形柱框架剪力墙结构技术体系适用的高度为40m）不算大，且尚未开展相应预制工法的研究，预计未来可以作为一种比较有特点的预制技术体系加以应用。

  4 基于标准营造的技术体系研究

  基于装配式混凝土住宅标准营造可以从标准构配件、标准户型和标准立面三方面人手形成一套完善的技术标准体系。

  4.1 标准构配件

  标准构配件有立柱、叠合梁、墙板、叠合板，楼梯，阳台六种构件，每种构件的规格控制在2种以内，可以提高模板的重复利用率，降低模板的摊销费用，从而降低生产成本。

  4.1.1标准立柱

  规格600x600，可采用预制柱或现浇柱。

  方柱VS扁柱：方柱形状和受力性能I-IN个方向完全相同，更有利于构件梁、墙体的标准化，提高模板的利用率；扁柱在角部设置带来了多种非标准构件，处理难度较大。

  4.1.2标准墙板

  150厚预制混凝土外墙板或200厚预制夹心保温墙板，造价要求高时采用单板，造价允许时可采用夹心墙板。

  4.1.3标准楼板

  采用叠合楼板，板厚140（60预制+80现浇）。

  4.1.4标准楼梯

  采用预制楼梯。

  4.1.5标准阳台板

  采用悬挑叠合阳台板。

  4.2 标准户型设计

  4.2.1户型设计原则

  装配式混凝土住宅设计应该充分体现标准化、模数化的设计理念。笔者结合实际情况，对户型的设计总结出若干原则：

  1）装配式框架一剪力墙体系的预制率的高低可调节性大，且此体系还可以用于办公、商业、学校等一系列的公共建筑中，市场前景广阔。因此，新的户型设计依旧选用装配式框架一剪力墙体系；

  2）针对中小户型设计，提出将梁柱外凸到室外，以减弱凸梁凸柱对室内的影响；

  3）建筑尺寸尽量统一，从而可以较少预制构件的种类和规格。通过构件之间不同的组合来达到各种户型的使用要求；

  4）厨房、卫生间、阳台等小构件尺寸尽可能一致。

  4.2.2标准户型设计

  在上述原则的指导下，提出了标准户型设计。  此户型构件的种类少，大部分的构建是以6.6m和3.3m为基本尺寸。平面规则，基本没有凹凸，体形系数小，对节能有利。柱网规则，纵横两个方向均能对齐，对结构受力有利。没有凹口，对房间采光有利。梁柱外凸，减少了结构构件对平面的影响。此户型设计成一房、二房、三房，三种不同户型的组合形式，可满足中小户型的住房基本功能需求。户型单元之间可分可合。

  此户型的建筑构（部）件可拆分为：交通核剪力墙部分、楼梯、框架柱、框架梁、外围护墙体、阳台、楼板、空调板等。剪力墙为现浇构件、楼板和阳台为叠合构件、其它的均可做成预制构件。可根据工程实际情况，自主选择预制构件。

  4.2.3户型的可延展性设计

  仅一种户型是不可能满足市场的需求。在上述对装配式建筑的认识、实践和设计原则的指导下，提出了一系列的户型设计方案。同样的建筑构件，通过不同的组合，再配以不同的现浇的交通核，未满足不同住宅需求，实现简化、统一化、通用化、组合化、系列化、模块化设计，衍生出三种系列的户型平面。

  4.2.3 1A系列

  由三户组成一个单元，开间模数3300，进深模数4500。通过现浇交通核的不同，来满足11-24层的户型要求。

  4.2.3.2 B系列

  由四户组成一个单元，开口按摩模数3300，进深模数3300和3600。通过现浇交通核的不同，未满足11-24层的户型要求。

  4.2.3 3C系列

  由四户组成一个单元，开间模数3300，进深模数由三种。通过内天井来实现中间户型厨卫等房间的通风和采光。此设计建筑进深大，有利于节约用地。

  4.2.3.4 通廊式户型

  上述系列的房型都体现了标准化、模数化、系列化的概念。户型平面规整，有利于建筑节能。但建筑的进深不大，对节约土地不利。如果能逐步采用暗卫生间，对装配式建筑的户型设计是非常有利的。既可以减少凹凸和内天井，又能加大建筑进深。小面宽、大进深的建筑可以节约土地。

  4.3 标准立面设计

  装配式建筑的立面设计同样应体现标准化、模数化的理念。在二进制的计算机领域里“0”和“1”创造了数字世界，简单却拥有无限可能。在做立面设计时可以借鉴这个概念。“0”可以看做装配整体式混凝土结构，“1”可以看做标准化、模数化的通用部件。两者相结合，并以不同的排列和组合未达到立面设计的变化与同一性。

  上述建筑户型的立面上已经存在有四种元素――柱、梁、板、阳台（栏杆）。此四种元素是建筑的基本构件。现代住宅建筑中通常会在空调板外加百叶，来隐蔽空调室外机。因此，立面上总共有柱、梁、板、阳台（栏杆）、百叶共五种元素。通过五种元素的不同组合方式、柱和墙面的颜色和材质的变化，来到达立面设计的标准化、模数化、多样化。

  5 标准营造体系控制造价的基本心思路

  装配式混凝土住宅控制造价的总体思路是：大力推广标准化工作，促进预制构件的社会化大生产和加强施工操作人员的培训，降低预制构件的造价和安装价格；部分简易构件，比如叠合楼板推行工地现场就地预制，减少运输费用。而在采用较低PC率的时候，比如立柱不采用预制，内隔墙全部采用传统砌块等灵活措施。

  6 结语

  在我国二十世纪五、六年代，混凝土装配式住宅曾经推广过，但由于技术等各种原因，被市场所淘汰。经过几十年的发展，如今混凝土装配式建筑的技术在国外已经达到了很高的水平，但国内发展较慢。在经济和产业面临转型之际，混凝土装配式建筑必定会迎来大的发展时期。混凝土装配式建筑，尤其是推广装配式住宅标准营造体系对国家的产业转型，对行业的健康发展有着积极的意义。