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5 工业化建筑系统图

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

裕璟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

通过这个模型，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

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延伸阅读：

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[责任编辑：Susan]