装配式技术在公共建筑中的适用性研究与建议
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摘 要伴随着国内装配式建筑应用的逐渐增多，其应用范围有从以往的住宅建筑为主向公共建筑扩展的趋势。首先分析典型公共建筑的特点，提出＂可复制单元＂的概念；以预制混凝土构件为研究对象，从立面构件系统、平面构件系统和集成式构件系统等不同维度，结合国内外具体应用实例，分析装配式技术在公共建筑中的适用性，以期为未来装配式公共建筑的应用提供参考。最后，对装配式技术在公共建筑中的应用与推广提出一些建议。
关键词装配式技术 公共建筑 适用性研究
装配式建筑在实践中表现出产品质量好、生产效率高、施工速度快、外装饰与功能高度集成等特点[1]，具有广阔的应用前景，成为我国建筑业转型的重要方向之一。建筑体系中的标准化是实现工业化建造的基础。[2]现阶段，住宅建筑以其标准化程度高、可复制单元多等特点，成为应用装配式建筑的主要载体。例如某住宅项目通过优化，利用10种基本房间模块、2种厨房、2种卫生间和2种阳台，即实现了22栋住宅建筑户型的模块化和标准化。[3]
相对而言，传统的公共建筑体量较大、功能多样、外形丰富、结构复杂，在应用装配式技术时较住宅难度大，既有项目应用也较少。但在北美、欧洲及日本等发达国家，装配式公共建筑的应用已较为成熟。[4]2016年，上海市住建委联合多部委发布的沪建建材联（2016）24号文对上海市装配式建筑的应用范围进行了扩展，提出在总建筑面积5 000m2以上的公建项目及2 000m2以上的配套办公、研发等项目中应采用装配式建筑，为装配式技术在公共建筑中的应用提出了新的挑战。因此，探讨标准化＂可复制单元＂在公共建筑中的应用形式，以及分析实践过程中可能遇到的问题，成为将装配式技术推广到公共建筑中的关键。
1公共建筑的特点分析及＂可复制单元＂的概念
公共建筑的类型多样，根据使用功能的不同可分为办公建筑（写字楼、政府部门办公室等）、商业建筑（商场、金融建筑等）、旅游建筑（酒店、娱乐场所等）、科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗、卫生、体育建筑等）、通信建筑（邮电、通讯用房等）以及交通运输类建筑（机场、高铁站、火车站、汽车站、停车楼等）。多种公共建筑的使用功能不同、体型各异、结构类型多样，给归一化的特点分析带来了不便。
应用装配式技术，首先应分析拟建建筑的空间标准尺寸规律，确定预制构件的最小单元，同时考虑实现预制构件种类最少、重复数量最大，以充分发挥工业化的规模效益，对于提升产品质量、降低建造成本、简化运输和施工难度、提高建造效率，有助于推进国家工业化产品标准。[5]医院病房、酒店宾馆及小型办公、宿舍类建筑，独立空间一般较为规整，开间尺寸一般为3.0～3.9m（图1）；对于大型办公建筑、学校、医院类建筑，考虑到地下室停车需要，柱距多为7.2～8.4m；随着目前建筑规模的逐渐扩大化，部分公共建筑的柱距和开间最大可达十余米。此外，博览类建筑及机场、高铁站等交通运输类建筑对空间需求较为特殊，多配合采用预制预应力技术及钢结构实现。
在复杂多变的公共建筑中，根据构件加工工艺、道路运输条件、吊装条件确定适宜的＂可复制单元＂的大小及适用位置，是推广装配式技术在公共建筑中应用的前提。根据对大量公共建筑特点的分析，本文对公共建筑中＂可复制单元＂的适用位置从立面系统、平面系统和集成系统三方面进行总结和讨论。通过对特定公共建筑三方面特点的分析，确定合适的＂可复制单元＂位置与应用方法，对于未来装配式技术应用于公共建筑中具有一定的参考意义。
2公共建筑中＂可复制单元＂的适用位置
2.1立面构件系统
公共建筑立面构件系统中＂可复制单元＂主要由多种外立面围护结构，以及建筑内部规则且重复性高的柱、剪力墙和填充墙组成。
公共建筑外立面围护结构应用时首先应考虑适用类型。在美国预制预应力混凝土协会（PCI）编写的《建筑预制混凝土（第三版）》[6]中，将用于高层建筑的外围护板分为以下3种类型：
（1）双向分体构件式，围护板在横向、竖向分别覆盖于结构框架之外，内部用玻璃窗填充（图2）。
（2）单向分体构件式，仅楼层处采用横向预制板，横向预制板和玻璃在层间交替布置（图3）。
（3）整体单元式，即采用标准开间和层高将维护表面划分为标准板块，玻璃窗嵌入整块围护板中（图4）。
当采用第一、第二种类型时，围护板块较小、重量较轻，在保证维护板与梁或楼板的连接措施后，应用相对容易。
当采用整体单元式外围护板时，单元尺寸宜与建筑开间尺寸相匹配。对于3.0～3.9m较小开间尺寸的公建建筑，其开间与现有住宅开间相近，仅需将外围护墙体高度根据公建层高略微加高；对于开间值在7.2～8.4m的建筑，在兼顾吊装要求的前提下应尽量减少接缝数量，宜以两块维护墙体连接为一个开间，因此宽度模数宜为3.6～4.2m；对于9～12m等较大的柱网间距，宜采用3或4块预制墙板拼接为一个开间，保持＂可复制单元＂的宽度与模数系统一致，宜为3.3～4.2m，并以3m为单位进阶。
高层公共建筑的立面区域一般可分为三个部分：底层（裙房）部分、标准层部分、顶层（设备层、阁楼）部分。底层部分构件的建筑细节表现要求较高；顶层设备层或阁楼处构件与标准层部分相比，通常长度加长或开窗方式不同。如何调节不同应用范围处外围护板的标准性，增加＂可复制单元＂的使用率成为既保证建筑表现效果又节约造价的关键。美国芝加哥喜来登酒店给出了一个很好的示范（图5），建筑由7层裙楼和27层酒店塔楼组成，在标准层和底层、顶层采用了相同的母模进行标准化构件生产，通过调节不同区域构件中横向、竖向分隔的布置方式，可以营造出不同部位各异的建筑效果。
由于考虑到成本原因，装配式外围护板多采用同一规格，也因此被诟病为单一且缺少变化。大卫·切波菲尔德在巴塞罗那视觉艺术学校中利用统一的模数对外墙构件进行组合，进行了有益的探索。设计师通过层高进行围护结构高度上的分隔，单纯的围护板和＂窗洞+围护板组合＂两种模式搭配土黄、浅灰、暗红三种颜色组合，在保持标准性的前提下得到了富于变化的立面效果（图6）。[7]
除公共建筑的外围护部分，将公共建筑内部重复性较高的柱、剪力墙或填充墙进行规则化划分，也可形成适宜装配的可复制构件。对于柱、剪力墙等结构构件，目前国家规范、图集及相关地方标准已经较为成熟，在公共建筑中的应用可依规范要求设计和应用。
公共建筑对于室内空间的分隔和功能的改造需求较住宅更为复杂，装配式填充墙利用其标准化、易安装、轻自重的特点，将获得广泛的应用前景。南京市青奥会议中心采用了由内外两块水泥纤维板和中间聚苯颗粒混凝土组成的夹芯隔墙板，其在保证保温、隔声、防水及耐久性能的前提下，兼顾了安装快捷方便、安装效率提高和施工过程绿色环保的要求，收到了良好的使用效果。[8]目前，沈阳市已颁布了《装配式夹芯隔墙技术规范》（DB2101/TJ08-2012）[9]，对多种装配式夹芯隔墙的材料、设计、施工、质量验收分别给出了标准化规定，对其推广有较好的促进作用。
2.2平面构件系统
在公共建筑＂可复制单元＂的平面构件系统中，最重要的组成部分是预制楼板和预制梁。此外，楼梯以及体育场等特定公共建筑中的看台板等也是装配式技术有应用前景的范围。
目前，预制叠合板在住宅中的应用已较为广泛。相较于住宅的开间特点，公共建筑的开间和跨度明显增大，房间布置不规则，给装配式楼板的应用带来了新的挑战。根据前文对公共建筑开间特点的分析，结合现行模数特点和生产、运输条件限制，建议对于跨度小于6m的开间，可以采用桁架筋叠合楼板，结合最小化楼板种类的原则将楼板宽度取为1.8～2.4m标准宽度，同时辅以必要的个性化尺寸配合。对于跨度大于6m时，根据使用功能和结构体系的不同，可以选择预制空心楼板、预制预应力楼板、SP预应力空心板或压型钢板组合楼板等形式。
长春一汽技术中心装配式立体停车楼是国内已建成的大型装配式公共项目之一，由于楼板跨度达16.90～17.25m，同时考虑到大跨度、大重载和大空间灵活使用的功能要求，该停车楼楼板采用预应力双T板，获得了良好的使用效果（图7，8）。整个项目的建筑造型简单，开间尺寸统一，在全部3 780块预制构件中，预应力双T板为1 856块，可复制性高，项目预制率达95%以上。[10]
预制叠合梁的应用目前已较为成熟，现行《JGJ1装配式混凝土结构技术规程》和《15G310-1装配式混凝土连接节点构造》对叠合梁的构造方式、连接节点有较为详细的规定。公共建筑对于预制梁的跨度和承载力提出了更高的要求，必要时可根据《JGJ224-2010预制预应力混凝土装配整体式框架结构技术规程》要求结合预应力技术进行应用。
现浇楼梯是通过工程现场整体支模浇筑而成，因其形状复杂，现场支模工序复杂，施工速度慢。潘雨红等通过对比预制楼梯和现浇楼梯在施工流程、造价构成等方面的差异，认为预制混凝土楼梯相对于现浇楼梯具有明显的综合经济效益。[12]王加国介绍了将特定规格的预制楼梯应用在办公建筑中的设计和施工情况，证明施工效率和施工质量均提升明显。[13]考虑到公共建筑的实际需求，装配式混凝土楼梯的跨度和宽度较大，若在设计过程中注重标准化应用，统一楼梯规格，装配式楼梯在公共建筑中也将有较好的可复制性和适用空间。
特定公共建筑类型中存在大量的平面＂可复制单元＂。大型体育场馆中的看台板、踏步板和楼梯是典型例证，且已经得到了广泛应用。通过利用体育场看台径向斜梁将整个看台区分隔为简单的直线，可以得到大量可复制、适合工厂预制的单元构件。深圳大运中心体育场在实践中应用标准化三折L形预制看台板、预制踏步板及预制猫洞栏板拼装，实现了良好的清水混凝土建筑效果。[14]国家体育场＂鸟巢＂看台部分14 726块预制构件包括了10 056块看台板、4 600块踏步板和70件楼梯，看台板的截面大量采用L形、L+U形和平板形清水混凝土预制，通过将折线代替弧线达到设计标准化的效果，可复制的预制构件得以大规模应用（图9，10）。[15]
2.3 集成式单元系统
集成式单元系统是将具有特定功能的设备、管线、配件等在工厂进行组合拼装，并在施工现场进行一体化安装的工业化应用模式。通过将复杂工序在工厂进行精细化组合，预留必要的管线接口，可以大大节约现场的安装时间、提高产品质量。集成式系统主要包括具有特定功能的房间、管道井等。
目前，集成式的整体卫生间在我国已有部分应用实例。姚恺通过对整体卫生间与传统卫生间在设计流程、施工环节和整体品质上的比较，分析了两者在设计方法和施工方法上的区别，认为前者缩短了施工工期，提高了施工的精度和质量，大幅度提高了工程品质。[17]在公共建筑中，同样存在相似的可集成空间：酒店的客房、医院的病房中的固定单元较适宜采用集成式系统一体化生产与安装，如图1所示为某标准化病房中尺寸、位置固定的卫生间单元。
与住宅建筑中集成空间的功能和位置相对固定不同，公共建筑常需要面对后期改造的不确定性。为了达到延长建筑使用周期的效果，大型商场、酒店宾馆、医院病房等随着时间的变迁往往会因服务对象变化、使用功能调整、社会文化审美需求变化等进行空间布局和装修的改变，甚至不少公建项目在设计之初便会考虑后期弹性改造的可能[18-20]。集成式单元系统需要主体结构预留固定的设备接口，在安装时需要一定的吊装和安装空间，一般随主体结构施工同步进行，种种因素导致将集成式单元系统推广到公共建筑存在诸多难点，将其广泛应用到公共建筑还需要进一步的探讨和应用策略研究。
3结论与建议
本文在分析公共建筑共性特点的基础上，从立面系统、平面系统和集成单元三方面，对装配式技术在公共建筑中＂可复制单元＂的适用性位置进行了分析和案例介绍，如表1所示。
在今后的实际应用过程中，尚有如下建议：
（1）注重不同＂可复制单元＂系统间的模数协调，扩大＂可复制单元＂的应用比例。在立面构件、平面构件及集成式单元系统中的模数确定后，尤其应注意不同构件间的模数匹配与协调，减少整个建筑单体中主要构件的尺寸变化，最大化＂可复制单元＂在预制构件中的占比。例如，相较于普通高层办公建筑竖向构件数层一收进的常见做法，装配式公共建筑宜衡量由此造成的构件种类变化及成本增量，尽量减少截面变化次数，保持标准层的可复制性。
（2）推动＂可复制单元＂大量存在的公共建筑相关规范的制定和颁布。目前国家和地方的装配式结构设计、构件制作与检验、施工规范等不断完善，但应用对象重点集中在住宅建筑，目前仅有上海市颁布了针对公共建筑的《装配整体式混凝土公共建筑设计规程》[21]。对于功能固定、结构形式变化较小、＂可复制单元＂大量存在且适用性强的公共建筑类型，建议参考国外规范（如美国PCI标准MNL-129-98预制预应力停车场结构：设计与施工应用建议），通过装配式公共建筑标准或利用专用体系标准予以推广。
新型装配式技术在我国的应用时间不长，随着研究的不断深入、标准体系的不断完善和技术水平的不断提高，相信其在公共建筑中的应用将逐步拓展，为我国的建筑业转型升级提供一个良好的方向。
*注：此研究为基金项目上海市科委课题＂装配整体式混凝土公共建筑设计技术研究＂（14DZ1208303）。
图片来源
图1为作者自绘；图2来源于http：//www.lasolascitycentre.com；图3～5来源于文[6]；图6来源于文[7]与http：//architectscommunity.com；图7来源于文[10]；图8 来源于文[11]；图9来源于文[15]；图10来源于文[16]。
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