装配式体系下的高校教学建筑标准化设计研究

战长恒

1 研究背景与方法

1.1 研究背景

（1）我国建筑工业化转型与装配式建筑的发展与推广

在环境污染日益严重、劳动力成本逐渐增加、建筑产业化发展等因素的影响下，我国建筑行业长期以传统现浇方式为主的粗放型建造模式的问题逐渐显现[1]。“十三五”以来，我国从国家政策上高度重视装配式建筑的推广，成为我国建筑行业转型升级的重要措施。2016年国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出“大力推广装配式建筑”①，明确了发展装配式建筑是建造方式的重大变革。在此基础上，住建部出台了一系列行动方案和管理办法②，为全面落实推进装配式建筑发展提供保障措施。在国家政策的引导下，各地装配式建筑的发展取得了显著的成绩（表1），有专家指出[2]，装配式建筑是一个未来长期发展的创新过程，是我国建筑行业转型升级迈向高质量发展的最佳时机。

表1 2018年我国部分省市装配式建筑发展概况

（2）高校教学建筑装配式发展的需求

20世纪90年代以来，我国高等教育正经历前所未有的发展，高校在数量、人数、面积、规模等方面的发展都急速增长。高校的扩张带来校园建设的发展和需求也越来越大，诸多高校建设新校区，各地广泛建设大学城的现象一直延续至今。目前我国建筑行业总体上是一个劳动密集型产业，高校建设的增长也处于一种粗放型的发展方式，具有高投入、高消耗的特征[3]，高校建设能耗占社会总能耗的比重日趋增大。近年来，随着全国建筑产业化的推进，装配式建筑得到了大力推广，装配式在高校建筑建设中的应用也引起了业内的广泛关注，出现了一些试点案例的研究与建设。2017年山东建筑大学教学实验楼项目落成，作为全国首个钢结构装配式的超低能耗建筑，为装配式技术在高校建设中的应用打开了市场。哈尔滨工业大学在深圳校区的扩建工程中，4栋学生宿舍均采用装配式镶嵌体系建造，总建筑面积10.1万m2，项目预制率28. 6%，装配率为61. 7%，均大幅超过深圳市装配式建筑相关基本标准要求。另外，目前正在建设中的华南理工大学广州国际校区的建设中，也大幅度地采用了装配式技术。

试点案例的研究与实践，为装配式设计和建造在高校建设中的应用提供了前沿的探索，但目前我国总体上，对于装配式高校建筑的研究仍然十分缺乏。由于标准化设计是装配式建筑的基础和核心[4]，因此，本文以高校校园建筑中最为典型的教学建筑为例，探索装配式体系下高校教学建筑的标准化设计。

1.2 研究方法

标准化设计是装配式建筑的关键。在高校教学建筑中，由于多数功能空间的重复率高（教室、办公室等），为标准设计的实现提供了前提条件。一方面，高校教学建筑的平面设计中，柱网比较规整，开间和进深的尺寸范围比较集中；另一方面，高校教学的功能单元重复率较高，有利于实现以标准化单元容纳不同空间再相互进行组合的设计。

本文采用案例研究的方法，搜集和选取了8个传统建造和3个装配式建造的高校教学建筑设计方案（表2）。首先对8个传统建造的案例通过平面功能和尺寸的统计分析，提取高校教学建筑中常见功能的尺寸范围，在此基础上，通过对装配式建造的3个案例进行解析，探讨传统方案利用装配式建造时进行平面标准化优化设计、预制构件标准化设计、立面多样化设计的优化方法。

表2 文中涉及案例的基本信息列表

2 高校教学建筑的平面标准化

装配式离不开标准化，而标准化的基础是模数化[5]。我国建筑设计的基本模数是100mm，扩大模数为300mm，并由此衍生出扩大模数和分模数③。装配式建筑标准设计中，通常通过统一尺寸相近、功能相似的空间，从而减少预制构件的种类。在高校教学建筑中，由于平面柱网规整，多数功能空间的重复率高，有利于通过对尺寸相差较小的多种功能进行模数协调来减少标准开间的尺寸，实现平面的标准化优化设计，从而降低生产和建造成本。

2.1 各功能种类与尺寸统计

前面已经提到，在高校教学建筑中，平面设计柱网比较规整，开间和进深的尺寸范围比较集中，再加上多数功能空间的重复率高（教室、办公室等），为标准设计的实现提供了前提条件。文中对表2中8个传统建造的高校教学建筑进行平面功能和尺寸的统计，提取高校教学建筑中常见功能的设计尺寸（表3，图1～3），为高校教学建筑平面标准化设计进行模数协调的优化提供参照。

表3 高校教学建筑常见功能的统计

图1 高校教学建筑柱网及层高常用尺寸统计

2.2 多种功能空间的尺寸协调统一

在装配式标准化设计过程中，通过协调和统一尺寸相近、功能相似的空间的方式，减少预制构件的种类，从而降低生产和建造成本，例如在图2和图3中，中小型教室、办公室、实验室和科研工作室的开间和进深，均可选择8000～10000mm的范围。由于结构的规则性易于控制，可通过以下设计手法实现建筑标准化和构件标准化。

图2 高校教学建筑各功能开间常见尺寸的统计

图3 高校教学建筑各功能进深常见尺寸的统计

①协调X、Y方向轴网尺寸，确定构件宽度，实现构件宽度的统一：在高校教学建筑中，中小型教室、办公室、实验室和科研工作室等均可采用相同的轴网。

②协调竖向层高，根据层高确定构件高度，实现构件高度的统一：在高校教学建筑中，通常将高层高的阶梯教室和报告厅独立为一个单独的模块，或者设置于建筑一层，其余功能则可采用相同的层高。

③协调结构柱和梁截面尺寸，使构件与主体连接方式得到统一。

④在建造外立面设计中，尽量采用“少规格、多组合”来形成多样效果。

2.3 基于模数协调的系统优化设计

（1）平面的优化设计

由于结构的规整性易于控制，高校教学建筑具有利用模数协调进行平面标准化优化设计的优势。例如在表2的案例9中，原方案是传统钢框架结构，原设计中轴线较为自由，局部存在1/2M的轴线定位，在对方案进行优化设计的过程中，通过统一模数，协调框架结构的轴网尺寸，使标准层的钢梁尺寸由原设计中的8种减少至2种。另外，由于原设计中钢框架沿外墙布置，外墙与结构柱、外梁、挑梁之间的节点设计比较复杂，优化设计中将标准层楼板外挑1m，避免外墙与结构柱连接，简化了外墙与梁柱之间的节点连接（图4）。

图4 案例9优化后的建筑平面图

（2）管线集成的优化设计

管线的集成优化设计也是装配式平面标准设计的重要方面，管线的集成设计一方面可以简化平面；另一方面，归并建筑设备管线，可以有效地减少管线穿墙，简化外墙保温和气密性措施。例如在表2的案例9中，雨水管布置在保温层外侧，设置独立的空间做保温、气密和隔声处理。

3 高校教学建筑的预制构件标准化

（1）预制构件设计

标准设计的另一个重要方面是预制构件标准化。工业化的预制构件多种多样，目前在我国装配式高校教学建筑的实践中，预制构件的使用主要集中于预制柱、预制外墙、门窗、叠合楼板、预制内墙、预制楼梯。例如，在案例9中，采用预制钢结构（钢柱、钢梁，预制率100%）、ALC板（内外墙，预制率90%）、桁架板（楼板，预制率80%），预制楼梯（预制率90%）。此外，表4列举了表2的案例11中的预制构件设计。

表4 案例11中预制构件的设计

（2）节点连接方式

预制构件的连接方式优化，也是装配式建筑重要的方面。在表2的案例9中，采用标准化的螺栓连接节点，钢结构优化为标准化的梁、柱钢结构，在现场用钢梁、钢柱进行组合成框架单元。其连接节点仅为钢框架、柱钢接连接节点和钢框架梁、次梁铰接连接节点两类。在优化设计中，通过连接节点的标准化优化，将连接节点从原来的164种优化为20种[6]（图5～6）。

图5 案例9钢框架梁、柱刚接连接节点示意图

图6 案例9钢框架梁、次梁铰接连接节点示意图

4 基于标准设计的立面多样化设计

标准化设计区别于标准设计，并非千篇一律，而是将一系列标准的基本单元通过多样化的组合，形成形式多样的个性化建筑产品。在标准化的基础上实现多样化，基础模数的取值越小，标准设计的开放性越高，预制构件组合的多样性则越强，但是基础模数取值则会导致预制构件的种类增多。因此，在标准设计的基础上进行多样化设计，需要选取合适的模数，在设计中，减少构件种类，尽量采用“少规格、多组合”来形成多样效果。表5中罗列了表2的案例10的外墙拆分设计，用尽可能少的模具进行预制构件设计，通过组合方式进行外立面多样化的设计。

表5 案例10中的外立面拆分设计

另外，除了通过预制构件的拆分设计进行外立面多样化设计以外，在装配式高校教学建筑的设计中，同样可以采用传统的增加绿化、材料和色彩、第五立面营造、引入新技术等方式来进行多样化的设计。

结语

标准化设计是装配式建筑的关键，尤其是设计阶段在装配式建筑的全产业链中起着举足轻重的作用。在全国范围大规模的推动装配式建筑，以及高校建设需求量持续增大的背景下，装配式体系在高校建设中应用的优势也逐渐显现出来。尤其是在高校教学建筑中，结构规则、柱网尺寸集中、多功能空间的重复率高等特点，具备标准化优化的先天优势，在今后的发展过程中应该得到推广。装配式高校教学建筑标准化设计的研究，是其进行装配式全过程建造的第一步，为高校教学建筑产业化、绿色化、信息化发展提供了基础。

资料来源：

图4：山东建大建筑规划设计研究院提供；

图5～6：参照参考文献[6]绘制；

表5中的图片：华阳国际工程设计有限公司提供；

表1：各省市住建部门网站、预制建筑网；

表2：华南理工大学建筑设计研究院提供，山东建大建筑规划设计研究院提供，华阳国际工程设计有限公司提供；

文中其余图表均为作者绘制。

注释

① 2016年2月，国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出“大力推广装配式建筑”，“加大政策支持力度，力争10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”。2016年9月，国务院印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，明确了发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，并提出8项重点任务，是我国今后一段时间内推进装配式建筑的纲要。

② 2017年，住建部为全面推进装配式建筑的发展，出台了《“十三五”装配式建筑行动方案》、《装配式建筑示范城市管理办理》、《装配式建筑产业基地管理办法》等，为装配式建筑发展提供了措施保障。

③ 扩大模数（2M、3M、6M、9M、12M……）一般用于开间、进深、柱距、跨度、洞口、层高等，分模数（M/10、M/5、M/2）一般用于缝隙、节点构造、构配件截面等，这也是符合目前装配式常用建材的尺寸。