第3章建筑工业化技术体系 学习目标 通过本章的学习，掌握建筑工业化技术体系的框架； 掌握工业化建筑的设计特点及要求，掌握其设计阶段，理解深化设计所涉及的内容，并了解工业化建筑设计的未来趋势； 掌握建筑工业化建筑体系的基本原理、主要形式及其建筑设计要点； 掌握工业化建筑结构体系的主要形式，并会选择工业化的结构体系； 掌握建筑工业化的关键技术； 通过案例深入了解建筑工业化的技术体系。 3.1工业化建筑的设计 3.1.1工业化建筑的设计特点及要求 1. 工业化建筑的设计特点 建筑生产过程的预制化和装配化是建筑工业化的重要实现手段之一，通过工厂预制、现场装配，可以确保建筑的生产过程能实现或接近实现联合国定义的工业化的六条标准——生产的连续性、生产物的标准化、生产过程的集成化、管理的规范化、生产的机械化、技术科研生产一体化，也为实现我国行业内广泛认同的“五化”，即标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理的新型建筑工业化建造方式提供了可行的路径和方法。因此，作为“五化”之首的“标准化设计”，其核心 是如何让建筑的生产过程实现标准化、集成化、机械化、信息化和自动化的生产方式。其次，也要研究如何保证建筑部品和构件在生产过程中的连续性及技术科研生产一体化等问题。其工业化建筑的设计特点如下。 1) 设计过程同步化、一体化 与传统建筑相比，工业化建筑更重视专业间的协作，同步进行设计的专业包括土建设计的各专业、室内装修设计、二次部品设计，各专业相互制约又互为条件，随着土建设计的推进，各专业设计逐步深化、完善，同步化、一体化设计不仅要关注内装设计、部品设计的条件，还要关注下游环节的构件以及部品的生产、运输、施工等客观条件，设计过程需模拟建造过程对可能会发生的问题采取的预防方法。 2) 设计的合理性和经济性需考虑构件生产、施工条件的制约、影响 工业化设计的合理性不能仅考虑设计阶段本身的合理性，其合理性建立在对构件生产的工艺、施工技术水平和设备条件的充分了解、充分利用的基础上，只有这样，设计的经济性才能体现出来。 3) 设计的完成度提升，设计的可控度得到提高 传统建筑的部品如雨篷、栏杆、门窗等通常在土建设计文件完成后进行设计，其设计以土建设计为依据，互相之间的合作不足，专业优势未得到发挥。工业化建筑在设计阶段完成前，所有部品、构件的设计文件都已深化设计完成，设计会对其多种样品、详细报价进行比较，将传统建筑在施工阶段控制不好的二次深化内容前移至设计阶段进行，设计文件的完成度得到提升，施工阶段设计文件对工程质量、效果的可控度得到明显加强。 4) 设计对项目成本的影响更加直接、重大 工业化建筑设计直接影响构件、部品生产模具的重复使用次数和模具加工生产的难易程度，模具成本直接影响构件的成本，也会影响运输效率(运输成本)、吊装设备(施工成本)等。在传统建筑中，施工成本和材料成本基本不受设计的影响。 2. 工业化建筑的设计要求 作为工业化建筑，最主要的环节体现在大量的工作由现场施工转变为工厂预制，这就要求工业化建筑的设计人员 不能仅仅掌握建筑知识，还需要掌握生产、设备、施工安装以及运输等方面的统筹过程。因此，工业化建筑设计的合理性、经济性需考虑构件生产、运输、施工等条件的制约和影响。 工业化建筑的整体设计原则需考虑以下几个方面： 构件设计标准，构件组合多样，连接节点施工简单，生产制作简易， 模具种类减少，运输方便高效，施工安装简单。 从现阶段国内的发展来看，全部构件做到标准化也只是理想状态，建筑的个性化与构件的标准化是相冲突的，也是商业化建筑市场所不允许的。但从国外某些案例来看，固定的单元格式也会拼装出漂亮的外立面效果，因此单元拼装的特色视觉效果也许会成为工业化建筑设计的突破口。目前，国内也慢慢将个性化的设计融合到预制构件拆分设计中。 3.1.2工业化建筑的设计阶段 按照我国的习惯，工业化建筑设计可分为技术设计和施工图设计两个阶段。 第一阶段(技术设计)： 在设计院完成，画出部件的分割和标注尺寸，按结构要求提出配筋和混凝土要求，以及连接点的构造。 第二阶段(施工图设计)： 如果有标准图集，即可在图纸上注明，否则由预制件生产单位完成。首先，预制生产单位从制造、运输、安装角度考量设计方案是否合理，将过小的部件合并成大构件，或将不便生产或运输的大部件分割。然后需画出每个单一构件的实际尺寸以及表面和节点处理方法。后者在香港称为shop drawing，即生产工厂的图纸，相当于汽车零件的加工图，经设计院批准后方可实施。用习惯的说法即为工业化的房屋部件设计需经预制构件厂“二次深化”。 3.1.3工业化建筑的深化设计 装配式混凝土建筑设计是一个有机的过程，“装配式”的概念应当伴随着设计的全过程，需要建筑师、结构设计师和其他专业设计师密切合作与互动，需要设计人员与制作厂家和安装施工单位的技术人员密切合作与互动。装配式混凝土建筑设计是具有高度衔接性、互动性、集合性和精细性的设计过程，还会面对一些新的课题。 (1) 从构建生产工艺角度来看，深化设计需考虑以下几个环节。 构建详图： 制作适合生产的构件详图，包括模板图、配筋图。 模具图纸设计： 符合模具设计的初步构件图可以在构件外观尺寸确定后提供，设计师根据需要可审核模具图。 模具加工： 尽量考虑模具使用的通用性及重复利用率。 工厂备料： 设计确定构件的所有预埋件型号、外饰面材料、门窗型号等。 绑筋、组模、预埋： 构件图中需明确表示配筋要求、预埋件的定位、防雷设置要求，注意避免位置互相干涉。 混凝土浇筑： 构件图需表达不同构件所用混凝土的标号。 脱模、养护： 构件图需表达脱模的吊点、吊具型号及位置。 (2) 从构建物流运输角度来看，深化设计需考虑以下几个环节。 构件养护： 是否达到脱模、起吊强度要求，要求达到设计强度75%以上。 成品堆放： 构件详图明确构件编号、楼栋号、层号、轴线及构件顺序，构件表面喷涂相应信息。 成品质检： 对应构件详图，检验钢筋外露尺寸、构件尺寸等，发放合格证或准用证。 构件装车： 构件拆分尺寸需考虑车辆宽度及载重要求，配备专用的构件运输架。 构件质量检查： 深化设计图纸，明确构件验收标准。 3.1.4工业化建筑设计趋势 1. 文化性趋势 当代工业化建筑发展的第一个新趋势就是文化性趋势。工业化建筑作为整体建筑发展中的一部分，体现了社会发展过程 中人们对于生产、生活的更高需求，具有一定反映和承载文化艺术发展的作用。当前许多工业化建筑在进行设计建设的过程 中具有一定的设计感和文化性，不仅能够有效反映生产企业的企业文化，促进企业的品牌形象建设，还能有效反映社会发展过程中工业化建筑的发展历程，具有一定的历史借鉴意义。 2. 人性化趋势 当前，随着社会、经济、科技的多方面发展，在进行工业化建筑设计的过程中，不仅要考虑对人们生产、生活需求的有效满足，还需要重视工作人员的安全工作环境。工业化建筑的设计重心也不断从对生产需求的完全服从向满足工人生产环境优化而发生转移，各种类型的工业化建筑在设计建设的过程中加强了人性化设计，包括对工业生产环境的绿化和对各种安全措施的满足。比如，在进行工业化建筑设计的过程中，加入大量的树木花卉，从而满足工人在日常工作中对自然环境的欣赏需求，并实现对工业化建筑环境的空气净化处理。法国有一个专业的人类工程部，对人类工程学在工程设计和管理中的应用进行研究，着重提出对工艺生产、劳动管理和空间环境三方面的重视能够有效提高工人的劳动效率。这也与当前进行的工业化建筑设计过程中加强人性化设计的需求不谋而合，符合当前国内以人为本的建设要求，是城市化建设推进过程中工业化建筑建设的必经之路。需要加强对特定工业建筑原材料的分析和研究，结合当前城市设计新理念，加强对建筑设计的选址和自然文化背景分析，坚持以人为本的设计原则，实现建筑功能的多元化。 3. 多功能化趋势 当前国内经济正处于重要的转型发展阶段，国内的建筑行业有了巨大的发展空间，而工业化建筑在进行设计建设的过程中，也需要从提供劳动密集型建筑设计转向技术密集型建筑设计，这也是当前国内经济的发展变化趋势。工业建筑化设计需要遵循当前经济发展的实际需求，积极适应新的工业发展形势。另外需要注意的是，当前随着社会、经济、科技的迅猛发展，技术型工作人员的重要性不言而喻，在进行规划建筑设计的过程中，需要加强对技术性工业人员需求的满足，积极向多功能一体化趋势发展，真正实现工业化建筑中的人性化设计。比如，在进行工业化建筑设计的过程中，对休息、健身、娱乐以及餐饮等功能的设计就是非常必要的，以上海的浦东软件园为例，浦东软件园是一座新兴的多功能工业化建筑，具备工业建筑设计的新型设计 理念，满足技术性工作人员的生产生活需求，是当前国内工业化建筑及建筑群的设计模板之一。 4. 可持续化趋势 第20届世界建筑师大会曾经出现这样的观点，未来建筑在发展过程中必然坚持绿色和生态的发展趋势，这也是当前工业建筑发展过程中的可持续要求。但是工业化建筑相比其他普通建筑具有更高的复杂性，工业化建筑比商业建筑以及民用建筑在对环境的污染和破坏方面具有更大的影响。工业化建筑的主要目的在于工业用途，因此在生产生活的过程 中难以避免对能源和材料的应用，从而产生对环境的污染和破坏。正因为如此，当前工业化建筑在设计、 建设的过程中必须坚持可持续发展的道路。在进行工业建筑设计的时候， 设计人员不仅要重视建筑的绿色、节能、环保特性， 还需要对工业建筑的使用期限进行设定。当工业建筑 到使用期限之后，应考虑建筑是否能够进行二次使用，以避免对已有建筑文化的破坏和浪费，提高城市资源利用率。比较有名的将工业化建筑用途进行转化的先例是德国的艾森矿业煤矿区，通过对工业建筑的改建， 保留了传统的工业建筑文化， 并且建设了可供人们休闲娱乐的画廊和游乐园，这种工业建筑用途的转化不仅能够有效提升建筑资源利用率，还能 在建筑拆建的过程中避免对周边环境的破坏和影响。国内比较典型的工业化建筑用途转化项目是北京的再造798，北京的城市建设可利用面积较为紧张，因此将798工厂进行再造利用，使798工厂内形成独立的画廊、工作室以及各种多功能展示空间，使传统旧工业区焕发了新的生机，提升了城市建筑利用率，符合当前城市的可持续发展要求。 3.2建筑工业化的建筑体系 要实现建筑工业化，有一个很重要的技术前提，这就是必须进行工业化建筑体系的设计。这种设计具有一个明确的指导思想，即它完全立足于工业化生产。它比完成一个某一类结构的单一的建筑设计要复杂得多，也困难得多。简言之，它是把建筑物视为一种工业产品，从建筑、结构、设备(水、暖、电)甚至居住建筑的固定家具，到成套构件的成型工艺及设备、施工组织、吊装运输、技术经济分析，都在设计过程中综合配套解决，提供全套的技术文件。 3.2.1工业化建筑体系的基本原理 建筑构件分为受力构件和非受力构件，通常将受力构件称为标准构件，如楼板、梁、楼梯、墙板等； 而门、窗以及装饰装修等配件称为建筑物的非受力构件，归结为标准配件。 为使标准构件与标准配件便于产品的互换、产品的定型与批量生产，工业化建筑体系必须遵循模数，按照统一模数进制的原则进行系统设计。 工业化建筑体系分为通用建筑体系和专用建筑体系两类。通用型是以通用构（配）件为基础，进行多样化房屋组合的一种体系，设计易于做成多样化，且构（配）件的使用量大，便于组织专业化大批量生产，以构（配）件定型为主，各体系之间可以互换，比较灵活。专用型以建筑物定型为主，构（配）件不能互换，但应以工厂化生产。 3.2.2工业化建筑体系的主要形式 工业化建筑体系有砌块建筑、大板建筑、框架轻板建筑、大模板建筑、滑膜建筑、升板升层建筑、 盒子结构、大跨度网架等各种建筑。 1. 砌块建筑(预制块材做砌墙材料) 砌块建筑是指用尺寸大于普通黏土砖的预制块材作为砌墙材料的一种建筑。砌块可用混凝土或工业废料做原料，它可以是实心的或空心的，每块尺寸比普通黏土砖大得多，因而砌筑速度比砖墙快，其他承重构件和砖混结构差不多 （图31和图32）。 图31砌块建筑构造 按目前砌块相关建筑规范规定，砌块建筑最高为六层。 砌块建筑的优点： 所需设备简单，施工速度快，节省人工，便于就地取材，能大量利用工业废料，造价低廉。 砌块建筑的缺点： 工业化程度不高，是工业化初级阶段必须经过的一种形式。 常用砌块： KP1黏土空心砖、模数砖、混凝土空心砖、陶粒混凝土空心砖、加气混凝土实心砖 （图33和图34）。 图32砌块排列示意 图33KP1黏土空心砖、模数砖 砌块建筑设计的注意事项如下（图35~图39）： (1) 建筑平面力求简洁规整，墙身的轴线尽量对齐，减少凹凸和转角； (2) 选择建筑参数时，要考虑砌块组砌的可能性，当确定砌块的规格尺寸时，应先研究常用参数和各种墙体的组砌方式； (3) 门窗大小和位置、楼梯的形式和楼梯间的设计，也要与砌块组砌问题同时考虑； (4) 砌块建筑应满足墙体承重、保温、隔热、隔声等结构和功能要求； (5) 为施工方便和减少吊装次数，应尽量用较大砌块； (6) 砌块的排列组砌，要满足构造的要求。 砌块建筑实例如图310所示。 图34混凝土空心砖 图35砌块外墙剖面排块 图36砌块阳角平面排块 图37砌块窗间排块组合 图38混凝土空心砌块内外墙链接的芯柱 图39空心混凝土砌块建筑的芯柱 图310砌块建筑实例图 2. 大板建筑(工厂预制大块板材组合) 大板建筑是指使用大型墙板、大型楼板、大型屋面板等建成的建筑。所用的板材在专门的大板厂制作，或者在现场预制，用机械方式施工装配而成，是一种全装配式建筑。其特点是除基础以外，地上的全部构件均为预制构件，通过装配整体式节点连接而 成，如图311所示。 图311大板建筑 1) 大板建筑的主要构件 大板建筑的主要构件有内墙板、外墙板、隔墙板、楼板、 阳台板、楼梯、屋面板和挑檐板以及烟道、通风道等构件，见图312。 图312装配式大板建筑示意图 内墙板分为横向内墙板和纵向内墙板。 横向内墙板是建筑物主要承重构件，要求有足够的强度，以满足承重的要求。 纵向内墙板是非承重构件，它不承担楼板荷载，还与横向内墙相连接，保证纵向刚度，因此也必须有一定的强度和刚度。图313为内墙板外观。 外墙板应有一定的强度，能够承担一部分地震荷载和风荷载。山墙板是外墙板中的特殊类型，它具有承重、保温、隔热和立面装饰的作用。 墙板可以是用同一种材料制作的单一板，也可以是由两种以上材料制作的复合墙板。 外墙板的顶部应有吊环，下部应留有浇筑孔，侧边应留键槽和环形筋。图314为一般外墙板外观，图315为阳台处外墙板的外观。 图313内墙板外观 图314一般外墙板 隔墙板主要用于建筑物内部房间的分隔板，没有承重要求。为了减轻自重，提高隔声效果和防火防潮性能，有多种材料可供选择，如钢筋混凝土薄板、加气混凝土板、碳化石灰板、石膏板等，见图316。 图315阳台处外墙板 图316隔墙板 楼板可以采用钢筋混凝土空心板，也可以采用整块的钢筋混凝土实心板。目前国内以采用整间钢筋混凝土实心板为主。连接钢筋的锚固长度应不小于30d。楼板在承重墙上的设计搁置长度不应小于60mm； 地震区楼板的非承重边应伸入墙内不小于30mm。图317为实心楼板详图。 一般阳台板为钢筋混凝土槽型板，两个肋边的挑出部分压入墙内，并与楼板预埋件焊接，然后浇筑混凝土。阳台上的栏杆和栏板也可以做成预制块，在现场焊接。阳台板也可以由楼板挑出，成为楼板的延伸。图318为楼板延伸阳台板详图。 楼梯分成楼梯段和休息平台板两大部分。休息平台板与墙板之间必须有可靠的连接，平台的横梁预留搁置长度不宜小于100mm。常在墙上预留洞槽或挑出牛腿，以支撑楼梯平台，见图319。 屋面板一般与楼板做法相同，仍然采用预制钢筋混凝土整间大楼板。挑檐板一般采用钢筋混凝土预制构件，其挑出尺寸应在500mm以内，见图320。 图317实心大楼板 图318楼板延伸阳台板详图 图319楼梯构造