本文来源：《CA当代建筑》

1源起

学校是社会发展阶段的缩影。受不同社会发展阶段的影响，学校建筑也必然与不同历史阶段的建筑理论、建筑材料和建造技术发生联系。第二次世界大战后，英国出现了CLASP轻型钢结构学校建筑体系。轻型钢结构充分发挥了钢结构的优点：构造轻盈，工厂规模化生产，干法快速装配施工，快速建造，便于搬迁。年以后，美国在CLASP体系基础上进一步发展了“校园建设体系开发项目”，简称“SCSD学校建造体系”，包括轻钢主结构、次结构系统、通风空调系统、照明天花系统、轻质隔断系统、家具及橱柜系统等，强调开放空间，隔墙可自由分隔，适合不同需要的教学活动，更加具有机械化生产和装配化施工的优势。在该体系规范下，截至年，共建成了22所学校，延至年，共有余所学校在类似原则指导下建成。

但这些体系大多属于专用体系，专用体系相应房屋的构件、配件、连接节点都是定型的，不能互换，必须依赖固定生产线，可变性差，无法满足各类建筑的需要，而且隔声差，房间使用效率不高，在20世纪70年代末很快就退出了学校建设领域。

日本从年引入了英国CLASP体系和美国SCSD体系，借鉴其开放建筑的理念及经验，发展了KEP和KSI住宅体系。年住宅公团开发了KEP住宅体系，由围护系统、内部系统、卫生系统、通风及空调系统4个子系统构成。后续受到荷兰代尔夫特理工大学Randen教授的影响，进一步发展完善，最终形成了SI住宅体系。

我国自20世纪60～80年代起就积极推进建筑工业化，并取得了一定成效，但几起几落，始终跟不上世界的脚步。对比起来，我国装配式建筑没有得到很好发展的原因，在于将装配式建筑简单等同于结构的装配化，缺少了上述各国体系化集成的发展历程，导致结构、围护、机电、内装不配套，缺乏系统性和体系化的集成整合。学校建筑也是如此。近几年虽然建设了不少混凝土框架结构和钢结构的学校，但由于结构、围护、机电、装修等各种技术要素处于碎片化的离散状态，缺少系统性的集成整合，尚不能形成成熟、可靠的装配式学校建造体系。

为了解决上述关键问题，我们以系统工程科学理论为指导，建立了装配式建筑系统集成设计理论，将装配式建筑作为一个复杂的系统加以研究，在国内率先提出装配式建筑结构、围护、机电、内装四大系统及其若干子系统的整体架构，并融合设计、生产、装配、管理及控制等要素手段，形成了以总体最优为目标的工业化建筑设计系统工程理论与方法。结合该理论，我们进一步推进了学校建筑系统的数字化，并根据营造实践，形成了钢混组合结构装配式学校建筑产品体系。

2钢混组合结构装配式建筑体系的系统集成设计

钢和混凝土组合结构建筑由四大系统构成：结构系统、围护系统、机电系统、内装系统（表1）。这四大系统各自再被划分为若干子系统，各子系统共同构成了完整的建筑体系。

表1钢和混凝土组合结构装配式建筑系统架构

3结构系统

钢和混凝土组合结构（简称“钢混组合结构”）是采用钢和混凝土构件通过某种构造方式，组合成为整体共同工作的一种结构，兼具钢结构和混凝土结构的特性。这种结构发挥了钢结构抗拉强度高、抗震性能好、自重轻、节点连接便捷可靠的特点，并集成了混凝土抗压性能好、防火性能高、维护成本低的特点，通过组合作用实现耦合效应，达到了最优的结构性能。其结构主体由四大部分组成（图1）：

一、竖向支撑构件：预制混凝土柱，由钢筋和混凝土材料在工厂预制而成，柱内配筋采用大直径钢筋，柱内预埋大直径灌浆套筒和钢柱头连接板；二、水平承重构件：钢—混凝土组合梁，预制叠合楼板与钢梁之间通过后浇混凝土，钢梁顶部设置抗剪连接件，形成钢和混凝土组合梁，组合梁通过高强螺栓与预制柱预留钢节点连接（图2）；三、水平楼盖组合：预制叠合楼板，包括预制预应力带肋叠合楼板和预制不出筋叠合板两种，两种叠合楼板都应实现楼板施工时少设支撑，甚至免设支撑，通过后浇混凝土最终形成钢和混凝土组合楼盖系统（图3）；四、梁柱连接节点：主要的连接节点有柱—柱连接节点、梁柱连接节点和梁板连接节点（图4）。

1钢混组合结构的系统构成

2柱与梁、柱与柱的连接

3组合楼盖构成示意图

4柱头预埋钢节点三维视图

4围护系统

外围护系统的材料种类多种多样，施工工艺和节点构造也不尽相同。设计时，围护系统应根据不同材料特性、施工工艺和节点构造特点明确具体的性能要求。

建筑的围护系统由外墙、外门窗、遮阳、阳台、屋面，以及有防火、隔音等要求的外墙外门窗和外遮阳等子系统构成。

外墙。外墙系统一般可以选用外挂式或内嵌式两种连接方式：外挂式与主体结构间能适应变形，各成独立系统，防水、保温性能好，其设计类似于幕墙系统；内嵌式与主体结构关联度高，应考虑其与主体结构间在温度、风荷载、地震荷载等作用下的变形差，这种变形差是导致外墙开裂、渗漏的元凶（图5）。

5围护系统外挂、内嵌式做法

外门窗。外门窗系统应根据项目所在地的气候、地域特点、建筑功能及性能要求进行设计选型，本项目选用了铝合金门窗，连接节点分别采用了预装法和后装法。

外装饰。外装饰系统是围护系统的重要组成，是建筑师进行立面多样化设计的主要着力点。其设计应结合外墙系统的材料、构造、功能、性能等进行统筹安排，以期达成建筑师预设的创作及建筑表达效果（图6）。

6预制墙板装配效果

外遮阳。好的遮阳设计是降低建筑能耗、提高建筑舒适度、丰富建筑立面形式的重要途径。遮阳的做法和形式很多，包括水平遮阳、垂直遮阳、组合遮阳和可调节遮阳四大类。

阳台。阳台是房间与外部环境之间的过渡空间，装配式建筑常用的有梁式预制阳台、板式预制阳台、板式预制空调板等。通常情况下，宜结合阳台预留一些管道、设备洞口等配套设施，方便后期安装。阳台上的栏杆等是建筑重要的安全防护措施，设计时应在确保安全使用的前提下，结合建筑形式要求，采用工厂化生产的部品部件，现场进行免焊接、免后装膨胀螺栓、免砌筑、免现浇等工艺的装配式安装。阳台可结合空调板进行设计，采用倒置式防水做法。

屋面。在深圳地区，我们推荐采用倒置式保温、隔热一体化上人屋面系统+装配式屋顶绿化模块。

房间分隔墙。房间分隔墙是指房间与公共部分之间，或者不同功能、属性、权属的房间与房间之间，为满足一定的防火、隔音、防盗、保温、隔热、防水等功能而设置的墙体，一般采用混凝土空心条板或ALC加气混凝土条板隔墙。ALC条板隔墙是蒸压轻质混凝土（AutoclavedLightweightConcrete）的简称，是高性能蒸压加气混凝土（ALC）的一种，具有很好的隔声、防火、防水、保温性能，强度高，施工方便，可根据工程设计要求，按使用部位的不同分别用于分户隔墙、走廊隔墙、楼梯间隔墙、房间分室隔墙等。

ALC板一般应选用单板装配，只有在隔声指标较高，且单板隔声性能不满足要求的情况下，才可选用双板加空腔构造。

5机电系统

装配式建筑机电系统由给排水系统、暖通空调系统和电气系统构成（表2）。

表2装配式建筑机电系统图

装配式建筑的机电系统以管线与结构分离为基本原则，各类机电及设备管线的设置应结合吊顶、墙面、地面等单独进行，结构仅预留孔洞，不做管线预埋。

这三所学校建筑公共部分的机电管线，通过竖向管井到达使用楼层，在楼层公共走道吊顶上布置，穿房间分隔墙进入每一个功能空间。设置综合支吊架，将消防、强电、弱电、给水等机电管线，按设计要求安装在综合支吊架上。

公共部分机电管线进入功能空间后，与吊顶系统集成为一体进行房间内的管综设计（图7）。ALC墙体上的开关点位通过开槽布置，陶粒空心板上的开关点位通过空心槽布置。

7教学楼局部吊顶及教室集成吊顶示意图

6内装系统

这三所学校建筑体系的内装系统，主要包括隔墙系统、吊顶系统、地面系统、机电管线与装修一体化等。隔墙系统采用ALC条板隔墙+涂料饰面，局部采用轻质龙骨隔墙系统+硅酸钙一体化饰面板。硅酸钙装饰一体板强度高，平整度高，且可通过覆膜产生多种装饰效果。其可通过柔性生产制造出不同尺寸规格的板材，满足工程的不同需求，并通过卡扣连接件实现干法施工。

装配式吊顶系统一般包括轻质龙骨石膏板吊顶、矿棉板吊顶、金属板吊顶等（图8）。

走廊桥架通过钢梁预留的管线开孔进入房间内部，线管布置在局部吊顶的上方。通过这样的设计，既满足了管线与主体分离的要求，也实现了在楼板不预留、预埋的前提下，通过局部吊顶达到管线不外露的目的，保证室内空间的美观性需求（图8）。

装配式内装地面系统主要分为实铺地面和架空地面，可根据不同功能房间和使用者的需求，灵活选择地砖、木地板、地毯、地胶等面层材料，并根据不同功能空间防火、隔声、清洁等方面的要求，合理选择。

本体系采用实铺地面做法，公共部分采用地砖，教室内采用PVC弹性地板。PVC地板是以聚氯乙烯及其共聚树脂为主要原料，加入填料、增塑剂、稳定剂、着色剂等辅料，在片状连续基材上，经涂敷工艺或经压延、挤出工艺生产的。其具有脚感舒适、花色图案多、耐磨、耐污染、材质轻、易清洁保养、安装快捷的优点（图8）。

8教室及走廊效果

7系统集成设计的三个要点

装配式钢和混凝土组合结构学校建筑体系通过上述结构、围护、机电、内装四大系统，得以清晰地描述，便于设计、采购、施工的分工协作，以及建筑性能要素的组合和集成，在此基础上还需注意以下设计要点。

7.1标准化的设计方法

年9月9日，梁思成先生在人民日报发表名为《从拖泥带水到干净利索》的文章。文章指出：“要大量、高速地建造就必须利用机械施工；要机械施工就必须使建造装配化；要建造装配化就必须将构件在工厂预制；要预制就必须使构件的类型、规格尽可能少，并且要规格统一，趋向标准化。因此标准化就成了大规模、高速度建造的前提。”这说明了建筑工业化必须要以标准化为前提。因此，装配式建筑必须要研究清楚标准化的设计方法。

对学校建筑而言，标准化设计应该合理划分框架柱网，以标准柱网为基本模块，实现其变化及功能适应的可能性，满足其全生命周期使用的灵活性和适应性，本文所列举的三所学校全部采用标准柱网（教室9m×9m，走廊全部为3m×9m）；同时应控制好层高关系，在满足功能需求的前提下，综合梁高、板厚、机电管线空间和装修做法等需求，确定标准化的剖面设计（教室层高4m，办公层高3.5m）。

构件标准化和部品标准化是标准化设计的最终目标，只有通过构件标准化和部品标准化设计，才能满足构件和部品在工厂高效、优质、批量化的生产需求。本体系的主要构件有预制混凝土柱、钢梁、预制预应力带肋板、预制四面不出筋叠合板、ALC空心条板及陶粒混凝土空心条板等。结合其建筑高度、抗震要求、功能需求和生产需求等确定统一的构件尺寸，如预制混凝土柱只有mm×mm×mm和mm×mm×m两种，钢梁也只有mm×mm和m×m两种，预制预应力带肋板主要为mm×mm×50mm等，从而实现构件的标准化。

目前，大量的厨卫部品、内门、收纳等内装部品，都已经实现了工厂化生产，外门窗、空调百叶、栏杆、遮阳等外装饰部品，在装配式建筑中同样需要进行标准化的设计，以满足工厂化生产的要求（图9）。

9穿孔铝板构成轻质外墙

7.2多样化的设计原则

标准化的平面和剖面设计是实现构件标准化和部品标准化的基础。标准化的构件和部品实现了工厂以“少规格”为特征的规模化生产。但这些标准化的部品部件一定要通过“多组合”来实现立面的多样化。建筑立面的各种构成要素，在建筑师的笔下，如同“凝固的音乐”中的7个音符，在“千篇一律”中进行“千变万化”的排列组合，并辅之以色彩、肌理、质感、光影、进退等艺术处理手段，最终谱写出各具特色的美丽乐章，实现立面的多样化和个性化。

7.3一体化的设计思维

装配式建筑体系的设计研发，还应该围绕建筑系统最优的目标，以方便工厂生产和现场装配为出发点，建立设计、生产、施工一体化的设计思维。本体系设计，就是充分征求了工厂技术负责人和施工项目经理的意见，通过3次设计优化，最终由设计、工厂、施工三方共同验收通过，确定了便于工厂生产和现场装配的节点设计（图10）。

10节点设计优化过程

正是因为标准化设计方法，多样化设计原则和一体化的设计思维得到了全面落实，本建筑体系在提供了丰富多样的学校建筑功能、空间、形式的基础上，实现了工厂规模化生产，工地高效吊装施工——平均每10min安装一根混凝土柱，梁柱螺栓采用电动工具连接，每个节点约需15min完成，预应力混凝土叠合板直接吊装在钢梁上，通过70mm现浇层与钢梁组合受力，总体免除了普通钢筋混凝土现浇框架的支模、绑钢筋、大量浇筑混凝土等湿法作业。同样的现场作业面积，每㎡平均6天完成一层，但现浇施工需要工人约80人，装配施工仅需30人，节省了62%的人工。目前，项目已经完成结算，建安成本下降15%。本建筑体系在减少人工、降低成本、提高效率、提升品质方面优势明显。

8小结

发展装配式建筑，是建筑行业供给侧结构性改革的重要抓手，也是我们走出手工粗放、拖泥带水的前工业化时代，实现建筑工业化、自动化、信息化的融合，推动我国建筑工业现代化的重要抓手。发展装配式建筑要以系统工程科学理论为指导，摆脱将装配式建筑简单等同于结构的装配化，导致其围护、机电、内装不配套，各种技术要素均处于碎片化、割裂、离散状态的固有思维和习惯做法。立足于服务工程建造全过程，充分体现系统性和集成性基本要求，以完整的建筑产品为对象，通过系统集成的方法，融合设计、生产、装配、管理及控制等要素手段，以总体最优为目标，实现建筑的提质、增效和可持续发展。

11碧岭学校、科韵学校、深圳实验学校龙岗校区

在坪山实验学校二期、锦龙学校、竹坑学校三所学校中都运用了同样的标准化结构体系，三所学校的柱子、梁、板都可以互换。同时，又采用了不同的标准化部品，如外墙百叶，实现了三所学校标准化和多样化的有机统一。继三校之后，我们又用装配式学校建筑体系，成功中标了深圳实验学校龙岗校区、碧岭学校和科韵学校的设计、施工一体化工程总承包项目（图11），装配式学校的体系化、集成化建筑实践还在继续。■

参考文献

[1]深尾精一．日本走向开放式建筑的发展史[J]．新建筑，（6）：14-17．

图片来源：图1～图5、图7、图10、图11：作者绘制

图6、图9：杨超英拍摄

图8：作者拍摄

作者简介

樊则森中建科技集团有限公司副总经理

张玥中建科技集团有限公司深圳分公司建筑师

张恒博中建科技集团有限公司深圳分公司设计师