基于裝配式鋼結構中小學教學建筑設計標準化的淺議

原雪風 高學芹 李維松 楊雪峰

1. 中國礦業大學工程咨詢研究院（江蘇）有限公司 江蘇 徐州 221008；2. 江蘇建筑職業技術學院 江蘇 徐州 221008

引言

工業化快速發展對我國建筑行業具有極大的促進作用，在其設計方面，工業化的生產線為建筑標準化奠定了基礎，是標準化設計的前提。在建造水平日益提高和國家教育建設大力推進的現狀下，中小學建筑的標準化設計具有重要意義。以標準化手段，從個體到總體的設計，從局部簡單設計到系統復雜設計，以實現控制成本、提高生產效率、保障產品品質為目的，將中小學教育建筑按照工業制品的工業化生產方式進行生產，以現代化的生產模式從而得到標準化的建筑成品。并且中小學教育建筑依據標準化設計，呈現出統一化、系列化、組合化、模塊化的特點，在實際建設過程中能夠保證質量的同時快速設計、施工，并進一步降低生產成本，因此，將鋼結構中小學建筑標準化設計運用到實際工程中具有重要的實踐意義。

1 中小學建筑設計標準化的意義

中小學建筑的標準化設計是通過建立標準化體系，對工程的建設規模和建造標準進行規范，通過控制產品的品質，建立有利于實現中小學建筑產品安全性和良好的使用性能，能夠滿足使用者的功能及情感需求。在工程造價上，標準化設計也具有得天獨厚的優勢，能夠降低造價并為控制工程投資提供依據。在中小學建筑項目建設中，標準化設計有利于建筑、結構部件、部品系列化和模塊化生產，促進裝配現代化，也加快了中小學建筑的建設速度。

在此基礎上，我們提出中小學建筑可采用以普通教室為單元的標準模塊化設計策略，既滿足現代教學的功能，保證教育空間的均好性、經濟性，又實現可持續發展背景下的建設需求[1]。

2 中小學建筑設計標準化的內容

2.1 建筑功能空間設計標準化

中小學教學建筑是以普通教室的教學空間為主，與交通空間（走道、樓梯）、生活服務空間（衛生間）等構成完整教學建筑。

2.1.1 教學空間：依據《中小學設計規范》對建筑空間面積的要求：小學普通教室最小使用面積為67.5m2（45人/班），中學普通教室最小使用面積為75m2（50人/班），即生均為1.5m2。從而得出教學樓的普通教室柱網空間可定為7.5×9.6m（小學）、8.0×9.9m（中學）標準化尺度；（如圖1所示）。

圖1 小學普通教室標準平面圖與中學普通教室標準平面圖

2.1.2 交通空間。

2.1.2.1 疏散走道。根據《中小學設計規范》要求：中小學校建筑的疏散通道寬度最少應為2股人流，并應按0.60m的整數倍增加疏散通道寬度（每股人流的寬度應按0.60m計算），其寬度按照每100人的凈寬度計算（見表1），同時應滿足教學用房的內走道凈寬度不應小于2.40m，單側走道及外廊的凈寬度不應小于1.80m。所以常用1.8、2.4、3.0、3.6m等模數化凈尺寸控制設計空間尺度，通常柱跨取2.6、3.0、3.6、4.2m（包含防火及外飾面后柱截面取0.6×0.6米）。（見圖1）

表1 安全出口、疏散走道、疏散樓道和房間疏散門每100人的凈寬度（m）

2.1.2.2 樓梯間?！吨行W設計規范》（GB50099-2011）要求：中小學校教學用房的樓梯梯段寬度應為人流股數的整數倍。梯段寬度不應小于1.20m，其寬度按照每100人的凈寬度應按表1計算，并應按0.60m的整數倍計算梯段寬度。每個梯段可增加不超過0.15m的擺幅寬度。

由此，在實際項目設計中，通常單個中小學教學樓長度多為4～6口教室，按照規范要求，則樓梯梯段凈寬度多為2.4～3.6米，所以樓梯間開間可以采用3.0m或4.2m柱跨（柱截面取0.6×0.6m）。疏散樓梯寬度應根據實際項目具體人數最多一層經計算確定。

2.1.3 生活服務空間（衛生間）。衛生間設置見給排水設計標準化詳述。

2.2 維護結構設計標準化

根據《中小學設計規范》（GB50099-2011）要求：中小學校主要教學用房的最小凈高應符合以下規定：普通教室3米（小學）、3.05m（初中）3.1m，通常中小學教學建筑教學樓設計則采用3.6m（小學）、3.9m（中學）層高，滿足教室單元的標準化空間、采光、通風要求。從而形成以圍合教室空間為組成單元標準的外墻、外窗、內隔墻及內門窗的標準化部品部件，實現維護結構設計標準化。

2.3 結構構件設計標準化

為了充分實現設計標準化目標，在鋼結構中小學建筑設計中，根據《建筑結構荷載規范》及《建筑抗震設計規范》、《裝配式鋼結構建筑技術標準》，以滿足結構設計原則：結構堅固、耐久，建筑物的各項功能符合要求，美觀大方，技術先進 ，合理降低造價。

以普通教室為單元結構布置時，應著眼于滿足建筑使用功能、施工方便快捷、標準化程度高等幾方面因素。以教學用房一般較為規則方正的特點，主體結構采用統一的構件布置方案，統一的節點連接方式，實現了設計標準化和施工模式化。其中：鋼柱采用鋼制箱型（壁厚根據荷載計算），鋼梁采用H型鋼梁，梁柱結構平面布局及構件見圖2、圖3所示，具體項目根據實際荷載及計算選用主次梁高度及型材規格。其節點連接采用螺栓連接。

圖2 小學普通教室標準平面結構布置及構件選用表

圖3 中學普通教室標準平面結構布置及構件選用表

在滿足規范要求及結構安全前提下，以選用大批量少規格鋼結構構件，實現工廠標準化制作、現場標準化安裝。

2.4 設備配置設計標準化

在《中小學設計規范》（GB50099-2011）中，對教學建筑室內環境的空氣質量、采光、照明、噪聲控制均有明確規定，因此在標準化模數空間里，對各項設備則可采用標準化設計、選型、安裝，從而實現設備配置設計標準化，主要分為以下幾方面：

2.4.1 給排水設計標準化。中小學教學建筑中給排水專業設計包含給水、排水兩方面。給水有生活給水、消防給水等，其中生活給水按照下式計算：

式中：qg-計算管段的給水設計秒流量(L/s)；

Ng-計算管段的衛生器具給水當量總數；

α-根據建筑物用途而定的系數，應按教學樓α值取1.8采用。

中小學教學建筑通常以固定班級數量及師生總人數計算出衛生間器具數量，依據規范要求：①男生應至少為每40人設1個大便器或1.20m長大便槽；每20人設1個小便斗或0.60m長小便槽；女生應至少為每13人設1個大便器或1.20m長大便槽； ②每40-45人設1個洗手盆或0.60m長盥洗槽；所以衛生間空間可以根據班級數量采用模數化設計：每班約設男衛大便器（小學0.6個/班，中學0.7個/班）、小便器（小學1.5個/班，中學1.5個/班）；每班約女衛設大便器2個/班，每40-45人設1個洗手盆或0.60m長盥洗槽。根據一棟教學樓包含的教室數量從而能夠估算出其需要的給水量，進而設計相應給水管管徑、數量[2]。

消防給水則按照現行國家標準《建筑給水排水設計規范》有關規定設計。

中小學教學建筑中排水專業設計包含生活污水、雨水排水，其中污水排水設計依據 《建筑給水排水設計規范》中小學教學樓建筑生活排水管道設計秒流量，應按下式計算：

式中：qp-計算管段排水設計秒流量(L/s)；

Np-計算管段的衛生器具排水當量總數；

α-根據建筑物用途而定的系數，按2.0～2.5計算；

qmax-計算管段上最大一個衛生器具的排水流量(L/s)。

當計算所得流量值大于該管段上按衛生器具排水流量累加值時，應按衛生器具排水流量累加值計算。

雨水排水則按照現行國家標準《建筑給水排水設計規范》有關規定設計。

2.4.2 暖通設計標準化。中小學校建筑的采暖通風與空氣調節系統的設計應滿足舒適度的要求，并符合節約能源的原則?？筛鶕诘氐臍夂蛱卣?、能源資源條件及其利用成本，經技術經濟比較確定采暖與空調冷熱源形式。房間采暖設計溫度不應低于18℃。

中小學校建筑的通風設計應優先采用有組織自然通風設施，室內空氣質量應符合現行國家標準，普通教室的新風量應符合現行國家標準《公共建筑節能設計標準》GB 50189的有關規定。當采用換氣次數確定室內通風量時，各主要房間的最小換氣次數應符合小學2.5（次/h）、初中3.5（次/h）、高中4.5（次/h）的標準。

2.4.3 電氣設計標準化。中小學校建筑的普通教室電氣設計可分為強電（照明、動力）和弱電系統，以普通教室為標準單元，其強、弱電布置及電氣設備數量如圖4與圖5所示。（見文末）

圖4 中小學普通教室照明布置平面圖與中小學普通教室動力布置平面圖

圖5 中小學普通教室弱電布置平面圖與中小學普通教室電氣設施數量統計表

3 裝配式鋼結構中小學建筑設計標準化的應用

目前全國各地有一大批已建或在建鋼結構中小學建筑，尤以中建科工先后在北京、上海、深圳、天津、成都、石家莊、廈門、徐州、宿遷等多個國內重點城市以及海外地區承建了近百所裝配式鋼結構學校，大力推行鋼結構裝配式建筑新理念、新體系、新技術，形成GS-SCHOOL的鋼結構裝配式學校建筑品牌，具有抗震安全、結構耐久、空間靈活、舒適度高、跨度更大、凈空更高、裝配率高、造價經濟、快速交付、綠色環保等顯著優點，并在項目建設過程中大力推廣應用智能制造、智慧建造、智慧工地等新技術。其中僅2020年在江蘇省宿遷市就有11所約52萬m2的中小學建成并成為省級建筑產業現代化示范項目。

此外，還有以裝配式鋼結構技術建成的典型學校：

深圳大磡小學：深圳首個裝配式鋼結構學校建成。60多間教室像積木一樣搭建而成，由于預制構件配件可在工廠內同步進行，因此該項目現場投入的木工、鋼筋工等只占同等建筑面積現澆結構的60%，工期縮短約35%，只用了4個多月，現場施工人員也減少了40%。

紹興縣錢清中學：該項目從接受委托到建設完成投入使用只有短短17個月，設計團隊僅耗時兩個月便將全套施工圖紙交付施工。針對教育建筑的獨特性：中小學教育建筑普通教室的開間進深比例相似，功能用房具有相當的適應性，各個功能模塊組合相對固定，因此使得中小學教育建筑符合預制裝配式建筑最需要滿足的經濟可操作性。采用定制化的鋼結構體系，節省大量的項目運作時間，降低至少5%以上的中間環節成本[3]。

4 結束語

從長遠發展來講，裝配式鋼結構中小學建筑采用標準化設計是社會和科學技術發展的必然要求，是我們在當前社會工業化產生的，需要一定發展過程。本文通過對標準化在裝配式鋼結構中小學建筑設計運用中的分析與研究，使我們充分認識到標準化設計的優點：減少設計工作量，提高勞動效率；促進建筑工業化、裝配化，加快建設速度；有利于采用和推廣新技術；便于實行構配件生產工廠化、裝配化和施工機械化，提高勞動生產率，加快建設進度；可為后期的施工、運營管理等帶來便利。裝配式鋼結構中小學建筑采用標準化設計的推廣和運用，可以使我們的設計更加合理和完善，進而為使建設工程可持續發展貢獻自己的一分力量。