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第 36 卷 第 2 期 2023 年 4 月
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雷英，李鸿岩，陈冲袁超兰永祥
摘要:依托深圳地铁某车站工程，建立装配式车站建造成本的测算分析模型，分析矩形断面全现浇方案、矩形断面部分预制方案、矩形断面全预制方案和拱形断面全预制方案的车站建造成本，对比不同车站建造方案的成本差异，提出装配式车站的成本控制措施。与矩形断面全现浇方案相比，不同装配式车站方案测算造价增幅在11%～18%，车站整体造价增幅不大，且尚有优化空间。研究成果可促进装配式地铁车站的建造成本控制，为相关工程的建设提供参考依据。关键词:装配式地铁车站；预制构件；建造成本；成本控制
中图分类号:U231；TU9 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)02-0136-05
装配式建筑是结构主体构件均在工厂内完成浇筑养护，在施工时运输至现场并完成拼装的一种工程形式[1]。相较于传统现浇式建筑，装配式建筑具有施工速度快、制造精度高、现场人员少和绿色环保的优点，工程的综合碳排放量可降低约19%[2-4]。随着我国工程建设向机械化、智能化、绿色化方向发展，装配式建筑凭借其特有优势在推动经济转型升级、克服劳动人口老龄化等方面发挥了重要作用。鉴于此，2016年国务院发布了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，要求相关单位进一步推动装配式建筑在我国的发展。
装配式结构在地下工程领域的应用历史悠久，在19世纪第一条盾构隧道施工时，即采用了装配式的衬砌结构。自此，以钢筋混凝土管片为代表的预制结构成为了地铁区间隧道的主要支护形式[5-6]。除区间隧道外，前苏联最早通过明挖法修筑装配式地铁车站，随后法国、俄罗斯和日本等国也相继建设了装配式地铁车站。目前，国内装配式地铁车站的应用尚处于初期阶段，但发展迅速。近年来我国在长春、青岛、深圳等多个城市的地铁工程中采用了装配式车站。目前，装配式地铁车站的总数已近40座[7-8]。装配式车站具有绿色技术集成、BIM(建筑信息模型)技术集成、智能化集成、标准化集成、工业化生产、装配化施工、信息化管理、一体化精装等显著特点，有利于节约能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，适应城市发展趋势，践行了国家“双碳”发展战略、绿色发展的要求。国内学者针对装配式地铁车站开展了大量的研究，在装配式衬砌的整体设计施工方法、接头抗弯等细部结构特征及整体抗震研究等方面均取得了显著的进展[9-11]，并通过现场监测和室内模型试验验证了装配式车站的安全性[12-13]，为装配式地铁车站的应用和推广打下了坚实的基础。
与传统现浇式地铁车站相比，装配式地铁车站结构的主要构件在工厂制作并运输至现场安装，其建造成本的构成不同[14-15]。本文依托深圳地铁某车站工程，建立了装配式车站建造成本的分析模型，对比了现浇式车站和装配式车站的建造成本差异，并提出了相应的成本控制措施。
以深圳地铁某车站为例，分析矩形断面全现浇、矩形断面部分预制、矩形断面全预制和拱形断面全预制4种方案的建造成本。不同方案中的车站参数如表1所示。其中，矩形断面全现浇方案车站共2层，车站长度236m，断面尺寸为21.4m(宽)×14.02m(高)(见图1)，站台宽度12m。车站主体结构全部由混凝土整体浇筑而成。
矩形断面部分预制方案如图2所示。车站长度236m，采用矩形断面，断面尺寸为22.2m(宽)×15.95m(高)，分为上下2层。装配段长174m，共87环，装配率约43%，其中顶板、侧墙、中板、中柱均采用预制构件，底板采用现浇混凝土修建。本文中，装配率为车站主体结构预制钢筋混凝土总量在车站主体结构钢筋混凝土总量中的占比。
矩形断面全预制方案与矩形断面部分预制方案的车站长度和断面尺寸完全一致，其区别在于矩形断面全预制方案中所有主体结构均采用预制构件，装配率提升至64%。
拱形断面全预制方案如图3所示。车站全长228m，其顶板和底板为拱形(见图4)，截面尺寸为22.3m(宽)×17.35m(高)，如图3所示。其中装配段长174m，其主体结构全部采用预制构件通过“乐高积木”的方式装配而成，预制构件环宽为1.994m，共87环，装配率为60%。此外，内部中板、梁、柱、轨顶风道、站台板及楼梯均为预制结构。拱形断面全预制方案由于采用了拱形的顶板和底板，断面的可利用空间增大，车站总长度比其他3个方案缩短，但车站埋深和开挖土石方随之增加。
以上4种方案均为地下2层12m单柱车站，不同装配式方案中装配段长度均为174m。围护结构、土石方、现浇结构、机电安装等造价的测算主要依据《城市轨道交通工程设计概算编制办法》(建标〔2017〕89号文)及当地相关计价文件，预制构件的造价测算主要采用成本分析法测算。测算内容包括主体及附属结构(围护结构、基坑土石方工程、主体结构及其他、常规机电、电梯)，重点测算预制构件的制作、运输、安装成本。
采用成本测算法测算预制构件的造价。装配式地铁车站的预制构件主要包括外框结构预制构件(顶板、底板、侧墙)和内部结构预制构件(中板、梁、柱、轨顶风道、站台板、楼梯等)。预制构件成本主要由制作成本、运输成本和安装成本组成。由于装配式车站建造涉及的超大型预制构件的施工工艺不具普遍性，需重点解构其建造成本。
构件制作成本包括：预制构件生产成本、场地租赁成本、厂区建造成本、生产设备成本、模具成本、构件厂管理成本和建厂贷款利息。运输成本主要由运输单价和运输距离确定。安装成本主要包括现场拼装的人工费、材料费和机械费。根据调研情况，测算预制构件的制作成本、运输成本与安装成本。构件的制作和运输成本根据调研确定的假设条件为：假设地铁和城际线车站广泛采用装配式结构，市场需求相比产能在规划周期内处于供不应求的状态，构件产能处于饱和状态，即每月生产45环构件；构件厂和生产设备的寿命周期取为10年，并由此计算折旧费；场地租赁总费用以11年计算，并按照10年进行摊销；模具的寿命周期为循环使用2000次；管理费按照构件厂人员配置进行计算；根据一次性投入总额的42%计算贷款利息，并分7年还清；平均运距为75km，并由此计算预制构件的运费。假定一个建造规划周期为5年，其中3年为饱和生产。由于生产线的寿命周期为10年，剩余7年无车站构件的生产需求。此时，构件厂还可生产盾构管片和预制管廊等其他构件以弥补装配车站构件市场需求不足导致的摊销成本过高的问题。本文中，矩形断面现浇方案和装配式车站现浇部分采用定额法进行测算，其具体的测算内容和过程本文不再赘述。
不同方案下地铁车站的建造成本测算结果如图5所示。矩形断面全现浇方案的车站建造成本最低，总投资3.06亿元，经济技术指标为1.95万元/m2；矩形断面底板现浇其他预制方案车站总造价3.40亿，经济技术指标为2.15万元/m2，与矩形断面全现浇方案相比造价增幅为11.25%。矩形断面全预制方案车站总造价3.48亿元，经济技术指标为2.22万元/m2，与矩形断面全现浇方案相比造价增幅为13.68%。拱形断面全预制方案的造价最高，为3.59亿元，经济技术指标为2.00万元/m2，与矩形断面全现浇方案相比造价增幅为17.46%。
总体上看，与矩形断面全现浇方案相比，不同装配式车站方案的造价增幅在11%～18%范围，车站整体造价增幅不大。实际工程中，应根据地铁车站的实际情况因地制宜选用不同的装配方案。成本的增量主要来自于装配段预制构件的制作、运输和安装成本。
文献[16]计算了单方现浇混凝土和单方预制构件的造价，认为装配式车站主体结构比现浇式车站主体结构的造价高出1倍多。此结论是片面的，因其忽略了预制混凝土造价在车站整体造价中的占比问题。单方混凝土造价与车站的整体造价是两个不同的维度。预制混凝土的造价仅是车站主体结构造价的一部分，而车站主体结构造价又是车站整体造价的一部分。从本工程的测算结果可知，虽然单方预制构件的造价比单方现浇混凝土增加了1倍左右，但与矩形断面全现浇方案相比，不同装配式车站方案的主体结构标准断面每延米的造价增幅仅在43%～57%范围。
本工程中，矩形断面全现浇方案车站主体结构造价在车站整体造价中的占比为18.7%，采用其他三种预制方案带来的车站整体造价增幅仅为11%～18%。此外，文献[16]忽略了装配式车站带来的巨大社会、经济和环境效益。虽然与现浇式地铁车站相比，装配式地铁车站建造成本略高，但其带来巨大的社会经济效益并未体现在上述的建造成本中。如：装配式车站可节省总工期2～3个月，提前实现地表路面和地铁通车，促进周边经济发展；装配式车站可减少木材等建筑材料的消耗量，产生较少的建筑垃圾，建造过程中碳排放量大幅下降，浮尘和噪声污染同步降低，具有良好的环境效益；装配式车站构件制作精良，提升了结构的耐久性，可降低长期运维成本；构件生产过程中工人工作环境得到极大改善，现场作业人员大幅减少，装配式车站体现了“以人为本”的思想，是建筑行业产业升级的必经之路。因此，建造装配式地铁车站不应仅从单一的建造成本维度来决策，而应综合考虑装配式地铁车站带来的巨大社会、经济和环境效益。
目前装配式车站仍处于初步应用阶段，装配式车站成本可通过如下措施进行控制。
1)扩大应用规模，提升产能，降低构件的摊销成本。构件制作成本中包含大量的一次性投入固定成本，如厂区建造成本、生产设备成本和模具成本。若城市地铁建设进行合理有序规划，在有持续饱和的市场需求条件下产能越高，一次性投入的固定成本摊销到单方成本就越低。以全预制拱形断面为例，当装配式车站应用的规模从3座(半年产能)扩大到9座(1年半产能)和24座时(4年产能)，可将预制构件的制作成本从4175.7元/m3分别降低至3559.9元/m3和3396.2元/m3，降幅分别为14.7%和18.7%(见图6)。因此，在年产量一定的情况下，扩大应用规模，提升产能，可有效降低预制构件的制作成本。
2)优化装配式车站设计。在满足结构受力和耐久性要求的前提下，对结构构件设计进行优化，以降低构件重量、减少建筑材料用量、方便构件运输和吊装，最终达到有效降低成本的目的。以本车站拱形断面全预制方案为例，通过采用闭腔薄壁构件轻量化设计对构件进行了优化，单环构件节省了混凝土用量约8.3m3(见图7)。此外，也可通过缩减基坑肥槽宽度和创新肥槽回填材料、优化装修方案等方式降低建造成本。
3)合理选择构件厂厂址，缩短运输距离。预制构件的成本主要由运输距离和运输单价决定。选择合理的厂址缩短运输距离，可有效降低预制构件的运输成本。此外，可尽量选择新能源工程车，降低运输单价。
4)提高施工精度，减少辅助施工成本。提高拼装的精度，降低榫槽注浆消耗量，可有效降低辅助施工的成本。
5)其他成本控制措施有：提高模具的通用性设计；进一步增加工厂智能化作业，如机器人抹砼面、喷涂脱模剂、全自动化喷淋养护砼构件等，减少人工作业成本；研究成本更低的可替换材料，如回填材料、注浆材料、芯模材料等。
装配式建造技术符合国家建筑产业优化升级和双碳发展的目标，具有很好的发展前景。本文依托深圳地铁某车站工程，建立了装配式车站建造成本的分析模型，同口径对比了地下2层现浇式车站方案和不同装配式车站方案的建造成本，并提出了相应的控制措施，得出如下结论：
1)与矩形断面全现浇方案相比，不同装配式车站方案测算造价增幅在11%～18%范围，车站整体造价增幅不大，且尚有优化的空间。实际工程中，应根据地铁车站的实际情况因地制宜选用不同的装配方案。
2)虽然与现浇式地铁车站相比，装配式地铁车站建造成本略高，但其带来巨大的社会、经济效益并未体现在建造成本中。
3)提出了装配式车站成本控制的对策：扩大应用规模，提升产能，降低构件的摊销成本；优化装配式车站设计；合理选择构件厂厂址，缩短运输距离；提高施工精度，减少辅助施工成本。
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