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制造与建造融合的装配式建筑新型建造模式探究

   日期:2022-10-21     来源:预制建筑网    作者:新建筑杂志社    

文章摘要

我国的装配式建筑目前仍主要采用以工地为中心的建造模式,限制了装配式建筑质量和效率优势的发挥。为此,建筑业需要向先进制造业学习,建立区别于工地中心模式的工厂制造与工地建造相融合的新型建造模式。具体措施包括采用模块化、一体化的生产组织方式,协调好工厂制造、物流运输、工地施工之间的关系,建立和完善适合工厂制造的技术体系,以批量定制的方式满足人们对建筑个性化的需求。

 

一、我国装配式建筑发展现状与问题

建筑工地既是建筑物的生产场所,也是建筑产品最终的交付和使用地点,因此传统建造活动都是围绕着工地进行组织的。这种以工地为中心的传统建造模式,依赖于大量廉价的劳动力,利用简单的工具和钢筋、水泥等建筑原材料进行就地建造,具有一定的成本优势。我国建筑业在过往几十年的发展过程中对廉价劳动力过度依赖,造成建筑行业普遍存在发展动力不足、科技水平低下、建设质量不高的问题。近年来,人口红利的衰减极大地挤压建筑企业的利润空间,迫使建筑行业转型升级。

大力发展装配式建筑,正是在这一背景下提出的重要举措。与传统建造方式相比,装配式建筑具备质量与效率优势,这也是装配式建筑的核心竞争力。

近年来,在政策的鼓励和引导下,装配式建筑占比快速增长,装配式建筑的发展成绩令人欣喜。同时也应该看到,现在实施的许多装配式建筑,虽然采用了装配式技术,但生产组织方式仍是传统的工地中心模式。以部(构)件的生产为例,许多企业仅把工厂当作工地之外的一个加工场所,并未将其视作建造活动的重要环节,工厂制造的优势不易发挥,项目增量成本难以消解。另外,工地的构件安装继续遵循着一般建筑工程的施工流程:结构—外墙—机电—装饰装修。这种串行的生产流程,看似容易管理、能够避免现场操作面紧张,实际上整体生产效率不高,遇到工期紧张时就会产生大量的问题。

 

▲ 一般建筑工程施工流程

 

因此,要想充分发挥装配式建筑的质量与效率优势,必须跳出“工地中心模式”的窠臼,采用新的建造模式。

 

二、向先进制造业学习提升质量与效率

据麦肯锡全球研究院(McKinsey Global Institute,MGI)的研究报告,全球制造业的生产效率在1995—2014年的20年里保持每年3.6%的增长幅度,而建筑业劳动生产效率的年增长幅度只有1%左右。二者的差距首先来自生产模式的不同——在制造行业,大至汽车、轮船、飞机,小到手机、玩具,一般都是在工厂生产线上流水化制造的。这种流水化的制造方式生产效率很高。

 

▲ 全球制造业与建筑业生产率增长率比较(1995—2014年)

▲ 左:人均每小时工作产出指数

▲ 右:劳动生产率的年复合增长率

 

对建筑行业而言,与传统的工地建造模式相比,工厂生产的质量和效率能够体现出明显的优势;遵循“重复、困难的工作工厂做”的原则,把一部分工地作业转移到工厂内完成,对于提高建造活动的质量和效率是十分有效的。

其次,当代工厂生产离不开数字化技术的应用。据麦肯锡全球研究院在2016年发布的研究报告《想象建筑业的数字化未来》,制造业的信息化和数字化技术应用水准远高于建筑业。未来,建筑业需要在各个建造环节加强信息化和数字化技术的应用,如在设计环节采用标准化、BIM技术,在生产和安装环节采用信息编码、物联网和数字化技术等。

 

▲ 麦肯锡全球研究院行业数字化指数对比(截至2015年底)

 

此外,制造业在管理上比建筑业更加精细,普遍采用集成制造、精益制造、并行工程、成组制造等理论和方法,加上新的智能制造、柔性生产、无人工厂等技术的应用,大幅度提高了制造质量和效率。这些理论和方法如何应用在建筑建造活动中,需要大胆地进行系统性创新。

总之,实施装配式建筑,需要向先进制造业学习,借鉴其先进思想、技术和做法,依托智能化技术,发展制造与建造相融合的新型建造模式,从而提高装配式建筑的建造质量与效率,充分发挥其综合效益优势。

 

三、“制造建筑”的理论与实践

在工厂里制造房子”的思想由来已久,通过预制装配实现建筑的工业化生产是现代主义的核心追求之一。1910年格罗皮乌斯在《根据艺术原理建立通用住宅建筑公司的计划书》中陈述了他以标准化构件工业化生产来实现住宅快速建造的理想。1914年柯布西耶设计构想出了可大批量生产、现场装配的“多米诺”体系。通过预制装配实现住宅的工业化批量生产以解决社会问题,是以格罗皮乌斯、柯布西耶为代表的现代主义第一代建筑师的共同的出发点。这一理想也在以保罗·鲁道夫为代表的现代主义第二代建筑师身上得到延续和发展。20世纪60年代,保罗·鲁道夫提出了解决现代主义困境的三种途径之一为“多向空间建筑”,即通过功能模块的灵活组合来实现室外空间的丰富性,并设计、实践了在运送和吊装时能以不同角度组合的整体预制单元“二十世纪砖”。“多向空间建筑”和“二十世纪砖”可被视为当今广泛应用的“模块化建筑”的雏形。

经过半个多世纪的发展,模块化建筑技术(prefabricated prefinished volumetric construction,简称PPVC)已经成为当下最成熟的装配式建筑技术之一。其概念是将建筑划分成不同的空间模块,在工厂将模块内的设备管线和装修完成(外立面也可以部分完成),然后将模块运至工地进行组装。雄安市民服务中心企业办公区通过应用PPVC体系,120天内完成模块生产和施工安装,创造了装配式建筑建造速度的新记录。在住宅建筑领域,镇江港南路公租房项目是国内较早应用PPVC的项目。目前,国内已经有一些商品房住宅、公寓、学校和医院采用了PPVC技术,相应的产业链已经比较完整。当然,模块化建筑也存在着模块体积大、运输受限制、成本较高、应用范围受限的难题。

 

▲ 模块生产和施工安装的雄安市民服务中心企业办公区

 

远大住工推出的预制住宅系列产品“远大美宅”,也是一种工厂造房的有益尝试。该系列产品主要面向乡村住宅市场,采用标准化户型,在工地将标准化的混凝土建筑预制件组装为成品住宅。由于产品构件体积较大,其运输对道路要求较高,运输路宽不得小于4 m,一定程度上限制了产品的推广。目前仅发布了7款产品,为满足多样化的市场需求,还需要进一步丰富产品体系。

 

▲ 预制住宅系列产品“远大美宅”

 

此外,智能制造技术在装配式内装修领域也已有应用。和能人居科技有限公司的天津智能制造工厂采用实体工厂+数字工厂的“双工厂”运营模式,具备智能排程系统、自动化数据采集系统、设备监控与管理系统、产品工艺管理系统、生产制造执行系统和快速开发系统。该工厂中生产的装配式内装修板材,在基板处理、涂装、精准磨切等环节均实现了智能制造和全程数字监控,充分展现了工厂制造的效率优势和质量优势。

 

▲ 和能人居天津智能制造内装工厂

 

四、发展制造与建造融合的新型建造模式

4.1 优化建筑生产组织方式

目前,建筑行业的生产方式整体上是碎片化的,“设计只管图纸、工地照图施工”,设计、生产、施工分离,前后环节之间经常互不衔接,不同的参与方有着不同的利益。这种碎片化的生产方式,是导致建筑行业技术落后、创新困难、劳动生产率低下、竞争力不高的重要原因。

 

▲ 建筑工程建造方式的碎片化特征

 

要解决这些问题,建筑行业可以借鉴现代先进制造业的模块化、一体化生产组织方式,优化调整建筑业生产过程各环节。

 

4.1.1 模块化生产组织方式

模块化制造(modular manufacture)是现代制造业普遍采用的一种先进生产组织方式。与传统以零部件组装方式不同,模块化制造采用具有一定功能的模块作为中间产品,最终产品由模块组装而成,这种生产方式可以大幅度提高生产的质量与效率。以汽车行业为例,现代汽车普遍采用总成(即模块)组装的方式进行生产。一辆汽车的4 000多个零件分属于五大总成,除车身外,其他总成可由不同的供应商分别制造,然后在总装配线上与车身组装在一起。这种生产组织方式决定了品牌厂商在产业链中处于中心地位,主导了汽车开发的全过程,并对市场调查、设计、测试、生产等环节进行紧密统筹。

 

▲ 汽车总成装配流程

 

飞机制造也是采用模块化的方式,数以百万计的零件组装成一架波音飞机,工期只有3~4个月。时间的缩短意味着成本的大幅缩减。

 

4.1.2 一体化生产组织方式

一体化生产指的是设计、制造与建造进行统一管理和实施的现代生产组织方式。现代船舶不仅采用模块化方式进行制造,其设计与制造也是一体化的。船舶设计过程可分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段。“初步设计”也叫做合同设计、报价设计,类似于建筑的方案设计;“详细设计”类似于建筑的初步设计和施工图设计;“生产设计”类似于建筑深化设计或加工设计。在船舶行业,设计从一开始就要对生产进行充分考虑,换言之,是在充分考虑生产的限制条件下进行设计的。


▲ 现代船舶设计阶段划分

 

发展工厂制造与工地建造相融合的新型建造模式,应当借鉴先进制造业的生产组织方式,将设计、生产、建造融合起来。在这个一体化的过程中,需要对建筑产业链中的各要素进行整合,优化调整生产关系,协调利益冲突,减少中间环节,统一众多参与方的利益和价值,整合为利益和目标一致的共同体。

 

▲ 制造和建造融合的新型建造模式一体化流程示意

 

4.2 协调好工厂、运输和现场的关系

装配式建筑的建造过程可以划分为策划设计(planning)、工厂生产(manufacture)、运输存储(logistics)、工地施工(construction)四个环节。发展制造与建造融合的建造模式,需要协调好工厂生产、运输存储、工地施工三个环节之间的关系。

 

4.2.1 工厂生产

要实现工厂内高效生产,首先必须实现自动化连续生产,而生产自动化就要求设计标准化;其次,工厂制造的构件不应是单一功能构件,而应是集成了结构、保温、防火、隔声等多种功能的组件,以工厂的集成加工代替工地的人工安装,从而实现高空作业地面化、室外作业室内化、组(构)件安装简单化的目标。

 

4.2.2 运输存储

运输存储是工厂与工地之间的重要环节。道路和仓储都会对部(构)件的规格提出要求。部(构)件尺寸不能过大,避免超宽、超长、超高、超重。除了满足技术要求之外,物流环节要运用好物联网和信息化平台,做好运营管理,提升运输的准确性和及时性,以准时生产(just in time)为目标,努力降低物流成本。

 

4.2.3 工地施工

由于建设活动的终点还是在工地,工厂制造不可能完全取代工地建造。工地应采用智慧工地技术,提高施工安装的技术水平和工作效率。同时,尽可能减少施工安装的工作量,降低操作的难度,减少高空作业的人数,如:采用游牧工厂或场内组装等方式,以地面加工和组装代替高空作业,以简单连接代替复杂操作。只有最大限度地降低现场施工的难度和工作量,才有可能最大程度地提高劳动生产效率。

 

4.3 发展适合工厂制造的技术体系

发展工厂制造与工地建造相融合的建造新模式,必须进行体系创新,选择适合于工厂制造的技术体系。

装配式建筑主流的技术体系是装配式混凝土建筑和装配式钢结构建筑。在市场占比方面,目前在国内市场上装配式混凝土建筑有明显优势,但是在生产效率、质量及装配率方面,装配式混凝土建筑与装配式钢结构建筑相比仍有较大差距。因此,施工速度快、安全性好、适合在工厂内进行加工生产的装配式钢结构技术体系,是提高劳动生产效率的优先之选。

装配式钢结构建筑中,不同的技术体系在工厂制造方面各有特点。

钢框架结构建筑在现有技术水平下实现工厂集成制造还有一定困难,未来应重点研究围护系统模块化、内装与管线系统的集成等内容。

PPVC是目前结构、外墙、内装修和设备管线集成程度最高的技术体系,特别适合工厂集成制造。

此外,一些新型装配式钢结构建筑技术体系也值得关注。如箱板钢结构装配式建筑技术体系,它借鉴了船舶制造的自动化集成加工工艺,在工厂完成结构构件与建筑防火、保温、隔声等填充材料乃至部分设备管线的集成加工,是一种特别适合工厂制造的技术体系。


▲ 箱板钢结构装配式建筑

▲ 上:外景

▲ 下:结构内景

 

4.4 通过批量定制,满足个性化需求

简单重复式的大批量生产无法满足个性化需求。在制造与建造融合的新型建造模式下,采用批量定制的方式,可以满足个性化需求。

对于建筑部(构)件,一方面应尽可能多地选用通用化产品,另一方面也要生产定制产品——前者可以进行自动化制造,实现库存设计和库存生产,从而有利于提高效率、降低成本;后者需要进行定制设计,借助柔性生产,满足建筑个性化的需求。

通过通用化产品和定制产品的组合,可以为现场的个性化建造提供支持,在建筑的个性需求与工厂的高效生产之间取得平衡。

 

▲ 工厂与现场、标准化与个性化的关系

 

4.5 做好装配式建筑的集成设计

装配式建筑是系统性工程,也是完整的建筑产品,因此必须进行集成设计。各专业的协同设计与各阶段的一体化设计的结合就是集成设计。

 

▲ 装配式建筑设计流程示意

 

装配式建筑的设计之初要做好技术策划,结合建筑项目的特点,选择合适的技术配置方案,并对不同的技术组合进行经济分析,以确定最佳选择。

进入建筑设计阶段,应按照技术策划确定的技术路线和原则,对结构、外围护、内装修、设备和管线四个系统进行一体化设计。这就要求建筑、结构、给排水、暖通空调、电气、智能化、燃气、室内、经济等所有专业进行同步协同设计,避免部分启动较晚的专业设计对前面已经完成的设计追加新的要求,造成工作重复或设计缺陷。同时,设计也要对生产、运输、施工的需求进行综合考虑,从而提高系统和部品的集成度,提升施工精度和装配效率。因此,设计阶段要与部(构)件生产、施工安装企业密切协作,前置解决生产和施工中易出现的问题,避免浪费与损失。

部(构)件深化设计是装配式建筑设计后期重要的设计环节,也是部(构)件生产的前提条件,需要设计和生产两个环节充分协作。

装配式建筑的集成设计应进行标准化设计,充分采用简化、统一化、通用化、系列化、组合化和模块化等标准化方法,尽可能减少部(构)件的种类和规格,提升模具的重复利用率,从而提高生产的质量和效率。

 

结语

发展以装配式建筑为代表的新型建筑工业化,是为了实现建筑业高质量发展和建筑长寿命、建筑高质量、生产高效率、资源少消耗、环境低污染的最终目标。而如何充分发挥装配式建筑的质量优势与效率优势是高质量发展攻关的重点。通过学习、借鉴先进制造业的经验,发展制造与建造融合的新型建造模式,将成为装配式建筑的发展方向之一。

这种新型建造模式要求将设计、生产和施工紧密结合起来,做好建筑集成设计。应充分认识“工厂制造”在建造活动全流程中的重要性,赋予其与“工地建造”同等重要的地位,从而确定“工厂为模块制造中心,工地为总装车间”的指导思想。在此基础上,重新构建设计和施工组织流程,发展适合工厂制造的技术体系,通过批量定制满足个性化需求。如此才能真正提高建造效率,提升建筑品质。



 
 
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