用工业化思维做装配式建筑_叶浩文.pdf

第 37 卷 第 1 期 工 程 管 理 学 报 Vol.37 No.1 2023 年 02 月 Journal of Engineering Management Feb.2023 用工业化思维做装配式建筑 叶浩文，苏衍江（中建科技集团有限公司，北京 100070，E-mail：）摘 要：近年来，虽然装配式建筑得到了快速发展，建造水平和建筑品质也得到了明显提升，但当前装配式建筑仍普遍存在诸多问题，这就要求我们要用工业化的思维做装配式建筑，把建筑当作“工业化产品”来打造。从标准化设计、一体化协同、数字化管理 3 个维度，构建了做装配式建筑的工业化思维模式，指出标准化设计是实现工业化的基础、一体化协同是实现工业化的核心、数字化管理是实现工业化的保障，并结合典型工程案例进行了说明。关键词：装配式建筑；工业化思维；标准化设计；一体化协同；数字化管理 中图分类号：TU741 文献标识码：A 本文编号：1674-8859（2023）01-013-05 DOI：10.13991/ki.jem.2023.01.003 Using Industrialization Thinking to Build Prefabricated Buildings YE Haowen，SU Yanjiang（China Construction Science&Technology Co.Ltd.，Beijing 100070，China，E-mail：）Abstract：In recent years，although prefabricated buildings have achieved rapid development，and the construction level and quality of buildings have also been significantly improved，there are still many problems in the current prefabricated buildings，which requires us to use industrialization thinking to build prefabricated buildings and to regard buildings as industrial products.From the three dimensions of standardized design，integrated collaboration and digital management，this paper constructs the industrialization thinking mode of making prefabricated buildings，points out that standardized design is the foundation of industrialization，integrated collaboration is the core of industrialization，and digital management is the guarantee of industrialization，and illustrates it with typical engineering cases.Keywords：prefabricated building；industrialization thinking；standardized design；integrated coordination；digital management 建筑业是国民经济的支柱产业，对促进社会经济发展做出了重要贡献。目前，传统建筑业正面临资源消耗大、污染排放高、建造方式粗放、组织方式落后等若干挑战，亟需向新型建筑工业化转型。为了改变这一现状，国家积极推广建筑工业化，尤其是以装配式建筑为代表的新型建筑工业化得到国家和企业的重视，显著提高了建筑业的整体建造水平，改善了建筑产品的质量1，2。然而，通过企业实践经历和相关文献发现，当前装配式建筑还普遍存在以下问题35：一是“等同现浇”理念盛行，同一项目中现浇、预制工法并存，构件形式较为复杂、连接节点复杂、工序繁琐；二是“二次拆分设计”普遍存在，按照现浇混凝土设计，设计时不考虑如何生产与装配，然后再二次拆分成装配式建筑图纸；三是“唯装配”现象屡有发生，许多设计单位为了拼凑预制率，把一些目前还不适于预制的构件也拆分预制；四是一体化程度低，设计-生产-施工脱节，各专业之间缺乏协同，设计标准化、模数化程度低；五是数字化基础薄弱，各环节数据没有打通，存在大量信息孤岛，数字化管理水平低。这些问题若得不到有效解决，将严重阻碍装配式建筑的发展，进而迟滞新型建筑工业化的进程。要从本质上改变传统建造方式，就要“像造汽车一样造房子”，用工业化产品的思维统领装配式建筑设计、生产、施工全过程，将建筑当作“工业化产品”来打造。本文拟从工业化的基础、工业化的核心、工业化的支撑 3 个维度，总结提出做装配式建筑的工业化思维模式，并结合典型工程案例进行说明。收稿日期：2022-12-09 基金项目：“十四五”国家重点研发计划课题（2022YFF0610502）；中建股份科技研发课题（CSCEC-2022-Z-13）014 工 程 管 理 学 报 第 37 卷 1 做装配式建筑的工业化思维模式 要做好装配式建筑，必须站在系统集成的层面统筹考虑，通过总体技术优化，多专业协同，按照一定的技术接口和协同原则组装形成完整的工业化产品。基于这样的考虑，本文从标准化设计、一体化协同、数字化管理 3 个维度，构建了图 1 所示的做装配式建筑的工业化思维模式。其中标准化设计是工业化的基础，一体化协同是工业化的核心，数字化管理是工业化的支撑。图 1 做装配式建筑的工业化思维模式 2 工业化的基础标准化设计 标准化设计是实现工业化的基础。从整体视角，标准化设计方法的建立，有利于建筑技术产品的集成，实现从设计到建造，从主体到内装，从围护系统到设备管线全系统、全过程的工业化6。从局部视角，标准化设计方法的原理是部品部件种类的标准化、规范化，即通过部品部件的少规格、多组合设计建筑产品，既有利于提高建造效率、降低建造成本，又可以实现建筑风格的多样性7。2.1 平面标准化 平面标准化的关键在于模块组合及模数协调。在基本模数的基础上，以标准功能模块或标准户型模块的开间、进深、高度等为参照，采用扩大模数、分模数等，以协调建筑部品部件间的尺寸，实现规格化、定型化部件的批量生产8，9。模数的采用及进行模数协调应符合部件受力合理、生产简单、优化尺寸和减少部件种类的需要，有利于实现建筑构件的通用性及互换性，使其标准化又不限制设计的灵活性，促进生产水平的提高，简化现场作业。2.2 立面标准化 立面标准化虽区别于立面多样化，但也区别于立面单一化，是通过标准化与多样化的协同方式实现的10，11。立面标准化，一方面可通过排列组合方式，灵活组合装配式建筑外墙部品部件，包括形状、材料和色彩等的组合；另一方面，通过模数协调原理，优化装配式建筑立面设计，以实现部品部件的“少规格多组合”。2.3 构件标准化 构件标准化的关键是高重复率的预制构件，设计中应当不断地建立与充实标准化的构件库，使之不仅满足一个项目的使用，也为日后新项目的应用积累资源，当不断丰富的构件库达到像机械设计引用标准化的零件一样，就可以通过标准件通用化达到工业化装配的目标。在构件标准化的设计中，可以在一边尺寸不变，另一边模数化延展的方式进行构件标准化的设计。对于预制构件，钢筋笼标准化设计应基于外形尺寸标准化；钢筋笼标准化设计有利于钢筋笼标准化加工，这需要统一钢筋的位置、直径和间距。对于预制构件连接区的标准化设计，应依据基于最大公约数的模数协调原理确定连接区的标准化模数。最后，考虑到预制构件生产、运输和装配的工艺要求，从整体视角进行构件尺寸的归并优化设计。不同类型预制构件的模数变化及其协调如表 1 所示。表 1 不同类型预制构件的模数及其协调 类型 基准尺寸 模数 协调范围 预制外墙板 2600 100 16005700 预制复合内墙板 2600 100 20004000 预制阳台板 500/600 100 17002900 预制楼梯 1200 100 5000 预制叠合楼板 6400 200 14002600 2.4 部品标准化 在标准模块中划分“小模块”，按模数系列设计，结合模数网格确定部品尺寸系列。基于对部品部件的功能需求，设计标准化功能模块；再以比例控制、模数协调的方法建立系列功能单元模块（厨房、卫生间）的标准化模块。同时，还要通过精细化设计，保障大量通用性和重复性的部品部件，实现标准化和精细化的统一。部品标准化设计一方面要根据人体尺度、配件尺寸及产品加工耗材利用率，确定柜体高度及深度的标准；另一方面，要满足使用需求，通过模数协调和模块组合充分利用好功能空间，使其好用、易用。并在使用便利的前提下，收纳更多类型的物品。通过标准化设计采用统一高度与宽度的柜门板，统一安装高度，降低施工难度，提高产品的经济性。2.5 接口标准化 接口标准化实现的关键不仅在于尺寸规格与参数的统一，而且还在于公差配合及模数协调，注重接口的通用性。除了考虑接口性能和连接形式 第 1 期 叶浩文，等：用工业化思维做装配式建筑 015 外，接口标准化设计还需要考虑模数化尺寸。装配合式建筑接口性能非常重要，是接口标准化设计的首要考虑条件。接口标准化设计过程中，以构造上的防水排水设计为重点，兼顾不同专业系统的性能要求，以保障连接的安全性和耐久性。值得注意的是，设备管线系统与其他系统的接口不应设置在构件边缘钢筋密集区域；结构与围护两系统间的接口不仅需要结构的要求，还需要满足温度变形的要求。此外，接口的标准化设计还应充分考虑生产、运输和施工等环节的误差及后期的运营维护。3 工业化的核心一体化协同 一体化协同是实现工业化的核心。一个完整的建筑产品涉及建筑、结构、机电、装修等各专业，这些专业间具有较强的独立性，亟需一体化协同。因此，一体化协同设计是指通过建筑中各专业一体化协同设计、统一考虑，统筹建筑设计、部品生产、施工建造、运营维护等各个阶段形成有机结合的完整系统，实现装配式建筑的各项技术系统得到协同和优化。3.1 建筑、结构、机电、装修一体化 建筑、结构、机电、装修一体化的实现路径（见图 2）包括建筑设计协同、结构设计协同、设备与管线设计协同、内装修设计协同。集成设计建筑设计协同结构设计协同设备与管线设计协同内装修设计协同模数协调原则受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合满足建筑使用功能整体性；设备管线减少平面交叉；竖向管线宜集中布置；接口连接应采用标准化接口；建筑宜采用同层排水设计，并确定降板方案满足建筑空间使用整体性；应遵循建筑、装修、部品一体化的设计原则；安全、经济、节能、环保；部品体系应实现电成化的成套供应 图 2 建筑、结构、机电、装修一体化（1）建筑设计协同。与结构设计不同，建筑设计关注建筑的外形和空间，对空间按照不同使用功能进行合理划分。建筑设计协同体现在通过模数系列和集成方式，形成一定标准化的功能模块，再集成为套型模块，进一步集成为单元模块，这有利于装配式式建筑后期的工业化生产和机械化施工。（2）结构设计协同。结构设计使得建筑设计得以落地。除了遵循受力合理、连接简单和施工方便外，装配式建筑结构设计还应满足工业化建造的要求。尤其是结构设计协同应采用“少规格、多组合”的原则，提高项目建设效益和质量。（3）设备与管线设计协同。设备与管线设计应从平面和立面两个视角进行综合考虑。平面视角，应减少设备管线的交叉；立面视角，基于维修更换的要求，管线宜集中布置。标准化接口应用于建筑的部件之间、部件与设备之间的连接，应预留对应的孔洞和沟槽。设备管线与预制构件上的预埋件可靠连接。在排水方面，装配式建筑应综合考虑设备与管线相关因素，宜采用同层排水设计。（4）内装修设计协同。装配式建筑内装修设计应综合考虑不同材料和设施的使用年限，以及施工和维护的便利性。其中，装配式建筑装修部品的可变性和适用性，对于施工和维护的便利性至关重要。主体结构与内装设备分离的技术宜用于装配式内装的材料、设备在与预制构件的连接设计；当条件不具备时，连接设计宜采用预留预埋的安装方式，不应剔凿预制构件及其现浇节点，避免影响主体结构的安全性。3.2 设计、生产、施工一体化 设计、生产、施工一体化的实现路径包括预制构件大型化、钢筋直径和间距扩大化、叠合板不出筋密、拼模具标准化、工装系统标准化等。（1）预制构件大型化。充分考虑在满足工厂生产、道路运输与现场吊装安装的情况下，尽可能使用大型构件，优先采用多层柱、大跨板、尽量减少次梁等小型构件使用。（2）钢筋大直径、大间距、少根数。通过钢筋等强代换、墩头锚固板连接等技术措施，实现梁柱节点区的钢筋大直径、大间距、少根数，保证连接钢筋精准对位。例如框架柱，通过增大纵筋直径来减少纵筋的根数，并让原本均匀分布于柱截面四周的纵筋向四角聚拢，避让伸入节点区的梁纵筋，实现梁、柱钢筋有效协同，提高建造效率。（3）叠合板不出筋密拼。叠合板不出筋，便于实现模具标准化，提高叠合板生产效率；叠合板现场装配板缝密拼，板端、板侧及板与板之间设置附加钢筋的技术措施，在保证结构安全性的同时，解决板端和板侧出筋给生产、运输、施工中带来的诸多不便；板缝密拼免支模，免支撑，降低施工难度，提高装配效率，保障施工质量。（4）模具标准化、模块化。通过成组设计，一套模具可同时生产多个构件；通过标准模块的设计方法，实现标准模块在不同项目构件生产过程中的通用性；通过采用设备设施的设计理念，以实现提高模具使用寿命、作业的方便性。（5）工装系统标准化、工具化。运输、堆放、016 工 程 管 理 学 报 第 37 卷 安装等工作相配套的工装系统实现标准化、工具化及建造工序的标准化，提高效率、缩短工期、降低成本。4 工业化的支撑数字化管理 工程建设产业链各环节信息存在零散、割裂和脱节等问题，数字化管理是实现工业化的支撑，并可有效地解决这些问题，支撑工程全寿命周期数字化建造。数字化管理需要通过数字化平台实现，进而实现产业链上下游企业间信息共享和业务协同。典型的数字化平台装配式建筑智能建造平台，如图 3 所示。图 3 装配式建筑智能建造平台（1）数字设计。通过 BIM 轻量化技术的应用，形成数字化设计成果，及标准部品构件库。共享设计数据资源，提高数据使用率，缩短设计时间成本。无损提取 BIM 建筑设计信息，以用于云端服务，服务于装配式建筑采购、生产、施工、运维等全过程。（2）云筑网购。通过云端获取 BIM 轻量化模型，自动生成工程量及造价清单，高效实现算量计价，辅助投标。基于 BIM 造价成果进行线上集中招采，实现算量和采购的无缝对接。在项目实施环节可基于清单及 BIM 模型反馈的形象进度进行结算。实现了成本管理全过程与设计数据的打通和动态反馈。（3）智能工厂。为了实现设计信息对生产环节的自动管控（如进度、质量和成本等的自动精准控制），智能工厂将设计环节形成的 BIM 模型数据信息数字化，用 BIM 信息驱动工厂自动生产线及工业化机器人智能化生产。（4）智慧工地。智慧工地将项目参与主体、具体人员、建造过程和部品部件间相互关联，树立建造全过程的目标管理和责任追溯体系，细化项目过程管理。同时，项目施工环节信息将反馈到商务、生产及设计，用于辅助供应商结算，对业主请款，生产进度信息反馈及调整，设计产品优化等，基于平台实现建筑全生命周期数据的交互式赋能。（5）智慧运维。运维环节运用 XR 技术，提供智联空间云端服务。通过整合设计、采购、生产、施工、运维数据形成建筑建造全生命周期数据池，将数据对接多方线上服务，实现施工数据向运维阶段的无缝对接与交付。5 典型工程案例 5.1 工程概况 深圳市长圳公共住房工程项目是用工业化思维做装配式建筑的典范，建筑面积 115 万 m2，最大建筑高度为 150m，由 24 栋住宅楼组成，住宅数量9672 套，是全国最大的装配式公共住房项目。项目采用 3 种符合国家标准，成熟的装配式建筑体系，其中钢混组合结构装配式住宅装配率为 92%，综合指标达到 AAA 级；100m 装配式剪力墙结构住宅装配率为 81%，综合指标达到 AA 级；150m 住宅不参与国标评价，符合深圳市装配式标准要求12。5.2 标准化设计方法（1）平面标准化。该项目在设计过程中，遵循了“少规格、多组合”的原则，以基本套型为模块进行组合设计，在标准化设计的基础上实现系列化和多样化。如长圳项目在 5 种基本平面形状下通过 4 种基本户型模块以通用协同边界 8800mm 进行组合，组成 89 种变体，实现楼栋组合的无限生长。（2）立面标准化。通过设计出 4 种窗、8 种墙板、3 种阳台板、4 种空调板及 4 种色彩的排列组合，最大可形成 1536 种立面组合效果，通过“少规格、多组合”，实现项目层面的立面多样化。（3）构件标准化。充分利用构件标准化设计，实现了预制构件的高重复使用率（如仅有 66 种预制构件）。这种种类少、可复制的构件标准化设计模式，一方面提高了预制构件生产和装配的工业化水平；另一方面，降低了预制构件的生产和装配成本。（4）部品部件标准化。项目设计过程中，厨房、卫生间等功能模块实现了标准化设计，具体体现为设计了 4 种标准化的厨房和卫生间。覆盖 9600套标准户型，标准化程度极高。5.3 工业化生产方式 长圳项目采用的所有预制构件均来自于工厂生产的标准化产品。如双面叠合剪力墙预制构件产品产自于德国进口的双皮墙生产线（见图 4），该生产线拥有配套的自动化钢筋生产线，同时配备了专业的管理、设计软件，可实现排产、设计、管理 第 1 期 叶浩文，等：用工业化思维做装配式建筑 017 全流程信息化，自动化程度高，生产效率高。预制预应力空心板产品产自于德国进口的预应力空心板生产线（见图 5），生产线具有施工速度快、产品适应性强、产品承载力高、经济性好等特点，可根据客户需求可以生产不同厚度和长度的水平受力构件。图 4 双皮墙生产线 图 5 预应力空心板生产线 5.4 数字化管理方式（1）设计阶段。利用智慧建造平台，实现了生产、施工、运维的前置参与。具体参与过程体现为：通过智慧建造平台，进行各专业协同建模、各专业模型碰撞检查、预制构件拆分设计、精装设计等；对项目全过程进行模拟预演，尤其是进行了基于 BIM 信息化模型的信息实时交互。（2）生产阶段。利用 BIM 信息驱动工厂自动生产线及工业化机器人设备智能化生产，实现从设计、排产、品控到物流的全链条自动化并实现云端可追溯，从而实现设计信息对生产环节的自动管控，对生产进度、质量和成本的精准控制，保障构件高质高效生产。（3）施工阶段。通过云端，建立以项目真实数据为基础的数字孪生建筑；值得注意的是，这些真实数据以构件全生命周期追溯数据为基础。现场质量检测自动化设备数据自动对接至智慧建造平台，结合设计信息，生成施工偏差报告，为建筑施工质量报告提供数据依据。（4）运维阶段。整合设计、采购、生产、施工、运维数据形成建筑建造全生命周期数据池，实现工程信息全记录、管理行为留痕，将数据对接多方线上服务，从而打造以工程项目为主体的数据资产。6 结语 借鉴汽车、飞机等制造原理，要使建筑成为具有整体性和可持续性的工业化产品，首先要解决思想的认识，从手工思维方式向工业化思维方式的转变是关键。因此，本文探索了以工业化产品的思维做装配式建筑，并提出一些新认识：标准化设计是基础、一体化协同是核心、数字化管理是保障等。这些思维和认识在深圳市长圳公共住房工程项目得到了良好的应用和检验。基于这些应用和检验结果，本文建议加快推进以装配式建筑为代表的新型建筑工业化，提升工程质量性能和品质，实现高效益、高质量、低消耗、低排放的发展目标，助力打造具有国际竞争力的“中国建造”品牌。参考文献：1 关于加快新型建筑工业化发展的若干意见 解读EB/OL http：/ 2 夏海山，李 敏新型建筑工业化的模数协调与智能建造J建筑科学，2019，35（3）：147-154 3 马 立，闫高宁，张天金，周 典“限制条件”的探索多影响因素综合作用下的装配式建筑体系拆分设计研究J建筑学报，2022（5）：70-77 4 谢 俊，蒋涤非，周 娉装配式剪力墙结构体系的预制率与成本文J建筑结构，2018，48（2）：33-36 5 郭丰涛，张瀑，卫江华，等装配式建筑标准化设计思考J建筑结构，2021，51（S1）：1088-1091 6 叶浩文一体化建造M北京：中国建筑工业出版社，2019 7 叶浩文，樊则森，苏衍江工业化建筑标准化、数字化、一体化建造关键技术J建设科技，2022（7）：38-41 8 夏海山，李 敏新型建筑工业化的模数协调与智能建造J建筑科学，2019，35（3）：147-154 9 吴永诚，刘奔腾，吴冠烨，等乡村住宅标准组合单元及标准柱网研究J工业建筑，2012，42（11）：36-40 10 崔艳秋，刘 畅，赵梓汐族库大数据下的装配式住宅立面多样化设计J建筑技术，2020，51（9）：1119-11124 11 赵冠谦，班 焯，马韵玉北方通用大板住宅建筑体系标准化与多样化问题的探讨J 建筑学报，1981（6）：59-65，85-86 12 叶浩文装配式建筑产业化关键技术M北京：中国建筑工业出版社，2022：235 作者简介：叶浩文（1960-），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向：建筑工业化，超高层建筑技术与管理；苏衍江（1986-），男，硕士，高级工程师，研究方向：建筑工业化。