装配式建筑管理领域研究综述

刘康宁， 张守健， 苏义坤

(1. 哈尔滨工业大学 土木学院， 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 东北林业大学 土木学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

装配式建筑，亦称工业化建筑、模块化建筑，其内涵比较广泛。一方面，装配式建筑是一种施工方式的创新，将现场施工的部分工作内容移至工厂，采用规模化生产的方式生产构件产品，并通过现场组装形成的建筑[1]。另一方面，装配式建造方式代表建筑业全产业链整合和发展的程度[2]。通过与传统建筑的对比研究，普遍认为装配式建筑可以提高生产效率、提高工程质量，缩短施工工期，减少劳动力，减少能源消耗[3]。在当前社会发展面临的资源、环境制约更加严峻的背景下，装配式建筑作为一种可持续的建造方式，受到政府部门、建筑企业和研究人员的关注。

近年来国内外学者从不同视角对装配式建筑研究领域成果进行梳理和归纳。 Li等[1]对装配式建筑管理进行了综述，分析了装配式建筑的主要研究国家和地区，并提出了装配式建筑管理的主要研究领域有装配式建筑的行业发展前景、应用和实践、绩效评估、技术应用环境以及设计产品运输和装配策略。Yashiro[2]对工业化建筑的内涵进行了深入研究，从新技术发展的先决条件、生产技术、产品体系、全寿命周期管理、组织管理、供应链成熟度、推动及限制因素等方面提出了工业化建筑研究的概念框架。Mostafa等[4]从精益建造和敏捷制造的视角对装配式建筑相关文献进行综述，提出装配式建筑的内涵以及模拟仿真技术的应用前景。Zabihi等[5]则从经济、社会和可持续性三个维度对装配式建筑的内涵进行了综述。然而，上述研究成果仍存在若干局限性，首先，文献分析的数据量较小，以上综述的文献收集均未超过100篇，所涉及的期刊有限。其次，对于装配式建筑研究领域概括不全面，未能从装配式建筑全寿命周期角度，对装配式建筑研究主题进行系统研究。最后，提出的研究框架多针对特定国家和地区，普适性不强。

鉴于此，本研究基于1990—2017年SCI(Sciences Citation Index)数据库和EI(Engineering Index)数据库中收录的330篇代表性文献，首先对装配式建筑研究基本情况进行梳理，包括发表文章数量、期刊类型、研究地区、研究机构、研究学者。其次，从装配式建造项目内涵及发展现状、发展环境、全寿命周期管理、组织管理、可持续性五个维度，系统性地提出了装配式建筑分析框架。最后，本研究旨在为我国装配式建筑理论研究提供参考。

1 研究方法与数据来源

本文对SCI核心数据库和EI数据库进行检索，通过检式TS=((prefabricated AND construction*) OR (prefabricated AND building*) OR (offsite AND construction*) OR (offsite AND building*) OR (modular AND construction*) OR (modular AND building*) OR (industrialized AND building*) OR (industrialized AND housing*) OR (modern AND method AND of AND construction*) OR (IBS*) OR (modularization))，时间跨度为1990—2017年，共检索到580篇文献，经过筛选得到330篇有效文献。从90年代以后，西方发达国家开始重新定位建筑业，装配式建筑迎来了新的发展机遇。因此本文获取文献的时间跨度为1990—2017年上半年。

2 研究基本情况分析

装配式建筑相关的文章数量呈稳步上升的趋势，如图1所示，图1表明该领域正逐步得到学者的重视。通过采用二次平均的方法对文章数量数据进行趋势拟合，可以看出，装配式建筑相关文章的数量在某些时间段内会有短暂下降趋势，并且存在一定的周期性，如2000—2004年、2005—2009年、2010—2013年。

图1 1990—2017年上半年发表的装配式建筑相关文章数量

本文所选330篇文献共涉及47本期刊，涵盖土木工程、建设管理、房地产管理、设计规划、建筑环境等相关领域。表1列出了论文数量排名前10的期刊。从SCI数据库收录的文章来看，《Automation in Construction》中发表的有关装配式建筑的文章最多，其次为《Construction Management and Economics》和《Journal of Construction Engineering and Management》，这3本期刊在建设管理领域占有非常重要的地位，可以说是该领域的权威期刊，国际影响力很强。EI期刊中发表在《Journal of Architectural Engineering》和《Construction Innovation》文章最多。

表1 装配式建筑相关期刊(前10)

通过对文献来源分析，330篇装配式建筑相关文章共涉及37个国家的高校或者研究机构，其中排名前10的国家如图表2所示。由此可以看出，装配式建筑相关研究最多的国家为英国，其次为瑞典、美国、澳大利亚、中国及中国香港。

表2 主要研究国家分布(前10)

本文研究的文章共涉及143个研究机构，其中瑞典吕勒奥理工大学土木环境工程发表的与装配式建筑有关的文章最多(19篇)，其次是澳大利亚墨尔本皇家理工大学房地产及土木工程学院和香港理工大学建设与房地产学院。表3为发表装配式建筑相关文章数量5篇及以上的研究机构。

表3 发表文章5篇及以上研究机构排名(前12)

基于文献作者的分析，不考虑作者顺序，按照发表文章数量排名，其中来自瑞典隆德大学建筑与环境科技学院的Lars Stehn教授发表文章最多，为11篇，其次是香港理工大学建设与房地产学院的Qiping Shen教授和英国拉夫堡大学土木工程学院的Alistair G. F. Gibb教授。表4给出了排名前10的学者列表。

表4 发表论文数量学者排名(前10)

3 研究主题分析

日本学者Tomonari Yashiro从创新方法的先决条件，制造技术，产品技术和建筑功能，组织管理，供应链成熟度，驱动和限制因素等方面，提出了工业化建筑分析框架并研究了日本工业化建筑的发展和演变趋势[2]。

该框架的提出对于分析装配式建筑研究主题有一定的参考作用，但是该框架只涉及装配式建筑的生产和施工阶段，未能从全寿命周期角度进行系统性分析，其次，该框架基于日本装配式建筑的发展提出，所包含的研究主题不全面。因此，本文通过对文献标题分析、关键字提取以及文章内容的概览，分类汇总得到19个研究主题，分别是概念内涵、发展现状、采纳行为驱动因素和制约因素、市场客户分析、施工方式决策、标准化和模块化设计、技术体系、产品体系和生产流程、施工布局和进度调度、项目管理(安全、质量、成本、进度、风险)、建筑垃圾及回收管理、供应链管理、先进技术应用、生产率及绩效评估、建筑能耗、可持续性、组织变革、商业模式和合作创新。基于系统论和建筑全寿命周期理论，将以上研究主题聚类成5个研究维度，即概念内涵及发展现状、发展环境、项目全寿命周期管理、可持续管理和组织管理。本文系统性地提出了装配式建筑研究分析框架，如表5所示。

表5 装配式建筑研究主题列表

研究结果表明，国内外研究学者对于装配式建筑产品体系和生产流程的研究最多，占到总文章数量的13.03%，其次是装配式建筑采纳行为驱动和制约因素研究以及先进技术的应用。由图2可知，装配式建筑产品体系和生产流程、先进技术应用、标准化模块化设计、可持续性为目前研究主流。

图2 装配式建筑研究主题趋势

3.1 装配式建筑的内涵及特征

各个国家和地区对装配式建筑的命名不统一，常见的术语有：装配式建筑(Prefabricated Construction Building)、场外建造方式(Offsite Construction)、模块化建筑(Modular Construction Building)、工业化建筑(Industrialized Construction Building)、现代施工方式(Modern Methods of Construction)等。其中英国、瑞典和澳大利亚常用“Offsite Construction”和“Modern Methods of Construction”，美国多用“Modular Construction Building”，日本、中国、韩国多用 “Prefabricated Construction Building”和“Industrialized Construction Building”。马来西亚习惯用“Industrialized Construction Building”或“IB”。对于装配式建筑的定义也各有不同，如表6所示。

表6 装配式建筑的定义[1,3,5]

由此可见，装配式建筑具有以下特点：

(1)建筑设计标准化

通过标准化设计，可以降低模块化建筑的复杂性，实现规模化生产和经济效益。标准化设计，使预制产品的大规模定制成为可能。

(2)产品模块化

模块化要求每一个构件或部品具有独立性，接口标准化。模块化房屋的特点是由模块化单元组成的子体系，通过标准化接口和先进的连接技术拼装形成整个房屋建筑。在日本等装配式建筑发展比较早的国家，已形成完整的工业化建筑产业链，有专业的构配件生产和销售市场，因此在房屋到达使用寿命后，对其构件仍然可以回收利用，实现全寿命周期效益的最大化[2]。

(3)生产自动化

生产自动化是指采用机械化的生产方式进行预制构件和部品的生产，通过优化生产线和资源调度实现生产效率最大化。同时也可以将制造业精益建造和柔性生产等理念引入建筑业。

(4)装配机械化

预制构件和部品运送到施工现场后，经过机械设备的吊装和一定的连接技术，组装成新的建筑。有部分学者研究装配式建筑吊装方案、现场布局的优化等。目前，机械化是我国工业化建筑的主要特征，其更高阶段为自动化和智能化。

(5)管理精细化

装配式建筑不仅仅是将部分现场施工的工作内容移至工厂而是整个建筑生产环节的重新设计。从设计到构件部品生产再到现场组装，需要多个利益相关方的协调配合。与传统建筑不同，装配式建筑的每个环节不再是独立分工的，更需要协同合作，强调标准化的设计，标准化的流程和标准化的组织管理。

3.2 发展环境

发展环境是指能够支撑装配式建造方式发展的社会经济环境，包括装配式建造方式采纳行为的动机和制约因素研究，国家的政策和装配式建筑市场环境研究等。目前各个国家对于装配式建造方式采纳驱动和制约因素的研究比较广泛。

许多研究已经识别并量化装配式建筑发展的驱动和制约因素。一方面，就驱动因素而言, Pan等[6]的研究表明，时间、成本、质量、生产率是促进英国开发商采用装配式建造方式的主要因素。Lu[7]通过对美国建筑承包商的调研，得到模块化建筑的驱动因素有施工工期、整体项目进度和施工现场天气条件。Blismas等[8]基于澳大利亚的建筑市场，从经济、社会和环境视角分析装配式建筑发展环境，其中提高生产率，减少劳动力的数量以及提高全寿命周期绩效为主要驱动因素。Zhai等[9]的研究结果表明，环境问题是驱动中国装配式建筑发展的首要因素，包括减少建筑垃圾，减少建筑能源消耗，促进绿色技术发展等。同时，装配式建筑可以减少现场施工时间，提高建筑质量。

装配式建造方式的采纳仍面临很大的挑战。Pan等[10]研究得出初始投资较高、构件连接技术复杂、交付时间过长以及生产能力不强等问题制约英国装配式建筑的发展。Lu等[7]的研究表明制约美国模块化建筑发展的主要因素为无法实现后期施工变更，运输限制和设计选择限制。Blisma等[8]识别和评估了影响澳大利亚装配式建造方式采纳的制约因素，包括劳动力施工技能和知识的匮乏，成本过高，顾客认知不足，冻结设计的时间过早等。Zhai等[9]研究表明供应链集成程度低、无法在早期冻结设计、成本过高、缺乏支持政策和相关标准是制约中国装配式建筑发展的主要因素。

3.3 装配式建造项目全寿命周期管理

建设项目全寿命周期管理是以建设项目增值为目的，从项目决策阶段、实施阶段以及后期使用阶段进行全过程管理，从而实现全寿命周期管理的五个目标，即社会满意目标、安全目标、经济目标、时间目标、质量目标[11]。

本文根据项目全寿命周期管理理论，细分为以下研究主题：市场客户分析，施工方式决策，标准化、模块化设计、技术体系、产品体系和生产流程控制、施工布局与进度调度，安全、质量、成本、进度、风险管理、供应链管理、先进技术应用、建筑垃圾及回收管理，如图3所示。其中产品体系和生产流程的研究最为广泛，其次是新技术在装配式建筑中的应用。

图3 装配式建筑全寿命周期管理

产品体系和生产流程的研究主要涉及产品体系的分类，产品平台构建，生产计划系统，精益生产，生产流程优化等研究。对于产品体系分类，Jonsson等[12]从标准化程度、装配化程度和生产规模等三个维度建立装配式建筑产品矩阵，综合考虑了市场需求和生产系统设计。在产品体系的基础上很多学者从事装配式建筑产品平台(Product Platform)的研究，产品平台是采用工业工程的方法，辅助产品面板布局管理和组件柔性生产，以满足不同的设计要求[13]。Jansson等[14]提出构建预制构件产品平台四种方法：设计计划、协作设计、设计优化和需求迭代。Johnsson等[15]基于生产战略理论，探讨预制产品采购模式对产品平台的影响，得出市场需求和生产系统的协调是产品平台管理的关键要素。而生产计划系统(Production Planning System)的研究聚焦于装配式构件生产环节资源配置。Ko等[16]基于遗传算法开发了预制构件生产计划系统，旨在合理利用资源，减少浪费。Jeong等[17]建立产品组合优化模型，以缩短交货周期，减少库存，节约成本。在装配式产品生产过程中，精益建设的思想得到了广泛应用，Lu等[18]从市场需求和生产过程出发开发了装配式住宅产品精益-敏捷生产系统，实现市场需求和生产能力的平衡。Nahmens等[19]提出良好的供应商关系是实现装配式建筑精益生产的关键。对于装配式建筑生产流程的优化，Anvari等[13]基于多目标遗传算法建立了装配式建筑生产、运输和安装整个过程的优化模型，以解决全过程的资源调度问题。Rausch等[20]提出了预制构件最优装配计划，优化构件关键接口，以降低全过程装配的几何误差，减少不必要的返工。

随着建筑信息化的发展，新技术的应用成为热门话题。同样，在装配式建筑研究领域也有大量研究。本研究表明，装配式建筑生产过程中应用的先进技术主要涉及：建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)、物联网、3D打印、射频识别技(Radio Frequency Identification，RFID)、地理信息系(Geographic Information System，GIS)、传感器技术、虚拟技术。从研究内容来看，这些技术重点应用于装配式建筑设计、产品设计、生产流程模拟仿真、产品运输过程追踪、现场装配模拟、质量检验等过程。

3.4 组织管理

建设项目的参与人众多，各利益相关方的利益诉求不同，由于装配式建筑设计提前，场外生产和现场安装的分隔，对于参与组织的协调和管理能力提出了更高的要求。不同于传统项目中的组织管理，装配式建筑生产更加关注主体间的协同。经分析，这个维度的研究主题涉及装配式建造方式下的组织变革、商业模式探索、合作创新研究等。

对于组织变革的研究主要从组织准备和客户关系管理两方面进行，对于工业化建造体系下组织准备 (Organizational Readiness) 研究，Musa等[21]从技术、过程、工厂、人员、管理、成本六个维度建立了组织准备框架模型，评估装配式建造方式各利益相关者准备要素状态，旨在推动马来西亚工业化建筑的发展。针对工业化建造方式下客户关系管理，Bildsten[22]研究了装配式建筑中客户和供应商关系，提出一种新的采购组合模型，研究表明：一方面要通过定制化服务和设计标准化提高装配式产品生产效率；另一方面通过建立长期有效合作，实现产品价值增值。Jeong等[23]提出了制造商和零售商客户关系管理框架。Goh等[24, 25]探究装配式建造方式对分包商影响，并提出有效的承包商和分包商关系管理框架。

学者对装配式建筑商业模式的研究，主要从利益相关者关系，市场驱动因素、商业模式策略选择、商业模式评估等角度展开研究。Lessing等[26]通过对瑞典两家装配式住宅生产企业进行研究，发现通过客户知识来细分目标，开发产品，并以有限的投资逐步增加对生产和供应链的控制，可以很好地实现开发项目的效益。研究表明，以市场为导向的商业模式可以实现装配式住宅产业良性发展。

合作创新的研究主要包括，装配式建筑各利益相关者间合作模式研究、装配式建造创新技术的扩散等。Xue等[27]研究了工业化建造方式创新中组织间合作关系。

3.5 可持续建设

装配式建筑因其在节能减排、环境保护等方面具有极大的优势，因此受到国内外学者的广泛关注。目前对装配式建筑可持续性研究主要涉及装配式建筑能耗分析、可持续性研究。

对于装配式建筑能耗的研究集中于以下三个方面：

(1)基于全寿命周期分析(Life Cycle Analysis，LCA)框架对不同结构体系的装配式建筑进行环境影响评价。Bonamentea 等[28]基于LCA框架通过仿真方法对装配式建筑碳足迹和能源消耗进行分析。Dodoo等[29, 30]对比分析了装配式混凝土结构建筑和木结构建筑全寿命周期过程中能源消耗和碳排放。Aye等[31]对比分析了钢结构建筑和混凝土结构建筑全寿命周期阶段的温室气体排放和能源消耗。

(2)预制构件能源效率测算和评估。Hong等[32]采用输入输出模型对主要预制构件全寿命周期阶段能源消耗进行了测算和对比分析。Jeong等[33]建立了生产效率、成本和二氧化碳排放多目标评价框架，采用仿真和均衡分析方法对预制柱和现浇柱进行综合评价。

(3)装配式技术在节能改造中的应用实践。Silva等[34]采用模拟仿真方法，提出了预制外墙节能改造优化方案。Larsen等[35]提出了基于3D激光扫描和BIM应用预制构件对传统建筑进行节能改造的方法。

对于可持续性研究，主要从以下三个方面展开：

(1)装配式建筑可持续影响因素分析。Shari等[36]的研究结果显示，马来西亚的建筑师市场经济因素是装配式建造项目决策的主要因素。进而，Yunus等[37]分析了装配式建筑应用潜在的关键可持续性驱动因素和制约因素。

(2)可持续性绩效评估。Chen等[38,39]建立可持续性指标体系，用于施工方式的决策。Kamali等[40]通过可持续性绩效评估模型对装配式建筑和传统建筑进行了对比评估。

(3)精益思想对装配式建筑可持续绩效的影响。Kim等[41, 42]将精益思想和敏捷思想应用于装配式建筑供应链系统中，评估其环境效益。

4 对我国装配式建筑相关研究的启示

相比于西方国家，我国的建筑工业化程度不高，市场尚未成熟，存在大量的技术、组织、管理等方面的问题。目前我国将建筑产业现代化提升到了前所未有的战略高度，从政策支持到科研投入多方推动装配式建筑的发展。我国关于装配式建筑的研究主要有设计、生产、施工研究，实践应用研究，性能、质量和成本研究，建筑环境相关研究五大方面[43]。总体看来，我国装配式建筑政策类研究较多，技术类相关研究较少。

基于研究热点分析和研究主题归纳，对我国未来装配式建筑相关研究提出以下建议：

(1)聚焦于装配式建筑全寿命周期管理，从技术体系、产品体系、生产流程等方面系统研究装配式建筑生产过程。目前我国工业化建筑仍处于发展的初级阶段，对于构配件设计、产品平台开发、标准化定制化方面的研究相对较少。装配式建造方式作为一种技术创新，理应技术先行。

(2)加强先进技术在装配式建筑中的应用研究。目前我国在先进技术应用方面的研究比较薄弱，尚不能有效地应用于工程实践。因此，应借鉴精益建设和敏捷制造的思想，加强先进技术在装配式建筑产品设计、预制构件生产、运输、现场装配以及质量验收等方面的应用研究。

(3)在组织研究方面，应重点研究利益相关者在装配式建筑开发中的角色定位和决策过程，加强装配式建筑供应链之间的合作创新和协同发展。推动装配式建筑市场化发展，需要形成适合本国发展国情的商业模式。

(4)重视装配式建筑环境绩效和可持续性评价相关研究。全球环境问题日益突出，越来越多的国家和地区探究装配式建筑能源消耗和对环境的影响，我国也应该紧跟世界步伐，积极开展装配式建筑可持续性研究。

5 结 论

本文以SCI数据库和EI数据库中1990—2017年收录的330篇代表性文献为基础，对文章的基本情况进行了汇总分析，旨在从宏观的角度，对装配式建筑研究来源、研究地区、研究群体等有一个具体的认识。又从装配式建筑项目内涵及发展现状、发展环境、全寿命周期管理、组织管理、可持续管理五个维度出发，提出了装配式建筑研究主题的框架。研究结果表明，装配式建筑产品体系和生产流程，先进技术的应用，可持续性和装配式建筑采纳行为驱动和制约因素研究为该领域研究热点。最后，基于我国装配式建筑目前的研究现状，技术体系研发、新技术应用、组织创新管理等方面对我国装配式建筑未来研究提出了建议。装配式建筑研究趋势的预测和研究主题的关系是未来的研究内容。本文的研究将对于中国装配式建筑的理论研究和实践应用起到重要的引导作用。