装配式建筑围护系统专利技术分析

张广平 陈学忠

(吉林建筑大学 建筑与规划学院,长春 130118)

近年来,随着国家和各级政府的大力支持,装配式建筑取得了较快的发展,与建筑工业化联系紧密,既提升建筑综合品质,又达到了节约资源、保护环境和减少污染的目的.装配式建筑符合绿色、低碳和可持续的发展要求,是推进供给侧结构性改革、培育新兴产业、实现新型城镇化建造模式转变的需要.围护系统是装配式建筑重要的组成部分,对其相关技术进行研究,可有效避免技术重复性研究,能节省更多时间用于创新.

专利是一种特殊的技术文献,作为一种公开的资料,它包含了丰富的与技术创新相关的内容[1].它是解决技术问题最有借鉴和参考价值的资料,具有可靠性强、准确性高和新知识含量高的特点.专利分析内容与行业技术创新活动的特征之间存在着对应关系,从专利分析出发,可以了解行业技术创新的特点[2].在专利的内容中,IPC分类号是根据专利的技术领域,用来对大量专利文献进行分类的方法;摘要是对该专利特征及解决问题的概述;说明书是对专利技术范围、技术创新背景、解决的问题以及技术实现方案等专利内容的详细阐述.本文基于专利分析,利用数据库统计的数据绘制专利申请发展趋势,对围护系统技术专利进行申请主体、热点领域等分析,以此了解装配式建筑专利趋势及围护系统技术创新活动的特点.文中所采集的装配式建筑专利信息均来自国家知识产权局提供的专利检索及分析网上服务平台,该平台专利信息丰富、全面、准确.

1 装配式建筑技术专利分析

装配式建筑是结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑[3].换句话说,装配式建筑是在工厂预制构件(或现场预制构件)后运输到施工现场再组装而成的建筑.装配式建筑技术涉及的领域多、专业范围广,对专利数据库进行检索,检索到相关专利2 670件(统计日期截止到2017年9月).为了更加准确地分析装配式建筑技术发展趋势,专利若同时存在实用新型与发明专利,则只统计发明专利，这样有利于效降低被采集技术的重复性,且通过专利内容的鉴别,最终得到装配式建筑技术专利2 355件.通过欧洲专利局网上服务平台,检索到与装配式建筑技术相关专利约800件,国外的装配式建筑技术热点与国内检索到的专利热点分布相同,均为构件连接、施工技术、结构构件和预制墙板等.

图1 2000-2017年装配式建筑技术专利申请趋势Fig.1 The trend of technical patent application of the prefabricated building in 2000-2017

1985年，我国开始实施专利制度,到2000年共有授权装配式建筑技术专利23件,可见在技术孕育期内专利数量较少.本文选取2000-2017年期间绘制曲线,时间为横轴,年专利申请量为纵轴,得到装配式建筑技术专利发展趋势(见图1).由于专利公布时间固有的滞后性及检索方式的局限,2017年的部分专利在专利检索及分析网上服务平台上未被检索到,这造成汇总的专利数量比实际值略偏小.

技术的发展需经历4个阶段：孕育期、成长期、成熟期和瓶颈期.我国装配式建筑技术正处于成长期,图1反映了3个不同增长程度的时间段：2000-2008年期间稳步发展(除2004年),专利数量稳定在每年11～27件;2009-2012年期间缓慢增长,从30件增长至73件;2013-2017年间快速发展,从102件激增至813件.2008/2009年受经济危机影响,建筑业增速放缓,但自身的优势使得装配式建筑专利迎来了转机.由于国家政策对装配式建筑的青睐,该领域受到企业、高校及科研机构的重视,这造成其技术专利数量逐年上升.尤其2012年与装配式建筑相关技术专利数量达到102件.正是这个阶段我国申请量的快速增长使得我国一跃成为装配式建筑技术领域全球申请量最大的国家[4].2016年,国务院办公厅出台“关于大力发展装配式建筑的指导意见”,这使得装配式建筑技术专利数量激增.国外的装配式建筑技术发展已较为成熟,近几年专利申请量变化幅度不大,而国内装配式建筑技术专利申请量处于高值,尤其2016年和2017年,这意味着在未来的一段时间内,机构对装配式建筑技术的研究将继续深入.

2 装配式建筑技术分类

借助专利数据库网上检索平台,运用关键词对装配式建筑技术专利进行检索,其中检索到与围护系统有关的技术专利约占总量的20%.研究装配式建筑技术分支,有利于掌握相关技术发展现状,并及时发现新技术的发展方向.根据装配式建筑定义、特征及对部分专利研究后,得出装配式建筑专利分支及各级分类见表1.

表1 装配式建筑技术分支Table 1 The branch of the prefabricatedbuilding technology

由表1可见检索到的各类专利进行统计.在大类方面,构件、结构与施工技术专利占总数量的59%,是装配式建筑技术专利中的主体,其次是集成系统.在小类方面,排名前4的专利占装配式建筑技术授权专利数量的78%,包括施工技术方面的专利达555件;与构件连接有关专利492件;与围护系统有关专利440件;与结构体系有关专利344件.近三年，在这些方面的专利数量增长加快,证实了近几年与装配式建筑有关的技术专利成为建筑业发展的热门,这与国家积极推广的政策以及装配式建筑自身优势等分不开.从专利技术分支来看,装配式建筑技术研发集中在施工技术、建筑结构体系、各部分构件连接、预制墙体等技术方向，并且国外的装配式建筑专利技术也主要集中在这些领域.由此可见,以上的技术方向是装配式建筑技术发展与更新的热点,研究这些技术专利,能准确地把握国内的技术热点与发展前沿,从而促进建筑行业的健康可持续发展.

图2 围护系统技术分类统计Fig.2 Technical classification of envelop system

从装配式建筑技术分支表看,围护系统是装配式集成系统重要组成之一,是由墙体、屋顶、门窗及其他部分组合而成,用于分隔建筑不同功能环境.也有人这样定义,围护系统是指建筑物及房间各面的围护物,包括墙体、屋面、窗户、外门、阳台及地板.这里将围护系统分为墙体、屋面、门窗及其他部分,得出相应的统计数据(见图2).

从图1围护系统的专利数量申请趋势来看,由于近几年推广装配式建筑政策和法规,这使得围护系统相关专利数量激增.由图2可知,围护系统的构成及发展方向,其中与墙板有关专利314件,占围护系统总量的71%,墙板是围护系统技术发展的主体,也是装配式建筑技术创新发展的热点和需要面对的难点.现阶段,市面上装饰一体化墙板应用较少,且传统墙板存在施工工序复杂、建造效率低、污染严重、工程质量难以保证、人工费用高等问题.专利CN201720723315.8提供了一种装配式复合外墙板,能实现建筑内外墙装饰一体化,提高建筑保温、防水和隔音等综合性能,重量轻,降低了对吊装设备的要求,提高了施工效率.装配式复合墙板可实现设计一体化、建造装配化、性能复合化、材料一体化,是未来国内装配式建筑围护墙板的发展方向.

3 围护系统技术专利分析

3.1 专利技术IPC分析

国际IPC分类号是国际上一种对专利技术所属领域进行分类的工具,它可作为对某领域技术现状研究的基础,并对现状技术作出评价.大组和小组是国际专利分类里的两个等级形式.检索到与围护系统有关的专利,按IPC分类号进行统计,对排名前4的专利IPC数量对应的技术方向进行数据统计见表2.

表2 围护系统相关专利技术领域细分及分析Table 2 Subdivision and analysis of the related patent technology in the envelop system

续表2

表2反映出装配式建筑技术在围护系统方面的研发状况以及热点领域,为机构未来的技术研发提供有利的方向和路线.在2015-2017年间,与围护系统领域相关专利申请量达325件,占总量的74%.可见该领域已得到企业、高校等机构的关注与研究,并且取得一定优秀成果.

由表2可知,国内对装配式建筑围护系统技术研究,主要集中在E04B2，E04C2和E04B1 3个大组下,即与装配式建筑有关的围护系统如间隔墙、隔绝墙等建筑的墙,以及平板、镶板等建筑的薄形部件.然而，IPC大组分类较为笼统,为了能更详细地了解围护系统技术热点领域,准确找到技术的发展路线,将IPC分类进一步细分，对排名前7的小组进行统计.

通过对专利小组的统计,可明显地发现该领域的技术集中分布在E04B2/00:即建筑物的墙,例如,间隔墙、绝缘墙的构造专门用于墙的连接.从时间来看E04B2/00领域,2016年和2017年申请专利50件,占总量的82%,因此E04B2/00建筑物的墙体领域是现阶段围护系统专利技术发展的重点方向.据有关技术统计,建筑外墙能耗占建筑围护结构总能耗的60%～70%,同时影响着装配式建筑的装配率和产业化效率.在施工方面,传统砌筑墙体存在劳动强度大、工序复杂、周期长及占用人力资源多等缺点,该种建筑方法已经不能适用于目前高速发展的建筑业.针对存在的问题,一些专利提出一种装配式一体化墙体,具有良好的保温性、耐久性与经济性等综合性能,可实现其施工方便快捷、难度低,并且可以有效提高施工效率和建筑质量.

关于装配式建筑墙体体系的研究,许多专利对已有技术存在的不足提出了解决办法,涉及建筑材料、建筑连接技术,内容涵盖综合性能、施工质量及墙体整体性等.具体分析如下：CN201710610948.2，CN201710547308.1和CN201710663788.8提出解决建筑墙体的保温隔热隔声、抹灰层开裂脱落等问题的对策;CN201710727834.6采用了间距调节栓的装配式建筑墙体,优点在于可以调节内外墙间距、控制混凝土的灌入量、降低施工难度、便于连接及连接整体性好;CN201710882815.0提出一种预制一体化复合墙体,它改善了保温层与结构层连接易分离现状,提升了保温材料防火性能,降低了围护结构总能耗值,复合墙体本体左右两端的连接部能与装配式建筑配套使用.

3.2 专利申请主体类型及占比

通过装配式建筑围护系统技术专利申请主体分析,可以掌握机构在该领域的构成以及技术竞争状况,指导专利技术的发展方向及机构的管理决策.

图3 专利申请主体数据统计Fig.3 Statistics on patent applicants

从图3可以看出,企业申请专利数量达到210件,占装配式建筑围护系统申请总量的46%,是该领域的最主要的申请主体;其次，个人申请专利109件,高等院校申请专利67件.与国内其他行业申请专利集中在少数机构不同,专利数量排名前9的企业专利申请量占总申请量的24.4%,因此，在该领域没有专利申请集中的企业,专利的集中度低.从排名前3的高校来看,北京工业大学拥有15项专利,沈阳建筑大学申请8项专利,重庆大学拥有3项专利,占申请总量的38.8%.从高校专利申请年份来看,2015-2017年专利申请量逐年上升,说明高等院校已经具有了较强的专利申请意识和技术创新能力.在人才、技术和资金方面,企业和高校具有明显的优势,因此，他们是引领我国装配式建筑技术发展和创新的主体.

在检索到的专利中,科研机构的专利申请量占总体的份额最低,其专利具有较高的成果转化率,在推动技术创新性方面能力突出.在合作研发方面,由两个或多个机构共同完成的专利只有38件,占总量的8%,因此机构的合作强度不足,机构间需取长补短加强协作.从地域上看申请主体,排名前5的地区专利申请量占总量的60%,其中北京地区80件,山东省专利申请67件,江苏申请59件,黑龙江及浙江申请量均为30件.因此,在围护系统方面，不同地域的装配式建筑发展程度存在差别，可以预见未来会有更多的围护系统技术成果应用到装配式建筑施工中.

4 结论

我国的社会经济正处于快速发展阶段,建筑业处于转型升级期,由于装配式建筑落地项目数量及总面积不断增长,因此，也加大了对装配式建筑核心技术的需求.从申请量变化趋势上来看,近几年国内装配式建筑技术专利申请量正处于快速成长期,将有利于改善顶层制度设计滞后的现状、梳理可靠的技术体系、提升相关的配套能力水平等.围护系统专利是装配式建筑技术专利的重要组成,也是装配式建筑核心技术的一部分.从IPC分类号分布来看,围护系统的技术主要分布在E04B2(墙)、E04C2(构件).从申请主体来看,企业、高校和科研机构等机构应该进一步加强对装配式建筑技术的投入与研发力度,提升自身竞争力,增强专利保护意识,积极进行专利研发布局,推动我国专利由高数量向高质量的转化升级.