装配式建筑发展及提升策略

李儒光，肖洪吉，卢雪松，高亚凤，程晓敏，田 焜

(1.黄冈师范学院 建筑工程学院，湖北 黄冈 438000；2.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料与国家重点实验室，湖北 武汉 430070；3.湖北省产品质量监督检验研究院，湖北 武汉 430061)

装配式建筑具有耗能少、污染小、劳动力需求低、生产效率高和质量高等优点，受到了人们的广泛关注。预制装配式建筑(Prefabricated Construction，PC)是一种新型建筑生产方式，采用标准化和工业化途径进行建造。制备过程为：在工厂预制完成建筑的部分或全部构件，通过相应的运输方式运送到施工现场，然后采用可靠的安装方式组装成一个建筑整体。分为砌块建筑、板材建筑、盒式建筑、骨架板材建筑及升板升层建筑五种类型。装配式建筑起源于20世纪初，到六十年代在德、英、法、美、日本、新加坡等国率先作出了尝试。新中国成立后，随着社会飞速发展和人口迅速增长，住房变得紧张起来，加上对环保和节能的要求，国家开始大力发展装配式建筑。随着科研人员的不断努力，装配式建筑在近几年迎来了空前发展。2016年2月，中共中央国务院发布了《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出发展新型建造方式，大力推广装配式建筑，力争用10年左右时间使国内装配式建筑占新建建筑的比例能够达到30%[1-2]。随着不断发展，预测到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例将达到15%以上[3-5]。

随着国家对装配式建筑的不断推崇，尤其是十九大报告提出建立绿色低碳的经济建设体系，装配式建筑更是得到党和政府的大力支持。《国家新型城镇化发展规划》《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》等都明确提出了大力发展装配式建筑的要求。目前，装配式建筑由于其自身的绿色特性，符合国家的产业发展政策，具有广阔的应用前景。基于此，本文总结了近年来装配式建筑的发展现状，指出了相关问题，并提出了相关解决方案，对大力发展我国装配式建筑行业具有一定的指导意义和参考价值。

1 国内外装配式建筑发展分析

1.1 国外装配式建筑发展

装配式建筑起源于上世纪，由于受到二战影响，欧洲整体受到严重的战争创伤，经济和建筑方面都遭到重创，面对严峻的住房矛盾，欧洲采取工业化流水线的建造方式建造了大批的房屋，并因此形成了标准的、完整的住宅体系[6-7]。(1)德国最早的装配式建筑起源于上世纪30年代，即当时的大板建筑，典型案例就是现在达姆施塔特工业大学的一幢教学楼，采用了简单的装配式工艺组装而成[8]。上世纪七八十年代，在东德地区建造的预制建筑占比就已经达到了60%[9]。随后德国开始研究建筑节能，又提出了零能耗的被动式建筑体系的概念[10]。(2)法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一，混凝土装配式框架结构体系，其装配率可达80%[11]，上世纪70年代，开始研究建筑模数并形成了系统化和多样性的装配式建筑[2,11]。(3)英国装配式建筑甚至可以追溯到一战时期的世界上第一座采用玻璃和铁架进行装配的大型建筑——英国水晶宫。它是近代最早的装配式建筑，开创了近代功能型装配式建筑的先河[12]。到了21世纪初期，英国装配式建筑行业的产值约占新建建筑市场的3.6%，并以每年25%的比例持续增长[13]。(4)美国的装配式建筑起源于20世纪30年代，由于经济大萧条，许多人被迫迁移或以移动的方式进行生活，于是就诞生了一种叫“房车”的住宅，这就是美国装配式建筑的雏形[14]。到20世纪70年代，美国国会通过了国家工业化住宅建造及安全法案，同年住房和城市发展部(HUD)又制定行业内统一标准规范，并沿用至今。纵观美国装配式建筑发展，可以看出美国并没有像其他国家那样大规模搞装配式建筑，更多的是在研究装配式建筑材料，因此美国的钢结构和木结构发展最好，在1997年美国新建住宅中装配式建筑中占了77%，其中预制木结构更是占了88%，钢结构则占22%[15]。(5)日本装配式建筑发展较快，二战结束后颁布了一系列相关法律规范，1951年颁布了《公营住宅法》。1968年提出住宅产业化的理念，颁布《推动住宅产业标准化五年计划》。70年代，又建立BL认定制度，住宅产品进行统一审核鉴定[2]。随后发布《住宅建设计划法》、《基本居住生活法》、《日本住宅品质确保促进法》[15]等关于住宅方面的法规。到2008年，日本装配式住宅占全部住房总量的42%[16]。日本在建筑抗震方面做得比较好，比如在2008年用预制混凝土建成的两栋58层的东京塔就非常完美[17]。(6)新加坡在居民住宅方面是做得较好的国家，据2015年的统计，有87%的新加坡人住进了装配式组屋里[18]。新加坡装配式建筑的研究较晚，上世纪90年代才由政府主导推动大力进行预制住宅的建造，研究预制剪力墙、楼板、梁、柱、卫生间、 楼梯、垃圾槽等装配式构件[19]。成果就是新加坡最著名的达土岭组屋，高度达到150 m,预制装配率达到了90%以上[20]。

1.2 国内装配式建筑发展

我国装配式建筑起源于上世纪50年代，由于战争破坏，国内建筑住宅损坏严重，为了解决房屋住宅问题，在前苏联的帮助下开始掀起装配式建筑的热潮，经过十年左右的研究发展，装配式建筑工业化已经颇具规模，预制构件质量，尺寸精度都很不错，比如当时主要的大、中型城市都建有预制构件厂，而且还建有几个大型铁路系统的构件厂，用于铁路构件的预制[21]。经过二十年的发展，到20世纪七八十年代，国民经济得到发展，人口数量增加，很多厂家、建筑人士大量生产、研究装配式建筑，促使装配式建筑的发展达到顶峰，这个时期是我国装配式建筑的辉煌时期，装配式混凝土建筑和采用预制空心楼板的砌体建筑的应用普及率最高[22]。上世纪90年代由于建筑技术的不成熟，预制构件制作技术和拼装技术不够专业[23]，已经研究出来的装配式建筑存在大量的弊端，比如产品长时间下会出现裂缝，连接处不严密，雨天漏水等一系列问题，直接导致了人们对装配式建筑的不信任，让装配式建筑的发展受到限制。对比现场浇筑房屋的建筑方式，无疑现场浇筑的方式更得到人们的青睐。由于水泥与钢材的充分利用，使得预制混凝土结构和预制钢结构得到极大的发展，政府也出台了一系列规范，如行业标准《住宅轻钢装配式构件》《住宅整体卫浴间》《住宅整体厨房》，国家标准《建筑物的性能标准预制混凝土楼板的性能试验在集中荷载下的工况》《预制预应力装配整体式框架结构技术规范》《装配整体式混凝土结构技术规程》《装配式混凝土结构技术规程》[24]。2016年由国务院下发并实施《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，明确规定“大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例[25]”。虽然国家大力支持，但是国内装配式的技术规范和标准还不够支持大力发展装配式，因此，住建部和中国建筑标准设计研究院牵头编制了《装配式混凝土建筑技术标准》《装配式钢结构建筑技术标准》两本国家标准[26]。如今，我国装配式建筑进入飞速发展时期，全国各大城市在政策的引导下使得装配式建筑如雨后春笋般出现[27-28]，目前国内预制装配式建筑在高度为100 m以内的技术已经处于国际领先水平[29]。

2 装配式建筑特点

2.1 节能环保

装配式建筑由于都是在工厂预制生产，相比现场浇筑的方式，大大减少了在施工现场产生的建筑垃圾，根据相关数据测算得出，每万平方米的建筑面积至少可以减少500 t的建筑垃圾产生[30]；传统的建造方式并不能预先知道需要的建筑材料具体量，这样就导致多余的建筑材料堆积在施工现场，造成材料的浪费，而预制装配式结构却不会造成这种现象；装配式建筑的安装施工也不会造成像传统建造方式那样对周围环境巨大的噪音、粉尘污染，而且装配式建筑一般都是高强度自密实结构，构件隔声量大于50 dB(A)[31]，直接降低了周围环境对建筑室内的噪音影响等；最后就是施工由湿作业转变为干作业，大大减少了水资源的浪费。总的来说，与传统施工方式相比，装配式建筑施工可减少80%的建筑垃圾、减少70% 的能耗、节约60%的水用量、节省80%的木材量[30]。

2.2 提高资源利用率

传统建筑模式能耗大、利用率低，装配式建筑结构在工厂制作，通过构件的预制可以有效解决该问题，提高资源的利用效率。在长期使用过后，所残留的建筑材料还能二次利用，可以大幅减少对水电的消耗，前景广阔[31]。其次，以前的传统施工模式中有部分钢材因施工意外而被浪费。装配式建筑可以提高结构零件的利用率，并带动施工零件或配件等相关产业发展，同时解决资源过剩等问题。还有，装配式建筑在工厂前期已经预制好，不需要装配式建筑构件部分的模板，节省了大量的模板。

2.3 缩短工期

因为装配式建筑结构有很大一部分工序已经完成，只需要现场的装配及后期的工期，减少了现场浇筑、等待固化等工期，所以可以大幅降低现场的施工工期。根据实测项目，以全装配式猪舍为例，相比传统建造方式工期缩短了50%左右[32]。

2.4 节省劳动力

随着现代工业化的来临，体力劳动者越来越少，技术工人越来越多，而装配式建筑正好缓解了这一社会难题，因为装配式建筑只需要吊装、装配、测量等工人，不需要现场拌制砂浆、捆扎钢筋、组装模板等工序，减少工人的施工人数。比如DQ 公司首次用预制装配技术组装长春地铁站时，在施工高峰期，就节省了大约80%的劳动力[33]。

2.5 保证质量稳定和安全性

由于装配式建筑的构件，包括混凝土构件和钢结构构件，它们都是先在工厂按照尺寸进行生产后然后运输到现场进行组装。在工厂的生产是以流水线和模块化的模式进行生产，因而更能进行质量检测和控制，从而保证了每个组装构件都能满足相关标准要求，运输到现场后又能按照模块化进行组装，施工责任明确，从而保证了装配式建筑的质量稳定和结构安全性。

3 装配式建筑存在的问题及提升策略

3.1 成本较高

装配式建筑结构是由高标准材料制作的，有调查表明，仅预制构件的生产及安装费用这一项大约占建筑工程土建工程造价的56.7%，而预制构件的生产成本就占预制构件的生产及安装费用的84%[34]。根据国家对装配式建筑工程的新要求，其PC预制构件率必须要在53%以上，这就需要用到大量的PC预制构件，而且装配式建筑工程发展还处于初级阶段，还没有形成健全的市场管理制度，各类装配式厂商规模也较小，因此导致一些PC预制构件生产成本和安装成本过高[35]，加上根据实测研究，水平运输费大约占构件总销售价格的3.87%～8.40%[36]，而且目前预制装配式构件作为商品，根据地方不同增值税在10%～17%之间[37]，这些都在无形中加大了装配式建筑的造价成本，不容易被消费者接受。

针对该问题，首先政府应该大力支持预制企业扩大产业规模和产能，根据供求定律，市场价格会相应的降低；然后应该学习西方国家建立模数制度，规定预制构件的统一便捷和尺寸，使其模数化，这样一来同类型的构件可以用于不同类型的建筑，避免了预制构件的“滞厂”，解决因售卖不出而浪费材料，同时企业增加预制构件的成本的问题[38]；最后就是在可控范围内，降低厂商增值税率，建议降低到6%～8%之间。关于运输费方面，国外就有学者利用了计算机仿真技术对物流系统进行了优化[39]，最大限度降低运输费用。消费者应该就近选择预制装配式厂的预制构件，然后仔细规划路线，尽量缩短路程，减少运输费用，另外在保证安全的条件下，运输车尽可能 “少次多运”。综上所述，这些方面应该足以解决目前装配式建筑成本过高的问题。

3.2 尺寸精度高

装配式建筑因为是拼装连接而成，所以对它的现场安装尺寸要求极高，加上安装人员技术参差不齐，操作不专业，如果有一个建筑部位的尺寸有偏差，较轻的后果是这个部位构件拼装不成，造成经济损失；较重的后果是就算拼接完成，一定时间后这个建筑也会造成整体失稳，发生建筑事故。

针对该问题，首先应鼓励开发更加精密的测量仪器和安装仪器，或者引进国外精密仪器，避免因机器造成的失误，影响预制构件安装尺寸的偏差的问题；然后就是企业对外引进装配式建筑专业人士，在企业内部加大专业人才的影响力，带动其他非装配式建筑工人对装配式建筑产生更大的兴趣；最后就是预制结构安装的工作人员进行系统性、经常性的培养，提高工作人员的安装技术，避免因工作人员操作不当造成构件偏差。

3.3 层数、高度、跨度限制

装配式建筑受多种因素影响，比如受地震、结构气密性和水密性能力、吊装机器吊装高度等因素影响，建筑的层数和高度受到限制。国家 《集装箱模块化组合房屋技术规程》中规定集装箱模块化建筑层数不可超过6层，高度不超过24 m[40]。 从经济指标方面来说对高度、跨度限制有如下研究，国内装配式建筑高度为30. 8 m，柱截面为600 mm×600 mm时，跨度7.8 m比较合理；高度为44. 8 m柱截面为800 mm×800 mm时，跨度9.0 m比较合理[41]。

对于装配式模块化建筑在尺寸中的应用问题，有学者提出以下结构体系来解决装配式建筑在层数、高度上限制，即外框架、核心筒、剪力墙与预制构件模块结合[42]。这种方法被国内大多数人接受，但也有学者从装配式建筑的高度上来设计，比如国家规范规定集装箱模块化建筑层数不可超过6层，然后该学者首先设计集装箱建筑高度为7层，重新采用新尺寸，建立有限元模型，与增加侧向辅助拉索想对比，经过一系列分析计算得出合理的设计方案[43]。

3.4 运输、存放限制

在实际生产中，预制构件的长度与宽度远大于厚度，道路的宽度有限，导致一部分装配式建筑构件运输困难，正立放置又因自身稳定性较差，加之道路路面不平、泥泞路面等，运输过程变得极度不安全，因此运输受到极大的限制。同时，存放区的位置需要方便吊装，因位置区域有限，导致有的构件需要多次吊装，增加构件本身的磨损机率，影响其标准尺寸，加上放置构件的位置需要进行平整，排水也要通畅[44]，还要不影响其他的日常工作等，这一系列的工作都需要进行大量时间勘察选定，就造成了存放位置的限制。

对于构件的运输难题，可以尝试建立一套强大的自动化物流系统，然后培养专业运输预制构件的车队，通过物流系统尽量寻找通畅、宽广、人流量少的道路行驶，最大程度降低运输过程危险性。为了减少预制构件的磨损，运输到施工现场的预制构件应尽量避免多次吊装，施工负责人应该规划好施工场地，吊装构件距离施工地点越近越好，做到一批预制构件吊装完毕，另一批预制构件到达，中间相隔时间不超过半天，这样就能解决构件堆放难得问题了，而且期间工人又有足够的时间对安装好预制构件进行优化检查，还能对下一批预制构件的安装做好充足准备。

3.5 密封胶不耐用

装配式构件与构件之间的缝隙需用密封胶密封，但是使用最广泛的三大传统密封胶在经室外暴晒、雨水侵蚀后，密封性会大幅度降低，就需要经常更换，但是这样做影响装配式构件的寿命，而且建筑较高经常更换不安全，不更换的话建筑又会透风漏水，因此现在急需密封性好，又耐久且经济的密封胶。

在装配式建筑装配时不可避免出现缝隙，开发新型密封胶就极其必要[45-49]，相关研究也取得了一定的成果。随着技术的不断发展，相信会对目前国内使用装配式建筑密封胶带来一定帮助，也希望对其他科研人员提供一定信息，研究出性能更优越的密封胶。

4 结论与展望

装配式建筑具有节能环保，质量轻质可靠，节省工期、劳动力、模板等优点，但是也伴随着一系列的相关难题，直到现在仍然有待解决。随着装配式建筑的不断发展，新技术新装配日新月异。其中，为更好的发展装配式建筑，BIM(Building Information Modeling)技术在近几年得到了越来越多的应用。BIM 技术是基于建筑物全寿命周期所使用的一种“可视化”的建筑模型信息技术。借助建筑的三维模型信息，可有效进行建筑信息的交换与共享。在装配式建筑中，运用 BIM 技术可以提前对预制构件进行精准控制和设计，减少了材料的浪费。在施工过程中，通过 BIM 技术对施工现场的模拟，可以有效帮助管理人员识别施工中可能遇到的问题并且能提前有针对性的进行合理规划和设计，提高了施工效率。装配式建筑中BIM 技术的应用极大优化了方案的设计，使得施工组织更加合理、施工管理更加有效、降低了施工成本。对于新工艺、新技术的应用，通过 BIM 技术可及时发现施工过程中可能存在的问题与难点，提前进行研究解决，保障了施工效率[50-51]。因而，将BIM合理并高效应用于装配式建筑将会为未来的重要发展趋势，BIM技术的发展将对我国装配式建筑的发展具有重要的意义。