装修一体化装配式建造技术研究现状及展望★

张 林 周文杰 冀 诚 申张鹏 马志杨 李浩淼 梁存君

(1.中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100161； 2.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061)

1 概述

随着以传统施工方式为基础的建筑在环境、施工效率及社会经济等方面的问题逐渐显现，如施工现场湿作业量大、工期长及污染环境等，而以“搭积木”方式的PC(Prefabricated Construction)预制装配式结构因其工厂预制效率大、工期短及污染程度低等优势在国际上的作用愈受重视。装配式建筑是指在工厂中完成部分或全部构件、部件及设备的生产，然后运输到施工现场进行吊装施工的结构类建筑，其与现浇混凝土建筑的对比见表1。由表1可以看出，装配式混凝土建筑相比现浇混凝土结构具有降低人工需求、增加效益、绿色施工等优点。然而，在完成主体结构后进行装修设计时，仍旧存在现场湿作业量大、施工工序复杂及管线等施工材料混乱等现象，不仅滞后了建筑工业化的发展，也降低了人们对装配式建筑的接受度。因此，作为实现装配式建筑工业化的重要环节，装配式—装修一体化建造技术正逐步兴起。此外，数字技术的迅猛发展对建筑行业的科技化与信息化产生了很大的影响。

本文以装配式住宅为基础，从国内外装配式—装修一体化建造技术及BIM信息化方面阐述了装配式建筑体系的发展状态，总结了目前该体系研究与实践中需要解决的焦点问题，对未来的研究方向和趋势作了初步的判断。

表1 装配式结构与现浇结构对比

2 装修建造一体化装配式建筑

2.1 国内外装配式建筑技术特征

装配式建筑在日本、美国、德国等国家较为普遍，无论是装配式建筑设计理论还是装配式构件设计、施工等都比国内成熟。国外装配式建筑应用情况见表2。

表2 国外装配式建筑应用概况[1,2]

2.1.1美国装配式建筑特征

由于美国幅员辽阔，仅有部分地区位于地震带，各地区的抗震烈度不等，因此在美国，预制混凝土装配式和钢结构装配式主要应用于大型城市的住宅[3]，而木结构与轻钢结构则在小城市更为普及[4]。这种建造方式不仅降低了工程成本，还扩大了构件的可应用范围，大大降低了施工难度。此外，美国装配式结构强调结构的整体性及稳定性，其预制构件的受力钢筋仅在柱底与基础部位进行连接，其连接方式主要通过波纹管进行间接搭接。作为北美预制建筑的两大体系，建筑预制外墙体系和结构预制构件体系的相似之处是结合了规模化和预应力，不仅优化了建筑结构，还提高了经济效益。

2.1.2日本装配式建筑特征

相比美国预制构件连接方式以铰接为主的框架，由于日本地处地震频发区，其预制构件主要通过刚接方式来实现结构抗震性能。日本建筑的主体结构工业化的核心为钢结构、木结构，以及预制装配式混凝土PC结构[3]。其中，PC结构主要包括四种结构体系，即钢混合结构、墙板结构、框架结构、框架—墙板结构。其中，日本装配式建筑大量采用的结构体系为RPC体系。RC结构的墙板与主体连接方式为柔性连接，这提高了框架结构的抗震性能，同时RC结构具有延性好、结构受力明确、计算简单等优点，所以能够适用于高层甚至超高层建筑。日本装配式建筑强调预制与现浇相结合以及节点采用湿式连接来保障结构的整体性。因为多次震害事故，日本的装配式建筑多强调“抗震、隔震”等思想，例如，超高层建筑(60 m以上)必须以“隔震减震”为前提。因此，日本与欧美国家的国情和地理位置的不同，造成其建筑结构技术特征存在很大的差异。

2.1.3中国装配式建筑特征

我国装配式建筑模式受苏联、日本、欧美等国家的影响，形成了一套21世纪“中国模式”[3]。2010年10月出台的《CSI住宅建设技术导则(试行)的通知》指明了住宅建筑体系发展的新方向，即将支撑体与填充体两大部分分开。由于我国国土面积大，地形复杂，地震高频区与低频区均有涉及。因此，在技术层面上与日本相同的是，预制构件通过刚接进行连接，节点主要以湿式连接，预制构件的受力钢筋同样是通过套筒灌浆连接，且大多为预制与现浇相结合。不同的是，由于日本对结构、构件及节点的抗震要求较高，因此在预制框架结构的基础上，通过对关键节点使用“斜向钢结构”进行拉接或者“一维与多维”构件相结合的方式以提高节点刚度，而我国提高关键节点的刚度的处理方式主要是在节点现浇等方式。我国中高层装配式住宅主要以预制剪力墙结构为主，墙板结构作为竖向承重与横向承重构件，侧向刚度大。然而，由于墙板空间需要开洞等要求，使构件预制工序复杂，构件标准化较为困难。

2.2 装配式装修一体化

进入新时代，人们对居住环境提出了更高的要求，传统装修施工方式已然不能满足人类社会的需求。传统装修施工存在如下缺点[5,6]：

1)浪费资源。传统室内装修施工会对毛坯房进行改造，在这个过程中会产生大量可回收的建筑垃圾。据统计，毛坯房装修导致的资源浪费全国每年可达到3 400万t。

2)环境污染大。传统装修的周期长，产生的建筑及生活垃圾较多，而且还会造成巨大的噪声污染。

3)质量把控不过关。传统装修公司为了追求高收益，会采用质量较差的材料，以及在装修过程中对建筑物结构功能的改造都会降低住户的居住体验，甚至会产生安全隐患。

4)装修工艺复杂。在传统装修过程中设计与施工分离、施工工序繁杂，施工时的管线等材料摆放无序。此外，传统装修施工存在大量湿作业，这点与装配式建筑“快速、绿色、高效”的理念相背离。

随着建筑行业的快速发展，装配式装修一体化技术也受到越来越多的关注。装配式装修，也称“工业化装修”，是将工厂预制生产的构件、部件通过一定的连接方式将部品集成，继而运输到施工现场由施工人员按照标准化程序采用干作业方式进行施工的装修过程。装配式装修一体化建造技术不仅现场作业量小、对环境更为友好及避免浪费材料，而且推动了建筑工业化的进程，更好地为人们所接受。装配式内装修体系主要涉及七大部位，即隔墙、天花板、地坪、厨卫、部品、装饰、设备管线[7]。由于装配式装修能避免传统装修施工所带来的种种弊端，因而成为全装修住宅发展的最优选择。同时，国家政府自2015年来出台了大量政策、标准，大力支持并要求将装配式建筑落实到民用建筑中，尤其是装配式装修一体化(即“全装修”)的理念。在2015年出台的《建筑产业现代化发展纲要》中已明确指出，到2015年时，装配式建筑所占比例须达到新建建筑的50%以上。在2016年出台的《关于大力发展装配式建筑指导意见》中再次提出，力争用10年的时间使装配式建筑总面积能够达到新建面积的30%[8]。由此可见，国家有关部门对装配式建筑发展的重视。

对于日本、美国、德国、瑞典等装配式建筑技术较为成熟的国家，其装修建造技术也逐渐完善，并不断实现建筑工业化大背景下装配式建筑装修部品的集成：构件实现标准化、工厂化、模数化及现场干式施工等，其中以日本与美国体系较为成熟。

美国住宅建筑市场经过二战、工业革命之后发展体系更为完善。其住宅装配式构件、部品等已基本实现工业化、标准化、系列化与商品化，内部装修饰品包括厨卫设备及其配件与门窗等成套系列齐全，部品成套性与集成化程度高，建筑工业化基本实现100%[9]。装配式建筑因其工厂预制构件技术，不可避免地会出现建筑风格较为单一不能满足用户需求等现象。而美国住宅更为注重人性化与个性化，实现了住宅等装配式建筑的多样化。基于内部设备、饰品的成套技术，用户可根据个人需求在建材市场上任意组合和选购不同配套。

日本建筑一般为精装交付，在精装修阶段主要采用SI体系，即内装工业化体系(Skeleton-Infill building system)，多使用集成化内装部品，因此对建筑结构的梁、柱影响较小。日本住宅体系主要是通过改善住宅内部设备性能，合理布置管道及管线走向等延长住宅建筑的寿命。工业化住宅主要表现为：结合复合一体化墙体和预制楼板，现场装配结构，然后将预制整体式厨卫设备等同时吊装安装于结构中。目前，日本装配式建筑已经将各类建筑(包括住宅)构件、部件、部品等实现工业化、标准化与规格化生产，在现场装配施工时，建筑主体与部品设备安装效率较高。在建筑工业化的背景下，日本装配式装修一体化住宅达到了绿色、高效、舒适及个性化的效果。

相比国外装配式装修一体化进程，我国装修一体化发展较为缓慢。结合我国国情，吸取国外经验，我国装修一体化也取得了一定的发展。2012年，中日两国签订《中日住宅示范项目建筑合作意向书》，开始了建筑领域内基于SI体系的合作。基于日本SI体系，形成了我国目前装配式住宅大多采用的CSI体系(China Skeleton-Infill building system)，从预制外部构件、内部构件到内部设备集成等均实现了建筑工业化。CSI建筑体系采用支撑体部分和填充体部分相互分离的建筑理论、集成方法和设计建造体系[10]。CSI体系主要包括：分离化机电设备系统、集成化部品系统、模块化部品系统。我国CSI体系主要具有以下特征[11]：

1)支撑体部分与填充体基本分离；2)拥有完善的住宅管理计划；3)主要居室布局可变更性；4)部品群通过耐久年限和权属关系区别开；5)部品模数化、集成化；6)套内接口标准化；7)卫生间排水管道布局合理。

CSI体系作为新型装配式技术的体现，在建筑性能、产品质量等具有明显的优势。我国传统建筑厨卫间水电管线的布置大多通过楼板进入室内上下层，空间布置混乱、隐蔽工程安全隐患较多，CSI体系通过“架空技术”架设地板，从而实现同层排水方式，在不影响邻居日常生活前提下，使管线的安装与维修更为方便。随着科学技术的发展，装配式内部部件性能将会进一步提升，并能根据用户需求实现个性化与多样化目标[12]。

2.3 基于BIM技术的装配式建筑

信息技术的不断智能化与科学技术的快速发展，正不断给予装配式建筑市场以新兴力量。2003年我国正式引进BIM技术，即建筑信息模型(Building Information Modeling，又称建筑信息模拟)[13]。随着BIM技术的不断成熟与普及，其在建筑行业的地位也日益明显。在建筑全周期阶段，均有BIM技术的参与。从建筑设计阶段到建筑施工管理，不论是复杂构件或节点的设计与处理还是试验检测，以及现场施工场地的布置等多方面，BIM技术为装配式建筑提供了技术支持，实现了对装配式建筑全寿命周期的追踪[14]。传统建筑以及装配式建筑在设计施工过程中，由于缺乏协同管理系统来综合考虑部品在整个设计、生产、运输、施工安装以及后期维修等具体细节，使得构件在建筑全周期出现构件安装不匹配、场地布置不合理，各领域信息水平低等问题，严重阻碍了施工计划的完成。基于BIM技术的新型装配式建筑，通过协同平台下建筑各阶段具体施工计划与方案，建立各方协同的计划模型，统一管理，解决建筑中各领域沟通较为困难、不及时的问题，并实现全寿命周期各阶段的追踪，保证施工计划的顺利实施[15,16]。

3 当前存在的问题

本文从目前国内外装配式建筑技术特征、装配式—装修一体化以及基于BIM技术的装配式建筑三方面阐述了装配式建筑的研究现状与发展形态。可以发现，随着理论与技术的不断成熟，以工业化生产为特征的装配式建造体系持续更新发展，充分结合理论与实际，各国结合本国国情发展出了不同的装配式建筑体系。此外，基于BIM与物联网技术的装配式建筑构件及部品更加工业化、标准化与信息化，同时实现了建筑项目全寿命周期的实时跟踪。与传统建筑及其装修相比，装配式建筑与装修一体化建造技术实现了产品品质优化、空间利用率高及施工流程体系化等效果，然而这种模块化的装修方式也存在不可避免的缺点，在推行不断发展装配式装修一体化建造技术的进程中，仍存在许多亟待解决的问题：

1)装配式建筑及其一体化装修推行力度不够，人们接受度不高，预制构件及配件标准化不能满足用户个性化需求；从开发商与购房用户角度考虑，装配式装修一体化建筑总成本高，以及对装配式建筑质量要求仍持有怀疑态度。应加大对装配式建筑及装修建造技术的推广，工业化建筑不仅应实现构件工厂标准化生产，更应结合用户需求个性化设计，使产品多样化[17]。此外，加强国内装配式剪力墙、钢筋竖向连接、夹心墙板连接件两个核心技术的应用基础研究，从构件及节点的受力机理与性能要求、施工控制与质量验收等方面加强管理[18]，保证产品质量，进一步研究新型技术体系与技术处理方式，更好的适应社会建筑业的发展。

2)日本及欧美等国家的装配式装修技术之所以已有较完善的体系，相关集成部品与配套技术发展相对成熟，很大程度上得益于国家政府制定的相关实质性政策、标准及范本等。而我国在此方面仍有欠缺，在整个建筑工程设计施工过程中产品质量问题、施工质量问题及产权问题等层出不穷。在国家大力推行发展装配式建筑的社会背景下，各地应结合当地经济、文化等社会现状，出台有关政策，促进建筑产业的示范工程建设。

3)由于装配式装修工程中相关部件及配件工业化、标准化及规格化程度较低，同时部品集成技术与成套技术尚不完善，因此整体装配化专业化程度较低，不能更好地满足用户装修品质的需求。在满足功能性设计的基础上，针对不同类别的设计需求，通过给客户留有一定的设计空间，实现装修内部部件多样性视觉效果。

4)目前BIM技术与物联网技术在建筑工程中的应用仍处于初步阶段，且大多为设计单位使用，而建筑业其余领域涉及较小。在进行装配式装修时，应结合BIM技术的三维建模及可视化优势，应用BIM技术进行水电管线及管道的安装等建筑业多领域的施工进程[19，20]，实现准确、高效、直观的施工过程，减少构件不合理的风险，实现工程全寿命周期的可控制性。

4 结语

在不断推行建筑产业工业化、现代化的时代条件下，装配式建筑体系是一种新型的具有工业化特色的建筑体系，实现了建筑方式由传统的现场建造转变为工厂标准化生产的建筑方式。作为我国一直倡导的建筑发展理念，装配式建筑包括规范化设计、工厂标准化生产、现场装配式安装、一体化全装修和信息化管理等方面。而我国目前仍处于装配式建筑及其一体化装修建造方式的初级阶段，需要不断完善相关理论研究、鼓励政策推行及提升产品质量等，才能使装配式建筑体系更为完善与成熟，实现建筑产业工业化的目标。