产品思维下装配式建筑系统集成技术应用与价值思考
——以澳大利亚轻型结构房屋系列产品为例

2022-08-13 02:06罗佳宁陆伟东
华中建筑 2022年8期
关键词:墙板系统集成精益

罗佳宁 陆伟东 张 宏

曾几时何,我国建筑工业化的浪潮在繁盛喧嚣的城乡建设中被裹挟着前行,一时间各种新理论、新方法、新技术如雨后春笋般出现在建筑行业,尤其是装配式建造方式已经成为实现工业化的主要方式和有效途径,经过几十年的高速发展,当下建筑业已进入“存量时代”的冷静期,节能减排、绿色健康、转型升级和高质量建造等已经上升为今天可持续发展的关键词,当建设热潮褪去,一切归于平稳,我国装配式建筑从设计到建造的过程中仍存在碎片化、修改多、费用高和效率低等现实问题[1],节奏放缓后才有机会思考:在工业化生产方式的今天,装配式建造技术无疑推动着建筑业朝着精细化和精益化的制造业方向发展,如何在建筑业和制造业之间、装配式建筑和工业产品之间找寻平衡点和切入点,以缓解相关矛盾和解决上述问题?20世纪初柯布西耶就曾将建筑业和制造业放在了同一舞台下,早先“住宅是居住的机器”的号召言犹在耳,当下“像造汽车一样造房子”的口号又甚嚣尘上,而随着精益生产、装配式建造和信息化技术的融合发展,未来“智能建造”方兴未艾,“向制造业学习”又一次出现在建筑行业的视野中,未来是否有可能在新型建筑工业化的浪潮下突破建筑和产品的固有壁垒?产品思维和系统集成在装配式建筑中的影响和作用成为必不可少的一环,因此在建筑学语境下从制造业视角分析系统集成的历史渊源、当下应用和未来展望的角度重新审视装配式建筑的现实问题在新型建筑工业化的今天更具时代意义和实用价值。

1 从制造业走向建筑业的系统集成

1.1 制造业与建筑业的历史渊源

自人类诞生以来,制造业和建筑业一直伴随着人类文明的发展进步,在科技不发达的手工艺时代两者区别并不明显,房屋的建造过程本质就是手工制造产品组合的过程,但随着社会的工业化进程,制造业逐渐分离出来,与建筑业成为并行而独立的两个行业,这种进程也不可避免地在建筑业掀起了一场革命。实际上,“向制造业学习”的建筑工业化思想并不是什么新鲜事物,在现代建筑革命兴起之初,柯布西耶在《走向新建筑》一书中就观点鲜明的指出:“工程师的美学,建筑,这两个互相联系的东西,一个正当繁荣昌盛,另一个则正可悲的衰落。”随后在书中“视而不见的眼睛”一章中,列举了远洋货轮、飞机、汽车这三个典型工业产品和现代建筑之间的关系[2]。18世纪末工业革命的爆发无疑打开了近代工业技术革命性变革的篇章,在建筑业破旧立新的“乱世”年代,复古主义建筑日渐式微而现代工业建筑方兴未艾,柯布西耶的《走向新建筑》犹如一面旗帜,伴随着工业技术的伟大成就,矗立在现代建筑的最前沿。风格、机器和标准是柯布西耶在对比工业产品和建筑中提到的关键词。在这种时代背景下,工业产品给现代建筑设计注入了新的血液,正如那句“我站在建筑学的立场上,处在飞机发明者的精神状态之中”,而“住宅是居住的机器”又激进的表达了现代建筑师们对工业革命后建筑业革命的迫切夙愿,成就了柯布西耶的“模度”、密斯的“少就是多”、康的“秩序”、赖特的“有机”等现代主义建筑设计哲学理念。

也许上述这些工业产品的“建筑化”之路让现代主义建筑的先锋建筑师们找到了灵感,也许柯布西耶的“新建筑五点”和工业产品一脉相承,这些我们都无从考证。但是不可否认的是,建筑业在随后100多年的发展过程中一直与制造业有着某种内在关系,而工业产品和建筑之间也一直保持着千丝万缕的联系。从早先现代主义流派到近代高技派,从萨伏伊别墅到柏林议会大厦;从包豪斯校舍到蓬皮杜国家艺术文化中心,即使是在建筑多元化的今天,建筑师们一直在工业技术中寻求灵感。然而制造业在这期间经历了单件生产、大量生产方式、精益生产、计算机集成制造、批量客户化生产、敏捷制造等阶段之后,工业产品质量取得了质的飞跃,但建筑业的发展却远远落后于制造业[3]。建筑师们开始意识到对工业产品的借鉴不应仅仅局限于美学层面对“机械美”的追求,而是需要在技术层面上从建造出发,将制造业先进的理念引入建筑业,精益建造理念应运而生,工业产品和建筑的关系也不再仅仅局限于形式美的互相借鉴,精益建造的研究和实践更是深入至生产技术和建造技术之中,进入了一个新的发展阶段。

1.2 工业产品与建筑的当代思辩

近几十年来随着建筑业工业化的加速推进,生产和制造早已成为建设活动中必不可少的一环,制造业的先进理念和质量提升得到了建筑业的广泛关注。1990年詹姆斯· 沃麦克(James P.Womack)在《改变世界的机器》中提出了“精益生产(Lean Production)”的概念[4],并将其上升到了理论的高度[5]。随后精益设计、精益物流、精益服务和精益政府等相关概念在制造业先后涌现[6]。而彼时建筑业正面临着建筑环境恶劣、效率低下、浪费较为普遍和工程质量难以有效保障等问题。因此劳里·科斯凯拉(Lauri Koskela)在1992年提出将精益生产等制造业的生产原则应用到建筑业的想法[7],并在1993年正式提出“精益建造”的概念。但由于建筑业多元性、复杂性和综合性等特征,应用起来仍有很大的局限性[8]。尽管如此,在随后十几年内有关制造业和建筑业的融合研究却从未停止过,陆续有学者将建筑和工业产品进行对比研究,典型的对比对象就是汽车。斯蒂芬·福克斯(Stephen Fox)(2001)针对制造业和建筑业的差异,总结了融合的不同策略[9];尼克·布马斯(Nick Blismas)(2005)认为建筑的定制性特征使得建筑并不能像工业产品一样批量化生产[10];阿利斯泰尔·吉布(Alistair Gibb)(2001)更是观点鲜明地指出房屋不是汽车,有关汽车和建筑的“陈腐比较”很难得到证实和验证[11];艾奇逊·马修(Aitchison Mathew)(2017)在澳大利亚装配式建筑的视角下表达了同样的观点[12],相关领域学者对“像造汽车一样造房子”的观点仍然持怀疑和否定的态度。

然而,随着精益建造技术的不断发展,装配式建造技术与信息化协同技术的日趋成熟,制造业和建筑业具有越来越明显的趋同性,工业产品和建筑产品的界限也开始变得模糊[13],“向制造业学习”的陈旧命题又被重新提及,“像造汽车一样造房子”的口号又被再次喊起,这反映出目前建筑向产品学习的迫切愿望,同时也反映出从业者潜意识里对汽车制造和预制装配两者技术相似之处的认同。那么这种制造业产品化高度集成的美好愿景在当今新型建筑工业化时代是否能够实现?

2 产品化系统集成

关于这个问题我们已经在寻求答案,现如今产品化系统集成技术已经在欧洲、北美、日本和澳大利亚等发达国家和地区的装配式建筑中得到较为广泛的应用[14]。依托第一作者在研基金项目和在澳大利亚纽卡斯尔大学的研究课题①,以木材、钢材、钢木混合等结构的私人住宅、中小型公建(办公楼、学校、社区医院)为例②,从三个方面分析了澳大利亚轻型结构房屋的产品化系统集成应用③。

2.1 系统集成核心策略

系统集成核心策略主要体现在房屋的主体模块和典型构件上。如园木公司(Parkwood)的低层住宅系列产品-科帕卡巴纳(Copacabana)海景山地别墅(图1)和模块化房屋系统公司(MBS- Modular Building System)的马斯登公园圣公会学校(Marsden Park Anglican School)产品(图2)采用了多个标准化的系统集成主体模块,便于批量生产、完整运输和快速装配。而木材房屋系统公司(Timber Building System)在迈耶木业悉尼办公楼产品 (The Meyer Timber Sydney Office)和彭里斯综合办公楼(Corporate Office Penrith)小型公建系列产品中则主要应用了一体化系统集成墙板构件产品来同时满足房屋的结构、围护、性能和装饰等要求。

图1 科帕卡巴纳(Copacabana)海景山地别墅产品

图2 马斯登公园圣公会学校(Marsden Park Anglican School)产品

科帕卡巴纳海景山地别墅产品(图1)共三层,为5室2厅3卫,总建筑面积约320m2。整个房屋应用了模块化装配式建造技术,由10个钢木混合结构的系统集成主体模块组成,每个主体模块都采用了3M模数进行尺寸协调,尺寸控制在长8~12m,宽4~4.5m,高3.2m的范围内,在工厂生产阶段就将房屋的结构、外围护、设备与管线、内装修四个部分系统集成在主体模块中。如集成度最高的三层阁楼将卧室、衣帽间和卫生间三个功能的相关构件和设备集成进尺寸为8.4m(长)×4.5m(宽)×3.2m(高)的系统集成主体模块中,在后续运输和装配的建造过程中只需要一台汽车起重机即可进行快速现场装配(图3)。马斯登公园圣公会学校产品(图2)为单层钢结构装配式建筑,总建筑面积约560m2,同样应用了模块化装配式建造技术,但采用了16个尺寸为13.2m(长)×3.0m(宽)×2.7m(高)的标准化系统集成主体模块组成整个房屋(图4),在工厂生产试组装(图5)完成后,再分模块运送到现场即可快速装配。

图3 科帕卡巴纳(Copacabana)海景山地别墅产品的三层阁楼系统集成主体模块

图4 马斯登公园圣公会学校平面图

图5 马斯登公园圣公会学校的标准化系统集成主体模块

迈耶木业悉尼办公楼产品(图6)则采用了一体化系统集成墙板,预制墙板构件采用了断面为90mm×35mm的木龙骨框架和断面为65mm×65mm的后张预应力钢柱组合形成预制墙板构件的结构体系,外墙装饰挂板、防火隔层和密封胶条组合形成预制墙板构件的外围护体系,38mm厚的复合木板材形成构件的内围护体系,而内、外围护体之间形成的空腔则填充相应的保温隔热和隔声材料,满足建筑的性能要求(图7)。同时墙板采用了标准化连接方式和装配工艺,在现场装配时只需用相应的工具紧固预制墙板构件顶部的M24螺纹套筒,就可以方便高效地完成预制构件的现场装配(图8)。这种一体化系统集成的预制墙板构件产品经过调整或优化,又应用到迈耶木业的下一个彭里斯办公楼产品中(图9)。

图6 迈耶木业悉尼办公楼产品(The Meyer Timber Sydney Office)

图7 一体化系统集成墙板的构造示意

图8 一体化系统集成墙板的高效装配

图9 彭里斯办公楼产品(Corporate Office Penrith)

2.2 批量生产建造目标

在建造阶段,标准化的系统集成模块和一体化系统集成构件能够大大提高房屋在工地现场的建造效率,从而使得房屋产品的批量建造成为可能。园木公司的工程师约翰·麦克杜格(John Mcdougall)在访谈中提到:“标准化的系统集成模块装配使得建筑师在绘制图纸时只需了解公司所能生产的基本构件尺寸信息,并出具基本装配图纸,并不需要进行专门的细节大样或施工图设计,因为在后续的环节中默认都是采用公司自行研发的标准化的装配和连接方法”。木材房屋系统公司的工程师乔治·康斯坦茨(George Konstandakos)和模块化房屋系统建筑公司的工程师约翰·卓别林(Josh Chaplin)在访谈中都提到:“在公司的项目中,他们几乎感觉不到方案图纸和实际生产与建造的脱节,建筑师只需挑选一体化构件产品进行组合设计,并不需要花精力解决项目在现场工地施工中所遇到的问题,公司有完善的标准化建造工序。”

如木材房屋系统公司的迈耶木业悉尼办公楼项目的预制墙板构件在深入设计和研发阶段还考虑了吊点位置的设计,在均匀排布的后张预应力结构钢柱顶端上设置了4个吊点(图10),同时配套相应规格的吊车、叉车、平台车等施工机械(图11)。 项目主体部分完工仅花了20个小时,约2天半的工作时间,整个项目约80%的工作量在工厂完成,使项目的整个工期缩短了30%以上,具有高度工业化的特征。

图10 一体化系统集成墙板的吊点设置

图11 一体化系统集成墙板的现场吊装

2.3 产品系列设计目标

园木公司和模块化建筑可变板材房屋公司的装配式轻型结构建筑已经转变为多种类型的低层住宅产品系列。底层住宅系列产品依据卧室数量进行分类,产品类型和面积涵盖1室1厅的1层30m2到6室2厅的2层300m2,同时还会根据客户的特殊需求开发定制化住宅产品。这种产品系列设计理念使其能够研发符合市场和客户需求的定型化住宅产品系列,不同的客户需求转化为不同设计中功能模块的变化,体现为平面布置,建筑外观和室内装修与设备等方面的不同。而迈耶木业悉尼办公楼项目和彭里斯综合办公楼项目是木材房屋系统公司小型公建系列产品中的典型案例,木材房屋系统公司仍在继续研发小型公建系列产品,建筑类型逐步涵盖社区医院、社区俱乐部和社区幼儿园等。

3 产品化价值探讨

建筑产品和工业产品的模糊界限无疑在潜移默化中影响着建筑师们的设计哲学[13],尤其体现在装配式轻型结构建筑中。在系统集成设计方面,其产品逻辑可以面向真实建造,将建筑构件转变为系统集成的工业产品,将建造方式转变为产品制造的工业装配,能够以工业化的生产方式将功能、性能和人文等建筑设计和建造相关的多元需求归纳、兼容、合并和集成在各类建筑构件产品中,通过高度集成的产品作为媒介,将前端建筑设计深入至真实建造层面,以达到后续建造的广度、深度和精度要求,这更加符合装配式建筑的工业化需求;在协同组织流程方面,产品思维有助于应用协同工作手段将装配式建筑各独立系统[15]的设计与建造的并行流程特征与装配式建筑不同专业、不同阶段、不同部位之间的作业界面进行清晰分割和准确匹配,帮助建筑师在前期设计阶段就依据具体设计和真实建造需求进行设计,提高设计的准确度和深度,避免重复设计和反复修改,从而提高设计与建造效率,优化整个项目流程(图12)。

图12 协同组织构架下装配式建筑系统集成的并行流程优化

最后,在最终建筑产品的用户体验方面,产品思维将建筑及其构件作为系统集成的产品进行设计与建造,建筑交付模式也逐步从装修交付向产品交付转变,这种改变意味着“建筑作品模式”向“建筑产品模式”的调整[16],在这种模式具有了一定的选择权和主导权,同时也带来了商品感受的用户体验,用户可以像挑选商品一样挑选、使用、保养、维护自己所购买的住宅商品,而且还可以“一站式”的挑选相配套的内装修类商品,购买到手的是直接可以使用的商品,享有售后服务的保养、维护等内容,这与产品和商品理念已经十分接近[17]。

结语:是产品还是建筑?

时至今日建筑师们仍未放弃从工业技术中寻找线索,而装配式轻型结构建筑的产品化系统集成特征和趋势提供了一个契机,逐步突破建筑和产品的固有壁垒。典型实践案例如香港中文大学建筑学院的慈善学校、保护区建筑等工业原型产品[18]。东南大学建筑学院的紧急建造庇护所、自保障多功能活动房、台创园多功能办公房、微排未来屋[19]、梦想居未来屋[20]、农村多功能房、孔家村为民服务中心和共享立方C-House八代迭代产品[21],以及“魔墅”箱式系统轻型房屋建筑系列产品[22]。如果建筑可以被产品化,建筑师们似乎可以从繁重的个性化定制设计和应激判断工作中解脱出来,同时又远离了可建性和实施性方面的束缚和困扰。正如朱竞翔团队的设想,让作品转变为产品,脱离建筑师跳到前台来,变成一个能在市场上自我更新的东西,通过复制和量化服务于千家万户[18]。而产品思维和系统集成下建筑业和制造业交叉发展之新局面的形成则有可能成为新型建筑工业化背景下寻找装配式建筑和工业产品之间平衡点和切入点,缓解现有矛盾和问题的关键:跳脱单纯的形式空间—理论流派—型制符号争论,重新回到建筑作为创造性人工产物所需要迫切满足的社会化大生产的工业化需求。

那么是否产品思维下系统集成的建筑产品路径是最优解?是否建筑实现了像工业产品一样制造就一定有利于建筑工业化?是否建筑业与制造业在未来科学技术的影响下会衍生出新的共生关系?在建筑物质和社会双重属性的前提下,也许我们应该刻意回避“像造汽车一样造房子”目标是否合适和可行的探讨和争论,亦或是坚守建筑业与制造业的固有思维和行为界限,这都需要时间来验证。现如今,随着我国木结构、钢结构和钢木混合结构等装配式轻型结构建筑需求在乡村文明建设中的全面提升,系统集成方法已经突破在中高层钢筋混凝土结构住宅的内装工业化[23]和部品集成技术[24]中的应用范围。本文在建筑学语境下通过制造业视角探讨了产品思维下澳大利亚轻型结构房屋的系统集成应用和价值,展示了建筑业和制造业的共生关系,不失为一条可行路线。但建筑师们仍需持谨慎和批判的态度把握主导方向,毕竟无论时代如何变迁,建筑师重建物质世界秩序的历史角色却从未改变过。

资料来源:

图1,3:园木公司Parkwood提供;

图2,4:模块化房屋系统公司MBS提供;

图6,8~11:木材房屋系统公司TBS提供;

文中其余图片由作者绘制、拍摄。

注释

① 澳大利亚纽卡斯尔大学(The University of Newcastle, Australia)的研究课题“从构件到房屋的澳大利亚预装装配式建筑案例研究(Case studies of off-site manufacture of buildings:the composition and sequence of assembly of components into buildings)”,批准号H-2016-0294。

② 澳大利亚纽卡斯尔大学的威利·谢尔(Wi l ly S h e r)教授、西悉尼大学的大卫·钱德勒(David Cha ndler)教授对研究课题企业调研方面给予了指导和帮助。本文研究得到国家留学基金管理委员会公派联合培养博士生项目的资助(201506090017)。具体以园木公司(Parkwood)和模块化建筑可变板材房屋公司(MAAP House-Modular Architectural Adaptable Panel)的低层住宅系列产品,以及木材房屋系统公司(Timber Building System)和模块化房屋系统公司(MBS- Modular Building System)的小型公建系列产品为例。

③ 木材房屋系统建筑工程公司(Timber Building System)的乔治·康斯坦茨(George Konst a ndakos)、园木建筑工程公司(Parkwood) 的约翰·麦克杜格(John Mcdougall)和模块化房屋系统建筑工程公司(MBS- Modular Building System)的约翰·卓别林(Josh Chaplin)参与了访谈,并提供了本文相关项目工程资料,对本文研究给予了帮助。

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