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从全球视角看我国装配式建筑发展

现代意义上的“装配式建筑”起源于工业革命,并持续发展,从全球视角看建筑业近百年来的发展,以住宅产业化为主要特征的建筑工业化先在以西方为主的工业发达国家崛起,在快速满足人们住房需求的同时,建筑工业化推动了建筑业生产方式变革,大幅提高了建筑业生产效率,并逐步普及。


通过全面回顾全球建筑工业化发展进程、发达国家装配式建筑的发展状况,以及我国装配式建筑发展历史和现状,多角度、系统地分析了我国目前装配式建筑发展存在的问题和改进意见。




装配式建筑定义


1921年,“像造汽车一样造房子”的概念被法国建筑大师柯布西耶在《走向新建筑》中首次提起,希望建筑业像二十世纪的上半叶“批量复制”汽车那样,“批量复制”建筑。
美国建筑产业协会(CII,1986)在一份基础报告中定义预先制造和预先组装如下:“预先制造(Prefabrication)是一种制造方法,一般是在专门设备上,把各种材料结合到一起形成一个最终安装部件”。
英国建筑产业研究和信息协会(CIRIA,1997)定义预先组装如下:“预先组装(Preassembly):在最终就位之前,为一件产品组织和完成大部分的最终装配工作。它包括许多形式的分部装配。它可以是在现场,或远离现场进行,并且常常涉及标准化”。

时常我们也会听到各种各样的术语来描述装配式建筑的生产单元,例如,“盒子”、“单元”、“模块”或“集合,或供装配的零件”。

勒·柯布西耶maison Citrohan系列中最早的原型maison Domino



早期装配式建筑


广义上的装配式建筑包括许多当代和古代的建筑技术,世界上大多数地区所使用的砖和砌块也许是最简单 的预制部件。 
从最初的“冬则营窟,夏则居巢”的远古时代一直到今天,人类所创造的所有建筑物基本都是“装配式建筑”。

例如,中国在远古(河姆渡文化)时代就开创了“梁柱式” 建筑的“榫卯结构”,开始实施“装配式建筑”,并一直流传至今。

固定垂直构件的榫卯结构

浙江余姚河姆渡新石器文化遗址中发掘出来的木构榫卯,是至今为止,世界上考古发现的最早的预先制造制装配式建筑构件。
河姆渡出土榫卯结构木建筑遗迹

我国古代预制木构架体系

同样,公元前 8-6 世纪的古希腊建筑物都是用木材或泥砖或者黏土造的。大约在公元前 600 年,木材柱子经历了称为石化的材料变革,所有的柱子都采用了石材,并预先制造。
古希腊建筑的结构属梁柱体系,早期主要建筑都用石材。限于材料性能,石材梁的跨度一般是4 ~5米,最大不过7~8米。石材柱以鼓状砌块垒叠而成,砌块之间有榫卯或金属销子连接,墙体也用石材砌块垒成。

古希腊属梁柱结构体系建筑



第一次工业革命

建筑工业化发展的重要契机和助推力
1850年前后,第一次工业革命基本完成,英国成为世界上第一个工业国家。大英帝国处于鼎盛时期,英女王邀请世界各国参加大英帝国举办的第一届世界博览会。

约瑟夫·帕科斯顿(Joseph Paxton)仰仗现代工业技术提供的经济性、精确性和快速性,第一次完全采用单元部件的连续生产方式,通过装配式结构的手法来建造大型空间,设计和建造了伦敦世界博览会会场水晶宫。

第一座装配式大型公建—伦敦水晶宫

不到6个月就建成了宽408英尺(约124.4米),长1851英尺(约564米),共5垮,高三层,约7.4万平方米的建筑面积。水晶宫经历了从设计构思、制作、运输到最后建造和拆除的全过程,是一个完整的预制建造系统工程。曾经是19世纪前半期的铸铁技术总检阅之一。
尽管是马拉肩扛,却首创了工厂预制构件,现场装配的技术模式,是现代建筑(钢材骨架和玻璃幕墙)的开山之作。

正在用预制件搭建的伦敦水晶宫



全球建筑工业化发展进程


全球建筑工业化进程与工业革命进程息息相关,总的发展趋势愈益贴近人类文明的发展进程,并将引领全球建筑业的发展和变革。

根据全球建筑工业化发展的内因和表现,其大致可分为以下4个发展阶段。
1:建筑工业化 1.0 时代: 工厂化、机械化( 20世纪初 —20世纪中期)
随着第二次工业革命的兴起和第一次世界大战的结束,欧洲各国经济复苏,技术的进步带来现代建筑材料和技术发展的同时,城市发展带来大批农民向城市集中,大量人口涌入城市,需要在短时间内建造大量住宅、办公楼、工厂等,为建筑工业化创造奠定了基础。

工业革命时期,大批农民涌向城市

战争与灾难引发的住房需求


欧洲大陆建筑普遍受到战争的影响,遭受重创,无法提供正常的居住条件,且劳动力资源短缺,此时急需一种建设速度快且劳动力占用较少的新建造方式才能满足短时间内各国对住宅的需求。于是装配式混凝土建筑萌生于此,并快速进入了欧洲各国的住宅领域。
法国的现代建筑大师勒·柯布西耶便开始构想房子也能够像汽车底盘一样工厂化成批生产。
他的著作《走向新建筑》奠定了工业化住宅、居住机器等最前沿建筑理论的基础。此间为促进国际间的建筑产品交流合作,建筑标准化工作也得到很大发展。

柯布西耶以工厂化为基础的居住单元系列,1952

装配式建筑在西方战后重建和经济恢复方面发挥了非常重要的作用,基于工厂化生产和机械化装配的建筑工业化概念开始形成,但技术不成熟,管理粗放,建造成本相对较高,不具备市场化条件,基本处于政府主导、企业参与的模式。

“赫鲁晓夫楼”奠定了早期预制装配式建筑规模化基础。


主打“多快好省”的“赫鲁晓夫楼”曾是人类历史上最大的城市发展项目。面对二战后城市规模爆炸式扩张、人口迅速增长、住房严重短缺的现象,1954年,苏联政府在五年计划中提出,在最短的时间内以最低的成本改善城市居民的居住条件。
雄心勃勃的苏联领导人赫鲁晓夫命令建筑师开发一种可迅速复制的建筑模板,使其成为“全世界的典范”。这种楼广泛采用组合式钢筋混凝吐部件与结构,预制件都是在工厂里流水线生产好的标准件,成本低廉,然后采用统一的工业化建造,所有楼房统一规格,如同复制黏贴一样,统一五层(设计师认为电梯成本太高,而且影响建造速度,所以把高度定位五层,极少会有三层或四层)。

赫鲁晓夫楼

正在建造中的赫鲁晓夫楼

随后大规模的建设就此展开,莫斯科别利亚耶沃地区至今保留了大量“赫鲁晓夫楼”,后来,随着需求增长,高度达到十六层。

高层赫鲁晓夫楼

2:建筑工业化 2.0 时代: 标准化、模块化(20世纪中期 — 20世纪末)
20 世纪 50 年代后,随着西方各国及日本战后经济的迅速崛起,第三次工业革命( 科技革命) 开始兴起,为装配式建筑的发展提供了良好的经济和技术条件,装配式建筑的标准化和模块化理念开始形成,装配式建筑的发展具备了良好的市场化基础,技术体系逐步完善,建造手段不断创新,装配式建筑迎来了高速发展期
虽然装配式建筑体系趋于完善,但大部分设计和建造都相对比较粗糙,而著名建筑马赛公寓,蒙特利尔67号住宅成为这一时期技术与艺术结合的例子。

蒙特利尔67号住宅—正在组装的“盒子”

日本公共住宅标准化设计和工业化生产


1950年以后,日本经历了二战后的经济复兴期并随后进入高速增长期。大量人口涌入城市,住宅的短缺日益成为大城市严重的社会问题。
日本从1955年开始制定、实施“住宅建设十年计划”,1961年实施“住宅建设五年计划”。1966年日本正式制定颁布“住宅建设计划法”,制定、实施《住宅建设的五年计划》。在计划中制定住宅的发展目标、人均住宅居住标准、公营住宅、公团住宅建设数量、新技术应用等等内容。
1969年,《推动住宅产业标准化五年计划》被制定出来,日本广泛开展了对材料、设备、制品标准、住宅性能标准、结构材料安全标准等方面的调查研究,加强住宅产品的标准化工作,对房间、建筑部件、设备等尺寸提出了建议。

从70年代开始,在日本,住宅的部件尺寸和功能标准有固定的体系。只要厂家是按照标准生产出来的构配件,在装配建筑物时都是通用的。日本创立了优良住宅部品认定制度,这一制度就是对住宅部品的质量、安全性、耐久性等诸多内容,进行综合审查。
从1968年,“住宅产业”的概念在日本出现开始,经过几十年的发展,日本住宅生产IV化已经完全可以做到“如同生产汽车一样生产房屋”。大量部件通过机器生产,产品标准的固定化,以及整个建筑过程的精准化,使得日本成为住宅产业化的标志性国家,也成为世界学习的对象。

日本五洋建设公司的50层装配式东京塔工地

东京中银舱体大楼,1972年建成

大板建筑受到普遍欢迎


虽然大板建筑今天饱受诟病,但在当时大板住宅符合东德的社会意识形态,人人平等,整齐划一。在装配式住宅内,拥有现代化的采暖和热水系统,政府对装配式住宅有相应的补贴,所以当时的东德人民非常喜欢装配式住宅。

1—外纵墙板;2—外横墙板;3—楼板4—内横墙板;5—内纵墙板;6—楼梯

典型的大板建筑
柏林根达曼市场,用大板技术建造传统风格建筑
1972-1990年,东德地区开展大规模住宅建设,并完成300万套住宅确定为重要政治目标,预制混凝土大板技术体系成为最重要的建造方式。这期间用混凝土大板建筑建造了大量大规模住宅区,如10万人口规模的哈勒新城(Halle-Neustadt)。

哈勒新城大板住宅

哈勒新城大板住宅,左侧是改造更新后的建筑
这300万套住宅中,180-190万套用混凝土大板建造,占比达到60%以上,如果每套建筑按平均60㎡计算,预制大板住宅面积在1.1亿㎡以上。东柏林地区1963-1990年间共新建住宅27.3万套,其中大板式住宅占比达到93%。

罗斯托克市中心,用大板技术建造哥特风格建筑

不仅是德国,法国巴黎东郊大诺瓦西区为大批移民进入建设了大型后现代乌托邦社区,也是采用大板技术,这座以“天空之城”为寓意的后现代主义社区其标志性建筑是一座包含610间公寓的钢筋混凝土巨人,这座建筑的外立面采用预制装配式系统,包含大尺寸的预制构件,个性相当鲜明。

巴黎郊区的“天空之城”

立面上大尺度的预制构件

3:建筑工业化 3.0 时代: 信息化、产业化(20世纪末 — 21世纪初)
2000年以后,随着信息化时代的到来,AutoCAD 软件、BIM 技术、网络技术和通信技术等在装配式建筑领域得到广泛应用,建筑工业化更加高效,集成,节能,更加个性化,风格化,有效促进了装配式建筑技术体系的完善和管理水平的提升,“通用体系”、“开放式建筑”和“百年住宅”概念开始形成,装配式建筑的发展具备了产业化条件,装配式建筑产业链在发达国家开始建立和完善。 
美国纽约迷你公寓项目意在为人口逐年激增的纽约市的年轻人提供买得起的迷你公寓。项目包括了55个预制单元,每个单元的面积为370平方英尺,层高为10英尺。
这个项目的住宅单元包括设备装修全部在工厂完成,建造则在现场拼装,极大的降低了建造成本,提高了建设速度以及迷你公寓的居住质量。

纽约迷你公寓项目组装现场

51个单元完全在工厂制造完成

纽约个性化迷你公寓的标准单元包括家具设施在内的定制化高度集成

4:建筑工业化4.0 时代:节能化、智能化(2010年至今) 
随着德国主导的工业 4.0 时 代——第四次工业革命的到来,发达国家的人们对生活质量和环境也提出了更高要求,装配式建筑的内涵出现了升华,开始向着人本设计、环保建造和智能居住的方向发展,装配式建筑的科技、人本和文化内涵不断增强,建筑工业化进程与工业革命进程同步开启。 
伴随着BIM技术的成熟,3D打印等高科技技术手段进入建筑领域,而4.0时代将重新界定以设计为主导的地位,建筑设计不在被模数所限制,不仅可以打印小件物品,而且这项技术甚至可以彻底颠覆传统的建筑行业。

3D打印结构替代传统钢筋

2013年,荷兰建筑事务所 Universe Architecture 以莫比乌斯环为原型,利用 3D 打印技术创造了这座“没有起点也没有终点”的建筑——Landscape House。在带状的房屋里,天花板与地板相互轮换,扭曲的空间给人奇妙的视觉体验。

世界上最大的 3D 打印“建筑”—莫比乌斯环屋

设计图

纵观建筑工业化的发展历史,特别是工业化住宅的发展,重要的契机和推动力主要来自四次工业革命的推动及战争与灾难引发的住宅需求。技术的进步带来现代建筑材料和技术的发展。而战后,欧洲国家以及日本等国房荒严重,迫切要求解决住宅问题,很大程度上促进了装配式建筑的发展。


全球建筑工业化发展进程


发达国家装配式建筑发展特征


装配式建筑理念的提出源于西方发达国家,随着第二次工业革命的兴起,预制混凝土构件和钢结构开始在建筑业出现,19 世纪末的法国开始出现装配式混凝土建筑。在经历了两次世界大战的战后重建和第三次工业革命后,装配式建筑在全球得到了迅速发展和普及,建筑工业化进程开始加速。受世界各国经济水平、科技水平、自然条件、地理分布和文化差异等的影响,装配式建筑在各国的发展也存在一定的差异性。

欧洲装配式建筑风格


欧洲装配式建筑风格主要受现代化和后工业化时代的影响,逐渐向开放、现代、舒适和新古典方向发展;因欧洲多数国家处于非地震区,且人口密度低,其建筑多为低层和多层,其结构设计对抗震要求较低,可以实现高装配率;部分国家的钢铁资源和木材资源丰富,其钢结构建筑和木结构建筑占据了装配式建筑的主体。

美国建筑风格


美国建筑风格主要源于欧洲,尤其受英国、法国、德国和西班牙等国的影响,目前其装配式建筑风格呈现自由、多元、简约和现代等特点;美国西部受环太平洋地震带影响,为地震多发区,结构设计需重点考虑地震影响。美国南部受太平洋飓风影响,对装配式建筑的外形、材质和结构体系有一定要求。

日本建筑风格


日本建筑风格受中国唐朝和近代西方的影响非常大,随着日本战后经济发展,其装配式建筑风格开始融入西方元素,主要表现为清新、淡雅、禅意而不失现代性特点;日本全境均处在环太平洋地震带上,为地震高发区,结构设计需重点考虑抗震影响。日本人口密度较高、自然资源相对匮乏,故城市区域的 PC 建筑以高层居多。 

发达国家装配式建筑发展特征


我国装配式建筑发展历程


起步阶段—20世纪50年代 

我国的建筑工业化发展始于20世纪50年代,在“一五”计划中提出借鉴苏联及东欧各国经验,在国内推行标准化、工厂化、机械化的预制构件和装配式建筑。

1959年,北京民族饭店首次采用预制装配式框架—剪力墙结构

持续发展阶段—20世纪60年代至80年代初


20世纪60-80年代,多种混凝土装配式建筑体系得到快速发展,预应力混凝土圆孔板、预应力空心板等快速发展;
装配式建筑应用大量推广,北京从东欧引入了装配式大板住宅体系,建设面积达70万平米,至80年代末全国已经形成预制构件厂数万家,年产量达2500万平米。

1976年兴建的北京前三门住宅区北京解放后第一个最大单项住宅工程内墙火模板现浇混凝土和外墙预制混凝土板相结合的施工体系

1978年,邓小平亲自视察前三门住宅楼

北京前三门住宅楼建筑工地

低潮阶段—20世纪80年代末开始 

唐山大地震发生后,采用预制板的砖混结构房屋、预制装配式单层工业厂房等在唐山大地震中破坏严重,引发了人们对装配式体系抗震性能的担忧,装配式建筑大量减少;
大板住宅建筑出现渗漏、隔音差、保温差等问题;
与此同时,随着我国建筑设计逐步多样化、个性化,各类模板、脚手架普及,商混普及,混凝土现浇结构得到了广泛的推广应用。

唐山大地震,预制房屋遭到严重破坏

大板式住宅建筑出现渗漏,连接差

新发展阶段—2008年至今

随着我国建筑科学的持续进步,抗震技术有了长足发展,为装配式建筑的发展打下了基础;
与此同时,我国人口红利逐步消失,建筑业农民工数量减少,使得我国劳动力成本大幅提升,实现建筑工业化降低生产成本逐步得到建筑企业重视;
2014年以来,中央及全国各地政府均出台了相关文件明确推动建筑工业化,形成了如装配式剪力墙结构、装配式框架结构、装配式钢结构等多种形式的装配式建筑技术,我国装配式建筑行业终于迎来了新的快速发展时期。
2017年2月 《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》。要坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用,推动建造方式创新。力争用10年左右的时间,使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。
2017年3月,住房城乡建设部一次性印发《“十三五”装配式建筑行动方案》、《装配式建筑示范城市管理办法》、《装配式建筑产业基地管理办法》三大文件,全面推进装配式建筑发展。
伴随国家对数字中国、绿色建筑概念的重视不断加深,建筑发展形式也在发生转变,建设城市的概念不单单是追求现代化,而是更加注重绿色、环保、人文、智慧以及宜居性,装配式建筑具有符合绿色施工以及环保高效的特点。因此,全面推进装配式建筑发展成为建筑业的重中之重。

我国装配式建筑发展历程


我国装配式建筑发展的思考


国家及行业层面的思考


1. 做好顶层战略规划和体制设计,打造良好的市场环境。
在战略设计层面,要有全球化眼光和人本观念,建立民主评议和决策机制,对目前存在的困难要有全面、科学的认识,对我国的科技水平要有科学、详细、恰当的定位,制定科学的发展战略、目标体系、实施体系和评价体系。在实际执行中,进行必要的体制设计和改革措施,形成文化多元、兼容并蓄的装配式建筑新气象,带动整个建筑业的有序变革和健康发展。 
2. 树立科学发展观,选择适合国情的装配式技术发展路线
基于我国的基本国情,应走循序渐进、局部突破的发展模式,谨慎考虑“跨越式”发展模式。在与世界“对标”的同时,科学分析“跨越式”发展的内涵和外延,对其进行科学论证和系统评估,最大限度减少急功近利和资源空耗问题,降低其对国家战略的冲击和破坏作用,确保整个工业化体系和国民经济的健康和可持续发展。 

3. 完善相关产业链 
把业主、设计单位、构件工厂、施工单位等所有的上下游企业整合成完整的产业链,实现装配式建筑从设计、生产、施工、后期运营与维护一体化,并在项目建造过程中不断整合各企业的优势资源,以提高装配式建筑生产效率,促进装配式建筑的发展。 
4. 全面梳理装配式建筑的技术规范体系。
针对我国装配式建筑构件标准化、通用化程度较低的问题,建立标准的建筑设计体系,对预制构件的多样性进行合理统筹、控制,实现预制构件的通用性和互换性,并对不同构件作标准化、模数化规定,加快设计速度和施工效率。同时加强区域合作,消除技术壁垒,加强核心技术的研究和突破,加大知识产权保护和管理,尽快形成适合我国国情的装配式建筑技术体系和规范体系。 
5. 加强政策与法律方面的支持和保障
我国装配式建筑的发展离不开国家相关政策的支持。装配式建筑正处在初期阶段,由于规模效益无法体现,需要政府出台相关的扶持政策,以降低成本,鼓励发展。随着装配式建筑的规模建设,需要相关政策法规的保证,建立协调和完善的法规体系,进行有效的监管和实施,保证装配式建筑健康快速发展。

机构、企业及个人层面的思考 


1. 教育、科研机构。
纵观全球建筑工业化进程,科技是核心驱动力。教育和科研机构作为科技的重要输出方,加大产学研合作力度,重视理论与实践相结合的培养模式,发挥着人才培养和技术输出的功能,为建筑工业化发展提供强大的驱动力。
2. 设计企业
设计是装配式建筑产业链的核心环节,设计水平是建筑工业化水平的重要体现。只有实现设计的标准化和现代化,才能实现真正的“预制装配化”,否则将因设计“瓶颈”而使预制装配式丧失工期、成本优势。 
设计企业应积极走出去,与国际先进设计企业对接,引进先进的设计理念和设计手段(尤其是平台软件和专业软件) ,加强技术共享和协同,提升标准化水平和效率,创新设计理论,为我国尽快完成建筑工业化的升级提供强力支撑。 
3. 生产企业
传统的装配式构件工厂产业链不完整,信息化管理程度低,各部门之间协同差、库存信息不够透明、生产流程不够系统化、产能进度排程混乱、库位管理粗放及班组沟通管理效率低等, 使生产效率大大降低。
只有应用信息化管理软件,为工厂各部门、各环节提供一个高效协同的数据信息平台,把生产各方有效链接在一起,实现动态实时沟通,提高装配式工厂生产的精细化和集成化管理水平,才能更好的促进装配式建筑产业现代化发展。
4.施工企业 
除中建集团、北京住总、上海建工、远大住工、精工绿筑等少数较早从事装配式建筑施工的企业外,我国大部分施工企业在技术和管理方面仍停留在传统层面,存在对新型建筑工业化认识不足、缺乏战略思维和创新机制、市场观念不强、财务状况不良等问题。
新型建筑工业化与传统建筑业存在明显的理念、模式、技术和管理等差异,传统施工企业需要切实转变观念,以新型建筑工业化为导向,尽快完成转型升级和战略设计,与行业领先者全面对标,加快引进和培养专业人才,完成必要的技术积累和资源准备,否则将错失发展机遇,面临无情的市场淘汰。
(4)个人方面
受传统发展模式和宏观经济政策的影响,建筑业作为我国国民经济的支柱产业地位短期内无法改变。
而随着全球智能化时代的到来以及我国工业化和城镇化进程的加快,不论是设计人员、现场吊装人员、管理人员,还是构件厂的一线工人等,都需要尽快转变观念,从传统的建筑模式中予以职责演变,加强对建筑工业化新知识、新技能的学习和培训。 
当今社会,工业化、绿色化、信息化等先进产业成果融合提升传统建筑业已是世界各国的共识和不约而同的举措,建筑工业化、绿色化、信息化成为世界先进建筑业的共同发展特征。
而随着科技发展、绿色环境发展、全球化经济发展、城市化进程等发展因素,我国经济与产业结构逐渐转型,发展装配式建筑已是建筑行业未来发展的必然趋势。所以应制定适合装配式建筑发展的策略,加大政策支持、完善技术标准化体系、加大研发投入、培养专业化人才、完善产业链等,促进装配式建筑健康快速发展,从而进一步推动建筑工业化和可持续发展的步伐。


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