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裝配式建築:建築界的「預製菜」 長啥樣?



以前蘇聯大板建築為原型的俄羅斯方塊遊戲PNLK

[文/BAI資本(BAI_VC),作者:王亦君]

什麼是裝配式建築?這種建築方式,是將構件在工廠進行標準化批量預製後,運輸到施工現場進行拼裝,與其他構件可靠連接,最終建成完工。

如果把建房子類比為廚師做大餐,那裝配式建築就好比先把食材(建築構件)在中央廚房(工廠)進行預處理,再運到門店廚房(施工現場)進行烹飪(拼裝)。




裝配式建築,也可稱為建築界的樂高

裝配式建築主要包括預製裝配式混凝土結構(PC,Precast Concrete)、鋼結構(PS,Precast Steel)以及現代木結構建築,被普遍認為是現代工業化生產方式的代表。


01 從古希臘廟宇到榫卯結構木屋,裝配式建築不是新概念

無論是自然界還是人類歷史中,「預製」、「裝配」的概念從不新鮮。

在澳大利亞樹林中,雄園丁鳥會利用小樹枝搭建、裝飾求偶亭吸引雌鳥,這一充滿智慧和美感的行為讓它們被譽為「鳥類建築家「。




對人類而言,早在農業出現前就有採集狩獵者利用獸皮、樹幹搭建房屋;古希臘、古埃及的廟宇宮殿,均是在加工場將石材鑿好後運輸至現場安裝搭建。

我國古代的木質樑柱體系是今天框架建築的原型,近代著名建築學家梁思成在破譯《營造法式》時發現古代木結構已經有了高度標準化的設計概念,即所謂「凡構屋之制,皆以材為祖」。此類傳統木構房屋使用模數化的、預先製造的木材部件,無需連接材料,還不易受到地震破壞。




《營造法式》斗栱各部分名稱示意圖,來源:清華大學建築學院中國營造學社紀念館

1830年,為實現海外殖民地定居點的快速建設,英國木匠曼寧(John Manning)藉助造船業基礎,發明了在英國製造並由輪船運往世界各地建造簡易的木框架房屋(Manning Portable Cottage)。




曼寧移動房框架及外觀圖

19世紀中期,英國工程師優化了用生鐵製造低碳鋼的過程,從而使鋼鐵材料以軋制的形式普遍用於之後的框架結構中,現代鋼結構也因此具備了天然的預製與裝配屬性。

任何新事物的誕生都會經歷一個概念懵懂期,彼時的人們尚未有清晰的「裝配式技術」認知,但已經意識到「預製構配件+現場加工」的建造方式所帶來的便利性。


02 城市的時代記憶,裝配式建築現代化

世界第一座大型現代建築,其實也是裝配式建築。

1851年英國世界博覽會前夕,現有的古典建築方案不僅難以提供足夠的展館空間,甚至不能在博覽會開幕前如期建成,歐洲各國建築師紛紛出謀獻策。

無奈之下的維多利亞女王採用了花匠的方案:用鑄鐵和玻璃打造一個大型「花房」。鑄鐵樑柱在工廠製作,玻璃幕牆在按玻璃工廠最大的規格製作,運到現場裝配,最終6個月內完成了建設,解決了大空間和工期緊的難題。

這是第一座大型現代建築,也是裝配式建築的開山之作,由於建築效果美觀,展館獲得了「水晶宮」(The Crystal Palace)的美譽。




水晶宮,1851年

1921年,法國建築大師柯布西耶於其著作《走向新建築》中第一次提出了「像造汽車一樣」去「批量複製」建築的想法,實用主義建築設計逐漸流行。

1931年,紐約帝國大廈竣工。這座被譽為「現代七大工程奇蹟」之一的摩天大樓也採用了裝配式工藝,採用「鋼結構+石材幕牆」設計,全部工期僅410天,平均4 天一層樓。




採用「鋼結構+石材幕牆」設計的紐約帝國大廈

二戰後,裝配式建築在全球市場迎來高速發展期。

一方面,戰後經濟復甦時代,城市亟待重建但勞動力嚴重不足,城市化不斷加速造成住房短缺;另一方面,第三次工業革命為裝配式建築的標準化、模塊化提供了近乎完美的溫床。速度快、節省人力、可批量的優勢,讓裝配式技術在戰後重建過程中發揮了重要作用。

1954年,前蘇聯在著名領導人赫魯曉夫的要求之下,開發了一種可「複製粘貼」的建築模板:預製件均為工廠流水線生產的標準件,採用統一的工業化建造,所有樓房統一規格,成本低廉。「赫魯曉夫樓」很大程度上奠定了早期預製裝配式建築規模化的基礎。




蘇聯典型的赫魯曉夫樓

兩年後,我國提出「建築工業化」要求,1959年,我國最早的裝配式建築——北京民族飯店,10個月順利完工,用於人民代表大會接待。引入蘇聯裝配式混凝土大板建築後,我國裝配式建築迎來第一次發展熱潮。

為了實現「居者有其屋」的共產理想,「赫魯曉夫樓」也曾經遍布中國各處,成為時代記憶。許知遠在《無根者之家》中回憶道:在北京,我第一次住進樓房,那種紅色磚牆的五層樓房。日後我才知道,它也被稱為「赫魯曉夫樓」……讓我興奮的是,衛生間與廚房都在小小的套間裡,再不用夜半跑進院子外透風的廁所。

美國最早的裝配式混凝土高層住宅之一費城社會嶺公寓(society hill towers),由著名建築師貝聿銘設計,這也是一個代表性的舊城改造項目,利用裝配式技術的低成本、高效率優勢,來解決城市人口居住問題。




費城社會嶺公寓

1968年,「住宅產業」的概念開始在日本出現;1972年,著名的艙體大樓落地東京,該裝配式建築所有家具設備都實現了單元化,140個艙室錯落有致,構思新奇,如同一座巨型「樂高積木」公寓。




坐落於東京的艙體大樓

八九十年代的歐洲,為完成大規模住宅建設目標,預製混凝土大板體系被廣泛應用於新住宅區,成就了一大批風格鮮明的建築。同一時期,日本逐漸成為住宅產業化的標誌性國家,構件生產的機械化、產品標準的固定化、建築過程的精準化,使得日本在裝配式建築領域成為世界學習的對象。




法國巴黎東郊大諾瓦西區的大型後現代烏托邦社區,以「天空之城」為寓意,包含610間公寓的鋼筋混凝土建築

在我國,改革開放後的裝配式建築熱潮並未持續,而是因為八十年末大量廉價勞動力湧入城市、商品混凝土興起陷入尷尬。

由於相關政策、標準體系的不完善,預製構件的產品規格較少;同時,技術手段的限制,使裝配式建築的保溫、防水、隔音效果不理想,節點質量和抗震也有不足。現澆技術成為主流,裝配式技術陷入暫時的沉寂。


03 雙碳+數字化,裝配式建築的「事業第二春」

數十年間,裝配式建築的節點質量、抗震能力得到了大幅度提升,上世紀的制約其發展的因素逐漸弱化。裝配式建築的優勢開始顯露:

第一,從經濟成本角度,預製構件、現場安裝,可以減少建築材料及相關設備的損耗和浪費;建造完成後,日常維護管理成本也更低。

第二,更重要的,是裝配式建築的節能環保屬性。裝配技術的推廣能減少施工現場的噪音、空氣污染,控制建築垃圾的產生;理想狀態下,裝配式建築可以隨主體施工同步實現裝修一體化;最後,在回收階段部分建築材料可有效循環利用,減少污染、提高資源利用率。

2013年住建部、發改委在頭號文件《綠色建築行動方案》中明確提出要推廣預製裝配式建築體系,「新型建築工業化」由此形成;並在隨後幾年間不斷出台落地舉措。


去年,國家明確提出碳達峰和碳中和的實現時間,從頂層設計規範「雙碳"目標。地產建築行業規模大、占GDP比重高,同時也是碳排放最高的終端消費來源,傳統建築產業的轉型升級已成必然。




中國建築節能協會《中國建築能耗研究報告(2020)》2018年我國建築全過程能耗占全國能源消費總量的46.5%,碳排放總量占全國碳排放總量的51.3% ,其中建築生產階段(材料)和運行階段為主要占比

各類標準、扶持政策的相繼完善,官方的大力扶持與引領,加上自身的「低碳減碳」特性,裝配式建築由此迎來了「事業第二春」,成為建築工業化、綠色化的主抓手。




2016-2020年我國新建裝配式建築面積逐年增長,新開工裝配式建築面積占新建建築面積的比例也不斷提高,2020年,全國新開工裝配式建築面積達6.3億平方米,占比20.5%。數據來源:前瞻產業研究院

作為「綠色建築行動」中的「天選之子」,裝配式技術可以說是建築業多年以來最重要的技術變革。但綠色建築不能僅關注結構的裝配化,更需要從「全生命周期」的角度俯瞰,在每一環節做到節能、高效。建築全生命周期中的設計、生產協調、物流優化等方面均已經受到數字化手段的幫助。




裝配式建築的全生命周期階段

火神山、雷神山醫院的「大國速度」,就是裝配式建築與BIM(Building Information Modeling)、5G雲計算技術的結晶:採用標準化、模塊化設計,通過BIM技術快速輸出整體建設方案,避免後期的返工整改;運用裝配式建築技術,採用集裝箱活動板房,安裝便捷且整體性好,大大提高了施工進度。




如果箱式板房是「軀幹」,信息化系統則是「血液」。火神山醫院不是野戰醫院,信息化系統是其中很重要的一部分,尤其ICU的智能化、自動化建設工作。醫院還採用了智能化運維管理平台,依託5G、AI、物聯網等技術研發了應急醫院智能化運維管理平台,實現了智慧安防及物流、遠程會診、「零接觸」運維。

而5G技術則實現了超過三千萬人觀看的現場直播,讓五湖四海的我們為「叉醬、嘔泥醬」等不間斷打call。




綜合來看,普通工業建造向智能建造的數字化轉型,可融合的技術有BIM技術、物聯網技術、3D打印技術、人工智能技術等,主要體現在以下幾方面:

    設計過程中建模與仿真智能化、協同化

在驅動產業標準化的進程中,設計向來是核心環節。裝配式建築雲平台「大樂裝」聚焦PC市場,致力於推廣雲端軟件驅動的互聯網「雲製造」,目前已發布了能實現「一鍵建模、一鍵計算裝配式表單、一鍵導出配套成果」的SaaS化裝配式設計雲平台。




「大樂裝」根據地區智能推薦設計方案,快速生成裝配式方案表單

    施工過程中利用基於人工智能技術的機器人代替傳統施工方式

面對降本增效的的問題,智能機器人替代傳統施工是理想的解決方案。智能建築工業機器人開發公司「大界機器人」自主研發的工業軟件Robim,能結合工業機械臂,實現3D打印、材料加工等自動化生產製造;膠囊工廠能實現預製與現場加工的有機結合,有效促進施工現場的智能化與數字化。




「大界機器人」集群式柔性生產線

    管理過程中通過物聯網技術日趨智能化

無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID),俗稱電子標籤,在建築行業已經得到了較廣泛的應用。通過RFID技術對裝配式預製構件進行編碼,可實現構件製作、運輸、管理及施工階段的智能管理。




    運維過程中結合雲計算和大數據技術

通過對建築空間的3D精細建模,利用雲計算技術搭建服務平台,結合大數據分析、傳感器監測及物聯網搭建管理系統,進而達成全生命周期的建築智慧化運維。智慧運維能實現對建築空間、設備資產的科學管理,對潛在災害進行評估和預判,讓建築達到能耗合理、舒適宜居的最佳使用狀態。




基於BIM和VR的機電系統可視化

裝配式建築的成本與標準化、規模化程度息息相關,由於目前裝配市場成熟度不高,在構件生產、運輸管理及施工安裝等環節的協同配合難度較大,使得現階段成本高於現澆建築;但隨着人力成本提高、產業鏈發展,裝配式建築的成本將逐漸低於現澆建築。根據相關機構測算,3-4年內將會迎來產業的爆發期。

回望裝配式建築的起源與發展,工業革命、二戰後、我國改革開放、全球節能減排……幾乎國內外近代史中每一個特殊歷史節點,都會出現裝配式建築的身影,它的活躍與社會發展和需求緊密相關,具有超越建築本身意義外的特殊社會屬性。

雙山醫院的建設奇蹟,證明了「裝配式+數字化」智能建造所描繪的未來並不是觸不可及。隨着工作效率的提升、施工環境的改善,或許在某個綠色的未來,建房子真的就像搭積木一般,而城市就是居民們的「大型沉浸式樂高公園」。(鈦媒體)




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台長: 聖天使

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