集成建筑中國建筑大革命

李元齊

當前，我國的建筑行業(yè)正面臨著一場新的革命——建筑工業(yè)化。通俗的說，建筑的工業(yè)化建造就是針對傳統(tǒng)建造方法施工勞動強度大、生產(chǎn)效率低、資源消耗大的弊端，將由人工在現(xiàn)場一磚一瓦的傳統(tǒng)建筑建造方式，變?yōu)榻ㄖ?gòu)件（部品）在工廠預(yù)先加工制造、再運至現(xiàn)場組裝的建造方式。建筑業(yè)使用工業(yè)化的建造方式，能夠大大減少現(xiàn)場施工的噪音、揚塵、廢水、建筑垃圾，降低工期、減少人工、降低成本，并使建筑的質(zhì)量與品質(zhì)得到提升和有效保障。

組圖：我國建筑業(yè)正面臨的建筑工業(yè)化的革命，起源于第二次世界大戰(zhàn)后的歐美國家。而美國1929年經(jīng)濟大蕭條時出現(xiàn)的房車也可以算是作為美國工業(yè)化住宅的一個雛形。

我國的建筑行業(yè)正面臨著一場新的革命——建筑工業(yè)化。

通俗地說，建筑的工業(yè)化建造就是針對傳統(tǒng)建造方法施工勞動強度大、生產(chǎn)效率低、資源消耗大的弊端，將由人工在現(xiàn)場一磚一瓦的傳統(tǒng)建筑建造方式，變?yōu)榻ㄖ?gòu)件（部品）在工廠預(yù)先加工制造、再運至現(xiàn)場組裝的建造方式。

集成建筑起源于第二次世界大戰(zhàn)以后的前蘇聯(lián)、英國、法國以及東歐一些國家。由于戰(zhàn)爭的破壞導(dǎo)致住房緊張，加上戰(zhàn)后勞動力的極度稀缺，預(yù)制裝配式的住宅作為一種快速解決大批量住房問題的應(yīng)急建筑而走上歷史舞臺。預(yù)制裝配式建筑住宅在歐美、日本等亦被稱為工業(yè)化住宅產(chǎn)業(yè)化，顧名思義即是用工業(yè)化的生產(chǎn)方式來建造住宅，住宅的部件在工廠提前預(yù)制完成，再運輸?shù)浆F(xiàn)場通過機械式或澆筑等連接方式進行組裝拼接，所以這種住宅被俗稱為“拼裝房”，是在工業(yè)化生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上，由標準化、系列化、商品化的通用部品（包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件、圍護構(gòu)件與建筑設(shè)備部品）組成的終極完善建筑產(chǎn)品。為此，建筑體系本身應(yīng)該實現(xiàn)部品可工廠預(yù)制、體系可現(xiàn)場裝配。預(yù)制裝配式建筑，如早期的大板建筑，以及現(xiàn)階段的框架、框架剪力墻以及剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制混凝土建筑，裝配式鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑等都是集成建筑在不同技術(shù)水平階段的具體表現(xiàn)。各階段集成建筑對部品的集成程度、所使用的部品性能等都會隨著技術(shù)的發(fā)展不斷提高。

集成建筑概念圖和木結(jié)構(gòu)集成建筑。

在經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展完善，建筑工業(yè)化完成了從原來的單純追求數(shù)量到提升住宅品質(zhì)的轉(zhuǎn)變。如今，在法國、美國、日本等主要發(fā)達國家工業(yè)化建造已成為主要的住宅開發(fā)模式。并且這些發(fā)達國家的集成建筑已經(jīng)形成了標準化、系列化、通用化、商品化的部品體系，具有進行集成建筑設(shè)計與加工制造的成套軟件與設(shè)備，還形成了社會化的服務(wù)體系，真正把建筑做成了商品，消費者甚至可以自己購買部品來組裝個性化的住宅建筑。

鋼結(jié)構(gòu)集成建筑的概念圖和建造過程。

法國編制了工業(yè)化住宅GS軟件系統(tǒng)。GS軟件系統(tǒng)匯集了全國近60個構(gòu)件預(yù)制廠的產(chǎn)品技術(shù)信息和經(jīng)濟信息，并把遵守同一模數(shù)協(xié)調(diào)規(guī)則、安裝兼容的建筑部件匯集在一個“構(gòu)造邏輯系統(tǒng)”之內(nèi)，設(shè)計者根據(jù)協(xié)調(diào)規(guī)則、各種部件的技術(shù)和經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，并采用市場上提供的建筑部件，可在不改變原設(shè)計特點的同時用工業(yè)化住宅部件進行設(shè)計。美國的建筑公司開發(fā)了許多專用的預(yù)制部品系統(tǒng)，并通過當?shù)氐慕?jīng)銷商來銷售他們成套的住宅部品。建造商也樂于在住宅部品零售店中購買包括墻板、屋頂和樓層桁架等住宅部品，并將這些購買的部品直接用到訂單的住宅上。Tri-Steel公司有200多套成熟的輕鋼龍骨體系建筑戶型，這200多套戶型配上不同色彩、質(zhì)量的外墻裝修、門窗和屋頂，就能變化出無數(shù)的建筑風格。日本的大型企業(yè)都有自己一整套完整的工業(yè)化住宅生產(chǎn)設(shè)計系統(tǒng)和部品庫，如大和房屋的設(shè)計系統(tǒng)，部品就有幾百萬件。

組圖：鋼結(jié)構(gòu)集成建筑。云南昆鋼集團的云南第一高樓昆鋼科技大廈（右頁圖）獲得了2013-2014年度“中國鋼結(jié)構(gòu)金獎。

按照結(jié)構(gòu)體系的材料劃分，集成建筑主要有預(yù)制混凝土集成建筑、鋼結(jié)構(gòu)集成建筑、木結(jié)構(gòu)集成建筑等。

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)建筑目前在我們國家建筑業(yè)中占絕對的主導(dǎo)地位?；炷两Y(jié)構(gòu)的集成建筑一般可稱為PC建筑，按結(jié)構(gòu)體系可分為框架結(jié)構(gòu)體系、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及剪力墻結(jié)構(gòu)體系、三維模塊體系等集成建筑?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般用于低多層建筑，而框架剪力墻結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)主要在高層建筑中應(yīng)用。預(yù)制混凝土集成建筑的建造過程是，首先將組成建筑的梁、板、柱、梯、墻等結(jié)構(gòu)和維護構(gòu)件在工廠預(yù)先加工制作，再運到現(xiàn)場安裝成為建筑。在建筑的設(shè)計過程中，也需充分考慮建筑的水暖電等設(shè)備管線與梁、板、柱、梯、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的集成，并在結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作中預(yù)埋好，結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝完成后通過便捷的接口就可以將水暖電的管線連接起來。其中，混凝土預(yù)制模塊建筑是集成度非常高的一種體系。

鋼結(jié)構(gòu)由于本身構(gòu)件工廠制作、現(xiàn)場拼裝的特點，更適合于集成建筑，集成度相對更高。鋼結(jié)構(gòu)的集成建筑按結(jié)構(gòu)體系可分為低層龍骨體系、多層框架結(jié)構(gòu)體系、多高層框架—支撐或剪力墻結(jié)構(gòu)體系等。目前，輕鋼龍骨體系建筑是工業(yè)化程度最高的集成建筑代表之一。按照組成建筑構(gòu)件在工廠的集成程度，輕鋼龍骨體系建筑可分為一維、兩維及三維體系。一維體系建筑是指組成建筑的龍骨在工廠加工好，將龍骨打包到現(xiàn)場再組裝成各層墻板、樓板等，直至最后的建筑;二維體系建筑是指在工廠將組成建筑的墻體、樓板、屋面等二維模塊預(yù)先組裝，甚至包含裝修，再運至現(xiàn)場將二維模塊組裝為建筑;三維體系建筑是指在工廠就已經(jīng)組裝好建筑的各個房間單元（甚至包括裝修、設(shè)備和家具等），再運至現(xiàn)場再將房間單元組裝成一棟建筑。與預(yù)制混凝土集成建筑一樣，鋼結(jié)構(gòu)集成建筑的水暖電等設(shè)備管線也可以在工廠生產(chǎn)加工墻、樓板、或三維模塊單元時布置完畢。

木結(jié)構(gòu)集成建筑多為低層龍骨體系，與輕鋼龍骨體系集成建筑在建筑結(jié)構(gòu)上非常相似，木結(jié)構(gòu)集成建筑以木龍骨取代了鋼龍骨，兩者的主要區(qū)別是承重骨架的材料不同。

預(yù)制混凝土集成建筑的大樓。

在國內(nèi)，早期由于預(yù)制裝配式體系在建造效率上的顯著優(yōu)勢，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土預(yù)制裝配式建筑與工程結(jié)構(gòu)發(fā)展很快。一些傳統(tǒng)的預(yù)制裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，如預(yù)制框架、大板建筑等迅速推廣并得到廣泛應(yīng)用，一大批鋼筋混凝土預(yù)制部品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)運而生。但是，由于以往低水平、低質(zhì)量的預(yù)制裝配式建筑在歷次大地震中的糟糕表現(xiàn)（如唐山大地震），使得社會甚至專業(yè)人員對預(yù)制裝配式建筑與工程結(jié)構(gòu)的抗震表現(xiàn)產(chǎn)生了誤解，在一段時間內(nèi)該類體系的技術(shù)發(fā)展和工程實踐在國內(nèi)、特別是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)幾乎完全停滯。而事實上，即使在高地震烈度的發(fā)達國家和地區(qū)，如美國、日本、臺灣等，現(xiàn)代的鋼筋混凝土預(yù)制裝配式建筑與工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，并在大震下表現(xiàn)優(yōu)異，發(fā)展前景廣闊。

重鋼結(jié)構(gòu)能夠支撐起超高層的大樓。

智能型房屋將成為房屋建設(shè)的趨勢。

在最適合采用預(yù)制裝配式建造技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑方面，目前國內(nèi)工業(yè)化建造發(fā)展最好的是預(yù)制門式剛架輕鋼廠房建筑體系。這首先得益于國內(nèi)一段時期內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展中對施工工期短的門式剛架輕鋼廠房建筑的巨大需求，另一個重要原因是門式剛架輕鋼廠房體系集成化的成套技術(shù)為其快速的工業(yè)化建造過程提供了支撐。目前，這類體系在我國，特別是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土廠房，不但施工周期短，且具有明顯優(yōu)越的綜合經(jīng)濟技術(shù)指標。但總體而言，相比發(fā)達國家和地區(qū)，國內(nèi)建筑業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)還僅集中使用于高層、超高層建筑、大空間公共建筑與工業(yè)建筑中，在一般民用建筑例如普通辦公樓、學(xué)校建筑、醫(yī)院建筑等、居住性建筑如宿舍、住房等還遠未普及，而這些建筑形式恰好是最具有優(yōu)勢采用預(yù)制裝配式體系的。

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑歷史源遠流長，但由于近代我國木材資源合理開發(fā)加工的能力較低，且當時又無足夠的外匯儲備從國際市場進口木材，以致木結(jié)構(gòu)學(xué)科在中國停滯發(fā)展達20多年。近年來，隨著我國天然林保護工程的實施、木材進口關(guān)稅的下降、國際交流的不斷加深，木結(jié)構(gòu)建筑尤其是預(yù)制裝配式木結(jié)構(gòu)建筑引起了國人的關(guān)注。隨著我國建筑行業(yè)對節(jié)能減排、綠色環(huán)保、建設(shè)過程可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的預(yù)制裝配式木結(jié)構(gòu)建筑已成為中國未來木結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展趨勢。

與傳統(tǒng)住宅相比，裝配式住宅契合了我國環(huán)境發(fā)展趨勢，形成節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護“四節(jié)一環(huán)保”的綠色住宅體系，提升了住宅建設(shè)的綜合效益：節(jié)能，綜合能耗低，建造過程節(jié)能，墻體高效保溫，門窗密閉節(jié)能，使用新能源及節(jié)能型產(chǎn)品，利用太陽能熱水、空氣源熱泵系統(tǒng)進行供暖;節(jié)水，現(xiàn)場干法裝配，區(qū)別于傳統(tǒng)泥瓦匠施工模式的“干法造房”，大量節(jié)約施工用水;節(jié)材，采取工廠規(guī)?；a(chǎn)，質(zhì)量、精度可控，最大限度減少材料損耗;節(jié)地，更小面積實現(xiàn)同等功能，提高土地利用率;節(jié)時，工業(yè)化大幅提高勞動生產(chǎn)率，進度可控，與傳統(tǒng)建筑方式比，只需其 1/3 周期;在環(huán)保方面，減少了現(xiàn)場作業(yè)，無粉塵、噪音、污水污染，無二次裝修大量建筑垃圾污染;每百平方米建設(shè)面積可減少約五噸建筑垃圾產(chǎn)生。以 16 萬㎡住宅建筑面積測算，與傳統(tǒng)建造方式相比，節(jié)約標準煤 320 噸，節(jié)約木材160立方米;減少廢水5.4萬噸，減少施工垃圾約1600噸，總體上節(jié)約在20%左右。同時，裝配式住宅能夠使住宅設(shè)計實現(xiàn)模數(shù)化、標準化，可以將設(shè)計優(yōu)質(zhì)的戶型進行復(fù)制、生產(chǎn)，提高效率;預(yù)制建筑構(gòu)件工廠化、標準化的生產(chǎn)可以保證建筑材料的質(zhì)量，能夠解決傳統(tǒng)建筑方式普遍存在的滲漏、不隔音、不隔熱、精度差等“質(zhì)量通病”， 在防潮、抗風、防凍等方面都在功能方面相應(yīng)做了應(yīng)對措施，提高了居住的舒適度;現(xiàn)場拼裝可以讓勞動力成本減少，也降低了勞動強度和安全隱患。這些優(yōu)點與優(yōu)勢，符合國家節(jié)能、低碳、節(jié)約經(jīng)濟的發(fā)展要求，符合住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和人居質(zhì)量提升的發(fā)展方向。

我國的集成建筑還處于工業(yè)化建造的低水平階段。主要體現(xiàn)在：工業(yè)化程度低，工業(yè)化只是將現(xiàn)場施工的構(gòu)件搬到了工廠;部品的集成度不高，沒有自主開發(fā)的成套設(shè)計制造軟件與設(shè)備;集成建筑結(jié)構(gòu)形式單一，預(yù)制混凝土建筑長期占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位，真正體現(xiàn)集成建筑智能環(huán)保綠色等優(yōu)點的鋼結(jié)構(gòu)集成建筑市場占有率偏低;房屋規(guī)劃設(shè)計水平低，沒有住宅建設(shè)的整體意識和全局觀念，住宅結(jié)構(gòu)松散，布局零亂，建房地點隨意;產(chǎn)業(yè)國家標準化滯后，關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新不足導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化推廣無章可循;集成房屋產(chǎn)業(yè)鏈脫節(jié)嚴重，設(shè)計、生產(chǎn)、施工嚴重脫節(jié)。整體設(shè)計與局部和單體設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)與板材設(shè)計、新材料與傳統(tǒng)建材綜合應(yīng)用設(shè)計、前期施工與后期裝修設(shè)計都存在脫節(jié)現(xiàn)象;集成房屋相關(guān)企業(yè)無序發(fā)展，整個行業(yè)的平均經(jīng)營規(guī)模較小，產(chǎn)業(yè)的集中度過低。

發(fā)展集成建筑是人類社會沿工業(yè)化方向推進的必然選擇。在我國，經(jīng)過一段發(fā)展彎路，1994年以后，隨著對畸形發(fā)展的房地產(chǎn)業(yè)的反思和實現(xiàn)小康社會的需要，住宅的功能和質(zhì)量才逐漸被人們重視。我國在總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)基礎(chǔ)上，重新提出“建筑工業(yè)化”的發(fā)展口號。1995年，建設(shè)部發(fā)布《建筑工業(yè)化發(fā)展綱要》。1998年，建設(shè)部等部委提出《關(guān)于推進住宅現(xiàn)代化，提高住宅質(zhì)量的若干意見》，在原來的建筑工業(yè)化基礎(chǔ)之上提出新型的住宅工業(yè)化——住宅產(chǎn)業(yè)化的概念，并成立住宅產(chǎn)業(yè)化促進中心。

住宅產(chǎn)業(yè)化是指用工業(yè)化的生產(chǎn)方式生產(chǎn)住宅，使住宅產(chǎn)品的開發(fā)系列化、設(shè)計標準化、生產(chǎn)集約化、供應(yīng)商品化、服務(wù)社會化，從而降低成本，全面提高住宅質(zhì)量，大幅度提高住宅建設(shè)的勞動生產(chǎn)率，解決居民的住房問題。2006年，建設(shè)部發(fā)布實施了《國家住宅產(chǎn)業(yè)化基地試行辦法》，截至2014年6月全國已先后批準建立了45個國家住宅產(chǎn)業(yè)化基地。2011年，國家《建筑業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中指出要積極推動建筑工業(yè)化，提高構(gòu)配件工業(yè)化制造水平，結(jié)構(gòu)件、部品的標準化，鼓勵在工程上采用制造、裝配方式，提高機械化施工水平。2013年1月，在國務(wù)院發(fā)布的1號文《綠色建筑行動方案》中也明確提到：大力發(fā)展綠色建材、推動建筑工業(yè)化并加大政策激勵。

2016年農(nóng)歷新年伊始，國家即在十三五的開局之年就對裝配式建筑的發(fā)展提出了定量的指標要求。2016年2月26日，國務(wù)院在“關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見”中明確指出要“大力推廣裝配式建筑，力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%;積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑，在具備條件的地方，倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑”。

建筑工業(yè)化建造雖然在建造的方式和建造的對象上與工業(yè)制造業(yè)有所不同，但其本質(zhì)和內(nèi)涵是相通的。因此，集成建筑作為新型建筑工業(yè)化建造技術(shù)的最終產(chǎn)品，也應(yīng)該跟上中國制造2025年的步伐，實現(xiàn)采用數(shù)字化信息技術(shù)控制下的智能建造系統(tǒng)，向大產(chǎn)量定制建造方式轉(zhuǎn)變，并實行菜單式訂購。只有這樣，才能通過工廠化、規(guī)?；?，大幅度提高生產(chǎn)效率;通過自動化流水線生產(chǎn)，嚴格控制質(zhì)量，最大限度地減少工作人員精神因素的影響;通過在生產(chǎn)過程中采用新材料、新技術(shù)、新工藝，減少資源和能源消耗、減少二氧化碳排放、減少環(huán)境污染以及提高產(chǎn)品耐久性;通過科技創(chuàng)新、規(guī)模化生產(chǎn)，降低成本、提高性價比和綜合經(jīng)濟效益。

另一方面，未來集成建筑將向更加智能、更加綠色的方向發(fā)展，這也是科技創(chuàng)新成果在集成建筑中的具體體現(xiàn)，如被動房屋、智能家居、節(jié)能門窗、智能遮陽、地源熱泵、光伏發(fā)電、太陽能熱水、中央除塵、雨水收集再利用、水凈化處理等技術(shù)的系統(tǒng)集成應(yīng)用。