裝配式建筑發(fā)展與應(yīng)用

摘 要：本文主要論述裝配式建筑的基本概念及裝配式建筑的發(fā)展歷史及未來發(fā)展趨勢及研究方向，以及BIM在裝配式建筑中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；BIM；IPD

近年來，建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化得到了各方面的高度重視和大力推動，呈現(xiàn)了良好的發(fā)展態(tài)勢。建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的核心是建筑工業(yè)化，建筑工業(yè)化的重要特征是采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和全過程的信息化管理。建筑工業(yè)化是生產(chǎn)方式変革，是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的過程，它不僅是房屋建設(shè)自身的生產(chǎn)方式變革，也是推動我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展、節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要舉措。本文在這里主要研究裝配式建筑發(fā)展與應(yīng)用。

一、裝配式混凝土建筑概述

裝配式建筑是“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑?！边@個定義強調(diào)裝配式建筑是4個系統(tǒng)（而不僅僅是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）的主要部分采用預(yù)制部品部件集成。國家標(biāo)準(zhǔn)該條文的說明中指出：裝配式建筑是一個系統(tǒng)工程，是將預(yù)制構(gòu)件和部品部件通過模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊組合、接口連接、節(jié)點構(gòu)造和施工工法等用裝配式的集成方法，在工地高效、可靠裝配并做到建筑圍護(hù)、主體結(jié)構(gòu)、機電裝修一體化的建筑。它有幾個方面的特點：

1.大量的建筑部品由車間生產(chǎn)加工完成，構(gòu)件種類主要有：外墻板，內(nèi)墻板，疊合板，陽臺，空調(diào)板，樓梯，預(yù)制梁，預(yù)制柱等。

2.現(xiàn)場大量的裝配作業(yè)，比原始現(xiàn)澆作業(yè)大大減少。

3.采用建筑、裝修一體化設(shè)計、施工，理想狀態(tài)是裝修可隨主體施工同步進(jìn)行。

4.設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和管理的信息化，構(gòu)件越標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)效率越高，相應(yīng)的構(gòu)件成本就會下降，配合工廠的數(shù)字化管理，整個裝配式建筑的性價比會越來越高。

5.基于BIM技術(shù)的全鏈條信息化管理，實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修、運維的一體化。

裝配式建筑可以分為以下幾種類型：

1.砌塊建筑：用預(yù)制的塊狀材料砌成墻體的裝配式建筑，適于建造3～5層建筑，如提高砌塊強度或配置鋼筋，還可適當(dāng)增加層數(shù)。砌塊建筑適應(yīng)性強，生產(chǎn)工藝簡單，施工簡便，造價較低，還可利用地方材料和工業(yè)廢料。

2.板材建筑：由預(yù)制的大型內(nèi)外墻板、樓板和屋面板等板材裝配而成，又稱大板建筑。它是工業(yè)化體系建筑中全裝配式建筑的主要類型。板材建筑可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高勞動生產(chǎn)率，擴大建筑的使用面積和防震能力。板材建筑的內(nèi)墻板多為鋼筋混凝土的實心板或空心板；外墻板多為帶有保溫層的鋼筋混凝土復(fù)合板，也可用輕骨料混凝土、泡沫混凝土或大孔混凝土等制成帶有外飾面的墻板。

3.盒式建筑：從板材建筑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種裝配式建筑。這種建筑工廠化的程度很高，現(xiàn)場安裝快。一般不但在工廠完成盒子的結(jié)構(gòu)部分，而且內(nèi)部裝修和設(shè)備也都安裝好，甚至可連家具、地毯等一概安裝齊全。盒子吊裝完成、接好管線后即可使用。

4.骨架板材建筑：由預(yù)制的骨架和板材組成。其承重結(jié)構(gòu)一般有兩種形式：一種是由柱、梁組成承重框架，再擱置樓板和非承重的內(nèi)外墻板的框架結(jié)構(gòu)體系；另一種是柱子和樓板組成承重的板柱結(jié)構(gòu)體系，內(nèi)外墻板是非承重的。承重骨架一般多為重型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也有采用鋼和木作成骨架和板材組合，常用于輕型裝配式建筑中。骨架板材建筑結(jié)構(gòu)合理，可以減輕建筑物的自重，內(nèi)部分隔靈活，適用于多層和高層的建筑。

5.升板升層建筑：板柱結(jié)構(gòu)體系的一種，但施工方法則有所不同。這種建筑是在底層混凝土地面上重復(fù)澆筑各層樓板和屋面板，豎立預(yù)制鋼筋混凝土柱子，以柱為導(dǎo)桿，用放在柱子上的油壓千斤頂把樓板和屋面板提升到設(shè)計高度，加以固定。外墻可用磚墻、砌塊墻、預(yù)制外墻板、輕質(zhì)組合墻板或幕墻等；也可以在提升樓板時提升滑動模板、澆筑外墻。升板建筑施工時大量操作在地面進(jìn)行，減少高空作業(yè)和垂直運輸，節(jié)約模板和腳手架，并可減少施工現(xiàn)場面積。升板建筑多采用無梁樓板或雙向密肋樓板，樓板同柱子連接節(jié)點常采用后澆柱帽或采用承重銷、剪力塊等無柱帽節(jié)點。升板建筑一般柱距較大，樓板承載力也較強，多用作商場、倉庫、工場和多層車庫等。

二、裝配式混凝土建筑的發(fā)展

發(fā)達(dá)國家和地區(qū)裝配式混凝土建筑的發(fā)展歷程是怎樣的？

發(fā)達(dá)國家和地區(qū)裝配式混凝土住宅的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段是裝配式混凝土建筑形成的初期階段，重點建立裝配式混凝土建筑生產(chǎn)（建造）體系；第二階段是裝配式混凝土建筑的發(fā)展期，逐步提高產(chǎn)品（住宅）的質(zhì)量和性價比；第三階段是裝配式混凝土建筑發(fā)展的成熟期，進(jìn)一步降低住宅的物耗和環(huán)境負(fù)荷，發(fā)展資源循環(huán)型住宅。

我國裝配式混凝土建筑的發(fā)展歷程是怎樣的？

我國建筑工業(yè)化模式應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，借鑒蘇聯(lián)的經(jīng)驗，在全國建筑生產(chǎn)企業(yè)推行標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和機械化，發(fā)展預(yù)制構(gòu)件和預(yù)制裝配建筑。從20世紀(jì)60年代初——80年代中期，預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)經(jīng)歷了研究、快速發(fā)展、使用、發(fā)展停滯等階段。20世紀(jì)80年代初期，建筑業(yè)曾經(jīng)開發(fā)了一系列新工藝，如大板體系、南斯拉夫體系、預(yù)制裝配式框架體系等，但在進(jìn)行了這些實踐之后，均未得到大規(guī)模推廣。到20世紀(jì)90年代后期，建筑工業(yè)化邁向了一個新的階段，國家相繼出臺了諸多重要的法規(guī)政策，并通過各種必要的機制和措施，推動了建筑領(lǐng)域的生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。近年來，在國家政策的引導(dǎo)下，一大批施工工法、質(zhì)量驗收體系陸續(xù)在工程中實踐應(yīng)用，裝配式建筑的施工技術(shù)越來越成熟。

2016年2月6日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，其中指出，力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%。國務(wù)院辦公廳于2016年9月27日印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，要以京津、長三角、珠三角三大城市群為重點推進(jìn)地區(qū)，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進(jìn)地區(qū)，其余城市為鼓勵推進(jìn)地區(qū)，因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑。

裝配式混凝土建筑的建造方式符合國內(nèi)建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，隨著建筑工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，裝配施工工藝越來越成熟，但是裝配式混凝土建筑還應(yīng)進(jìn)一步提高生產(chǎn)技術(shù)、施工工藝、吊裝技術(shù)、施工集成管理等，形成裝配式混凝土建筑的成套技術(shù)措施和工藝，為裝配式混凝土建筑的發(fā)展提供技術(shù)支撐。在施工實踐中，裝配式混凝土建筑的設(shè)計技術(shù)、構(gòu)件拆分與模數(shù)協(xié)調(diào)、節(jié)點構(gòu)造與連接處理吊裝與安裝、灌漿工藝及質(zhì)量評定、預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化及集成化技術(shù)、模具及構(gòu)件生產(chǎn)、BIM技術(shù)的應(yīng)用等還存在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的不完善或技術(shù)實踐空白等問題，在這方面尚需要進(jìn)一步加大產(chǎn)學(xué)研的合作，促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展。

三、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工信息化應(yīng)用技術(shù)

裝配式建筑的核心是建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修一體化，設(shè)計、加工、裝配一體化兩個體化的協(xié)同工作，而以信息協(xié)同、共享為理念的BIM技術(shù)能夠加速裝配式建筑和信息化的融合，從而實現(xiàn)兩個一體化的協(xié)同管理，提升裝配式建筑工程總承包管理水平。

BIM是工程項目的數(shù)字化信息的集成，通過在3D建筑空間模型的基礎(chǔ)上疊加時間成本信息，實現(xiàn)從3D到4D、5D的多維度表達(dá)，最終形成集成建筑實體、時間和成本多維度的5DBIM應(yīng)用。毫無疑問，BIM技術(shù)的應(yīng)用理念和裝配式建筑施工管理的思路不謀而合。因此需要在總承包的發(fā)展模式下，建立以BIM模型為基礎(chǔ)的建筑信息云平臺，集成RFID）/二維碼的物聯(lián)網(wǎng)、移動終端等信息化創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)裝配式建筑在施工階段信息交互和共享，形成全過程信息化管理，提高管理效率和水平，確立智慧建筑的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM在裝配式建筑各個環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用如何？

（1）設(shè)計階段

1）三維設(shè)計。利用BIM設(shè)計軟件的優(yōu)勢，可以對裝配式建筑進(jìn)行三維設(shè)計并進(jìn)行全專優(yōu)化從麗實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計。業(yè)（建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電、智能化、內(nèi)裝、部品、幕墻、采光頂、夜景照明等）集成優(yōu)化從而實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計。

2）構(gòu)件拆分。在裝配式建筑中要做好預(yù)制部分的構(gòu)件設(shè)計，俗稱“構(gòu)件拆分”。傳統(tǒng)方式下大多是在施工圖完成以后，再由構(gòu)件廠進(jìn)行“構(gòu)件拆分”。利用BIM技術(shù)的三維模型和信息化集成優(yōu)勢，對預(yù)制構(gòu)件的幾何屬性進(jìn)行可視化分析，可以對預(yù)制構(gòu)件的類型進(jìn)行優(yōu)化，減少頂制構(gòu)件的類型數(shù)量?？梢宰龅角捌诓邉濍A段就專業(yè)介人，確定好裝配式建筑的技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，在方案設(shè)計階段根據(jù)既定目標(biāo)依據(jù)構(gòu)件拆分原則進(jìn)行方案創(chuàng)作，這樣才能避免整體方案不合理導(dǎo)致后期技術(shù)經(jīng)濟性缺陷。

3）協(xié)同設(shè)計。PC建筑的BIM模型不僅要集成所有設(shè)計信息，而且要根據(jù)裝配式模塊化的特點，整合構(gòu)件的生產(chǎn)加工、施工工藝要求等信息，同一協(xié)調(diào)，達(dá)到所有相關(guān)方面在同一BIM模型上進(jìn)行管理的要求，使所有參與方以及所有參與專業(yè)在技術(shù)和管理上達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。BIM設(shè)計校型包含了設(shè)計信息、生產(chǎn)加工、施工工設(shè)備要求等信息，可以進(jìn)行同步碰撞檢查以及數(shù)據(jù)分析，從而使各專業(yè)達(dá)到更高層次的協(xié)同設(shè)計。

（2）工廠加工階段

1）構(gòu)件加工圖設(shè)計。不同于常規(guī)的二維構(gòu)件加工圖設(shè)計，BIM技術(shù)可以利用三維模型進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件設(shè)計，可以完全避免構(gòu)件間的錯漏碰缺，并且達(dá)到各個專業(yè)間以及與工廠加工工藝人員的同步協(xié)調(diào)。構(gòu)件設(shè)計完成后再根據(jù)BIM模型直接導(dǎo)出相應(yīng)的二維圖，二維圖結(jié)合BIM模型不僅能清楚地傳達(dá)傳統(tǒng)圖樣的平、立、剖尺寸，而且對于復(fù)雜的空間組合關(guān)系可系也可以清楚表達(dá)，更好地保證構(gòu)件加工信息的完善設(shè)計以及完整傳遞。

2）構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)。BIM建模是對建筑的真實反映，在生產(chǎn)加工過程中，BIM信息化技術(shù)可以直觀地表達(dá)出配筋的空間關(guān)系和各種參數(shù)情況，能自動生成構(gòu)件下料單、派工單、模具規(guī)格參數(shù)等生產(chǎn)表單，并且能通過可視化的直觀表達(dá)幫助工人更好地理解設(shè)計意圖，可以形成BIM生產(chǎn)模擬動畫、流程圖、說明圖等輔助培訓(xùn)的材料，有助于提高工人生產(chǎn)的準(zhǔn)確性和質(zhì)量效率。

3）通過CAM實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的數(shù)字化制造。借助工廠化、機械化的生產(chǎn)方式，采用集中、大型的生產(chǎn)設(shè)備，只需要將BIM信息數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，就可以實現(xiàn)機械的自動化生產(chǎn)這種數(shù)字化建造的方式可以大大提高工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

（3）施工階段

1）施工現(xiàn)場組織及工序模擬。將施工進(jìn)度計劃寫入BIM信息模型，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D模型中，就可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程，提前預(yù)知本項目主要施工的控制方法、施工安排是否均衡，總體計劃、場地布置是否合理，工序是否正確，并可以進(jìn)行及時優(yōu)化。

2）施工安裝培訓(xùn)。通過虛擬建造，交裝和施工管理人員可以非常清晰地獲知裝配式建筑的組裝構(gòu)成，避免二維圖造成的理解偏差、保證項目的如期進(jìn)行。并且通過施工模擬對復(fù)雜部位和關(guān)鍵施工節(jié)點進(jìn)行提前預(yù)演，増加工人對施工環(huán)境和施工揹施的熟悉度，提高施工效率。

3）施工模擬碰撞檢測。通過碰撞檢測分析，可以對傳統(tǒng)二維模式下不易察覺的“錯漏碰缺”進(jìn)行收集、更正。如預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部各組成部分的磁撞檢測，地暖管與電器管線潛在的交錯碰撞問題。

4）成本算量。成本算量的主要原則是做到“準(zhǔn)量、估算”，按照工業(yè)化建筑的組成及

5）計價原則分為頂制構(gòu)件部分和現(xiàn)澆構(gòu)件部分。結(jié)合工業(yè)化住宅的特點自主開發(fā)了裝配式設(shè)計插件，通過該插件可以將頂制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件進(jìn)行分類統(tǒng)計。

通過分類統(tǒng)計可以快速地對設(shè)計方案進(jìn)行工程量分析，從而進(jìn)行方案比選，再由確定的工程量結(jié)合地區(qū)的定額計算出本項目的工程量清單，實現(xiàn)在方案策劃階段對成本的初步控制。

6）裝配式建筑質(zhì)量管理可追溯。實現(xiàn)在同一BIM模型上的建筑信息集成，BIM服務(wù)貫穿整個工程全生命周期過程。一方面，可以實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)信息化；另一方面，可以將生產(chǎn)施工及運維階段的實際需求及技術(shù)整合到設(shè)計階段，在虛擬環(huán)境中預(yù)演現(xiàn)實，真正實現(xiàn)BIM信息化應(yīng)用的信息集成優(yōu)勢。通過在預(yù)制構(gòu)件中預(yù)埋芯片等數(shù)字化標(biāo)簽，在生產(chǎn)、運輸、施工、管理的各個重要環(huán)節(jié)記錄相應(yīng)的質(zhì)量管理信息，可以實現(xiàn)建筑質(zhì)量的責(zé)任歸屬從而提高建筑質(zhì)量。

四、裝配式建筑的未來發(fā)展和重點研究方向

（1）預(yù)制構(gòu)件的模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化研究。模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究主要包含兩個方向：一是要對全產(chǎn)業(yè)鏈資源進(jìn)行整合，全產(chǎn)業(yè)內(nèi)推行模數(shù)協(xié)調(diào)：二是要實現(xiàn)統(tǒng)一價值導(dǎo)向，建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

住宅模數(shù)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則是建設(shè)者、施工方、設(shè)計者在裝配式建筑的建設(shè)中共同避循的統(tǒng)一準(zhǔn)則，是建筑標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)，因此要大力推行住宅模數(shù)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則研究，要加強構(gòu)配件尺寸與建筑的配合、協(xié)調(diào)、定位。

（2）裝配式建筑抗震性能的研究。與傳統(tǒng)建筑相比，裝配式建筑抗震的研究仍較少。

目前，國內(nèi)裝配式建筑抗震研究的重點在節(jié)點，裝配式建筑節(jié)點的抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點存在差異，其力學(xué)特性對建筑整體抗震性能影響較大，因此對裝配式建筑節(jié)點抗震性能仍需進(jìn)一步研究。同時，要加強各類型裝配式建筑的整體抗震性能研究，應(yīng)及時依據(jù)最新且成熟的裝配式建筑抗震性能研究成果，對現(xiàn)有預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計規(guī)范及設(shè)計條文及時更新。

（3）基于BIM的一體化項目實施（IPD）應(yīng)用研究。所謂的IPD，就是通過協(xié)作平臺，對體系、人力、實踐和企業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，充分利用所有參與方的見解和才能，通過設(shè)計、建造以及運營各階段的共同努力，使建設(shè)項目達(dá)到最大效益，減少不必要的浪費。

IPD模式貫穿項目建設(shè)的全部階段，包括規(guī)劃設(shè)計階段和施工建造階段，施工單位、建設(shè)單位、設(shè)計院等各方高度協(xié)調(diào)合作，保證項目目標(biāo)的順利實現(xiàn)。TPD模式適用于大規(guī)模項目，有利于項目成本的節(jié)約。因此，盡管當(dāng)前建設(shè)項目的交付模式種類繁多，IPD卻已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)得到大力推廣。

當(dāng)前，國外實踐IPD與BIM協(xié)同管理的項目越來越多。利用BIM軟件建立的建筑模型可視性強，交互性高，數(shù)字化程度高，同時具備開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，有利于信息及數(shù)據(jù)的共享。在IPD模式下的項目，BIM的應(yīng)用主要集中于設(shè)計協(xié)同可視化、估價、施工重難點模擬、碰撞檢測、設(shè)備管理、場地分析等方面。

目前，由于受國內(nèi)建筑發(fā)展模式的制約，建筑業(yè)在IPD模式下缺乏相關(guān)法律體系及合同范本，應(yīng)用環(huán)境也還處于培養(yǎng)期，BIM技術(shù)全面推廣還有待政府和企業(yè)的努力。

參考文獻(xiàn)

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[3]《裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工程人工操作實務(wù)》（中國建筑工業(yè)出版社，2016著）

[4]《裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)施工》（同濟大學(xué)初版社，2016著）

[5]《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工》（中國建筑工業(yè)出版社，2016著）

作者簡介

毛晴（1996.2-），女，漢，籍貫：湖北廣水，單位：武昌首義學(xué)院，研究方向：建筑類。

（作者單位：武昌首義學(xué)院 城市建筑學(xué)院）