澳大利亞裝配式建筑發(fā)展史及其現(xiàn)狀啟示

任 彧 翁向哲 金 珊

(1.福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001；2.福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 福建福州 350001; 3.福州新區(qū)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 福建福州 350000)

0 引言

裝配式建筑早在公元17世紀(jì)初就開始在澳大利亞應(yīng)用，不過，一直到近幾十年才真正受到廣泛的關(guān)注和發(fā)展，如今，2D預(yù)制構(gòu)件已經(jīng)在澳大利亞基本取代很多地方的現(xiàn)場生產(chǎn)。此外，3D預(yù)制模塊在其應(yīng)用案例也越來越多，成為了目前發(fā)展和研究的主要方向?；诖?，本文擬通過對(duì)澳大利亞裝配式建筑發(fā)展史進(jìn)行回顧總結(jié)，并結(jié)合裝配式施工技術(shù)在福建省的應(yīng)用及其進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 澳大利亞預(yù)制裝配式建筑基本定義

建筑部件在工廠預(yù)制，運(yùn)到施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝的建筑體系在澳大利亞工程界稱為預(yù)制裝配式 (prefabrication)，也被稱為非現(xiàn)場施工或非現(xiàn)場制造 (off-site construction or off-site manufacture)。澳大利亞預(yù)制部件可以分為兩大類，2D預(yù)制構(gòu)件和3D預(yù)制模塊。2D預(yù)制構(gòu)件主要為工廠預(yù)制的結(jié)構(gòu)和建筑構(gòu)件，包括預(yù)制梁、板、柱和墻等。3D預(yù)制模塊主要為模塊化和空間型的結(jié)構(gòu)單元，以及整體式建筑單元，比如整體式廚房和整體式廁所[1]。

2 裝配式建筑在澳大利亞的發(fā)展歷程

裝配式建筑在澳大利亞擁有較長的歷史。早在公元17世紀(jì)初，歐洲殖民者初次登上澳洲大陸時(shí)，預(yù)制裝配式技術(shù)就得到了應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)澳洲本土極度缺少熟練技術(shù)工人和建筑材料，高品質(zhì)房屋的部件大部分是在英國本土或英國在亞洲的殖民地進(jìn)行生產(chǎn)，然后運(yùn)到澳大利亞進(jìn)行組裝。位于維多利亞州吉朗的Corio Villa就是其中一個(gè)很典型的例子(圖1)。該建筑采用鑄鐵框架作為主體結(jié)構(gòu)，于1854年～1855年間在蘇格蘭建造完成后運(yùn)往澳大利亞進(jìn)行組裝，至今仍然保存完好[2]。

圖1 位于維多利亞吉朗的Corio Villa[2]

20世紀(jì)初，預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)從歐洲傳入澳大利亞，開始得到應(yīng)用。1960年左右，隨著預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)和大型起吊設(shè)備的廣泛應(yīng)用，澳大利亞的各主要城市在工程建設(shè)領(lǐng)域擴(kuò)大了預(yù)制混凝土構(gòu)件的使用規(guī)模和范圍，包括各種形式的預(yù)制樓板、預(yù)制外墻板(圖2)以及T字形的預(yù)制梁。在其后的幾年期間，2D預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用規(guī)模雖然也曾經(jīng)歷過較大的起伏，但是，隨著澳洲勞工價(jià)格的上升，該構(gòu)件應(yīng)用又逐漸占據(jù)了澳大利亞建筑市場相當(dāng)?shù)姆蓊~。如今，2D預(yù)制構(gòu)件在多、高層住宅和辦公樓的建設(shè)中使用非常普遍，取代了很多地方的現(xiàn)場生產(chǎn)[3]。

圖2 澳大利亞的預(yù)制外墻板

除了常見的預(yù)制混凝土構(gòu)件，預(yù)制鋼構(gòu)件和工程木構(gòu)件的應(yīng)用也十分廣泛，如：使用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)建成的悉尼之星(圖3)；使用預(yù)制正交膠合木板和層板膠合木建成的墨爾本碼頭圖書館(圖4)[2]。

圖3 悉尼之星

圖4 墨爾本碼頭圖書館

近10來年，隨著BIM 和3D打印技術(shù)等新型建筑技術(shù)的進(jìn)步，裝配式建造技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了澳大利亞很多創(chuàng)新，除了傳統(tǒng)的2D預(yù)制構(gòu)件外，3D預(yù)制模塊在澳大利亞工程界也受到了越來越多的關(guān)注，目前已成為澳洲裝配式體系主要的發(fā)展方向。3D預(yù)制模塊與傳統(tǒng)的2D預(yù)制構(gòu)件相比，具有更高的集成度，整體性更好，施工周期更短。這種裝配式體系通常集合了承重體系、外幕墻以及其他非結(jié)構(gòu)組件(可根據(jù)需求預(yù)先安裝水電管網(wǎng)系統(tǒng)、浴室或廚房單元等)。不同的預(yù)制模塊可以在施工現(xiàn)場同其他模塊或現(xiàn)澆的建筑主體進(jìn)行水平向或豎向的拼裝[4-5]。

澳大利亞常用的預(yù)制模塊(圖5)主要分為兩種類型：(1)承重模塊(Load Bearing Modules)，主要應(yīng)用于低層房屋，由承重墻傳遞豎向和水平向荷載；(2)角部支撐模塊(Corner Supported Modules)，這種預(yù)制模塊具有更可靠的豎向和橫向連接，更有利于側(cè)向力的傳遞，更適用于多層和高層的應(yīng)用[4-5]。

(a)預(yù)制承重模塊 (b)預(yù)制角部支撐模塊圖5 澳大利亞的預(yù)制模塊[4]

2010年建成的墨爾本Little Hero公寓是澳大利亞最早的多層模塊化住宅之一(圖6)。隨著對(duì)模塊化建筑的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、適用性和性能方面了解的深入，這種體系在澳大利亞的應(yīng)用日益廣泛[5-6]。2016年底，133m高、位于墨爾本的La Trobe Tower使用預(yù)制模塊完成建設(shè)，成為當(dāng)時(shí)澳洲最高的裝配式建筑[2]。另一棟更高的、184m預(yù)制模塊建筑Collins House已經(jīng)于2019年年底完成了主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)，即將投入正式使用。

圖6 墨爾本Little Hero公寓[5]

目前，傳統(tǒng)2D裝配式建筑以及3D模塊化建筑僅占澳大利亞房屋建筑產(chǎn)業(yè)1500億澳幣總產(chǎn)值的5%左右。但在2019年，莫里森政府宣布了一系列刺激性政策來推動(dòng)裝配式建筑在澳大利亞的發(fā)展。其中包括，向澳大利亞先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展中心投資200萬澳幣來進(jìn)行裝配式的可行性研究，并建立了一個(gè)新的綜合研發(fā)中心。該研發(fā)中心將集中研發(fā)新型裝配式建筑體系，致力于提升澳大利亞裝配式建筑在世界房屋建設(shè)產(chǎn)業(yè)的地位[2,5]。據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年，澳大利亞至少15%房屋將為預(yù)制裝配式體系。

3 裝配式技術(shù)在澳大利亞應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

裝配式施工技術(shù)是澳大利亞建筑行業(yè)提升施工和項(xiàng)目效率的八大核心理念之一[7]。如上所述，與傳統(tǒng)的施工方法相比，預(yù)制裝配式可以有效地降低勞工成本、施工成本以及施工周期，同時(shí)還具有，包括：提高建筑產(chǎn)品的質(zhì)量、促進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展、減少建筑廢物和二氧化碳排放、減少現(xiàn)場噪音和粉塵從而減少對(duì)周圍居民的影響等其他優(yōu)勢(shì)[8-11]。此外，隨著全球人口的增長，住房和辦公需求不斷增加，采用裝配式施工方法可以更快地建造更多的住宅和辦公樓，以滿足社會(huì)需求[5]。

3.1 施工周期短

裝配式施工速度快的優(yōu)點(diǎn)是澳大利亞建筑行業(yè)大力推廣這項(xiàng)技術(shù)的主要?jiǎng)恿?。?dāng)建筑部件在良好質(zhì)量管控的條件下建造時(shí)，若采用與傳統(tǒng)建設(shè)方法相同的材料和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，裝配式建筑的工期僅為傳統(tǒng)施工方法所需時(shí)間的50%～70%。這一顯著的施工周期上的縮短，是由于工廠在制造構(gòu)件的同時(shí)，現(xiàn)場可以進(jìn)行施工的準(zhǔn)備工作并可同步開展土方工程和基礎(chǔ)工程施工。此外，在工廠內(nèi)完成大部分施工，可以降低由于極端天氣帶來工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，工廠還可以使用自動(dòng)化設(shè)備來預(yù)制構(gòu)件，從而避免了由于缺少技術(shù)工人所導(dǎo)致的項(xiàng)目延誤[5,12]。

3.2 環(huán)境友好、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

裝配式技術(shù)的另一大優(yōu)點(diǎn)是更有利于可持續(xù)發(fā)展。在工廠品質(zhì)控制下，構(gòu)件和預(yù)制模塊生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的固體廢棄物更少，空氣污染和噪音污染也能得到有效的控制。此外，在拆除建筑時(shí)，預(yù)制模塊和部分預(yù)制構(gòu)件可以被拆卸、翻新以便重新使用，從而減少對(duì)原材料的需求，能最大限度地降低新建筑對(duì)能源的損耗[5]。

3.3 智慧的預(yù)制裝配式建筑體系

與傳統(tǒng)施工方法相比，預(yù)制裝配式建筑技術(shù)更加智能。由于預(yù)制的構(gòu)件或模塊多具有相同的造型、尺寸或建筑模數(shù)。工廠在制造過程，可以采用自動(dòng)化技術(shù)加快生產(chǎn)[5]。此外，通過采用新型建筑技術(shù)(如BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))，預(yù)制裝配式施工能夠變得更加高效和精確。

利用BIM技術(shù)，項(xiàng)目中所有的利益相關(guān)方(業(yè)主、承包商、建筑工程師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、材料供應(yīng)商等)都可以在同一個(gè)中心數(shù)據(jù)模型上工作。構(gòu)件供應(yīng)商可以對(duì)不同的預(yù)制構(gòu)件和預(yù)制模塊創(chuàng)建包含參數(shù)化信息的3D模型，從而讓業(yè)主、各專業(yè)設(shè)計(jì)師和施工方更好地理解產(chǎn)品的特性，并直接使用到房屋的設(shè)計(jì)和施工的過程中。采用基于BIM技術(shù)的預(yù)制裝配式工法大大改變了從設(shè)計(jì)、制造到施工的整體流程。BIM可視化和參數(shù)化的特點(diǎn)，能夠更加直觀地展現(xiàn)完整的項(xiàng)目規(guī)劃-設(shè)計(jì)-制造-運(yùn)輸-施工-后期維護(hù)的整體工作流程。讓業(yè)主、設(shè)計(jì)人員和承包商，更準(zhǔn)確地了解整個(gè)項(xiàng)目，更早地發(fā)現(xiàn)問題，更快地做出相應(yīng)的調(diào)整。此外，圍繞BIM中心模型開展項(xiàng)目，建筑師、各專業(yè)的工程師、施工人員和分包商也能更加密切地合作和交流，從而交付更精致、品質(zhì)更高的產(chǎn)品[2,4]。

4 澳大利亞裝配式建筑案例——LA TROBE TOWER公寓樓

位于墨爾本市中心的La Trobe Tower，是澳大利亞目前已投入使用的超高層裝配式建筑中最成功的案例之一。這棟大樓于2017年1月正式竣工。其建筑總高度為133m，含地下1層和地上44層，包括206套一居室或兩居室的住宅單元；大樓第15層公共區(qū)域還設(shè)有休息室、室外露臺(tái)、公共廚房和健身房。建筑外裝飾面為玻璃幕墻(圖7)，巧妙地與周圍區(qū)域的環(huán)境相融合[2]。

圖7 澳大利亞墨爾本La Trobe Tower公寓樓[2]

(a)Hickory Building System 預(yù)制模塊 (b)現(xiàn)場吊裝圖8 HBS預(yù)制模塊

La Trobe Tower使用Hickory Group建筑公司研發(fā)的新型模塊化施工技術(shù) Hickory Building System (HBS)建造而成。大樓的地下1層至地上2層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)，從地上第3層開始至第44層采用預(yù)制模塊化施工方法進(jìn)行建造[13]。

在最初設(shè)計(jì)時(shí)，整棟樓都計(jì)劃運(yùn)用傳統(tǒng)現(xiàn)澆的方式進(jìn)行施工，但由于墨爾本市中心擁堵的交通狀況以及投資商對(duì)于項(xiàng)目交付時(shí)間的要求，Hickory Group公司改用了預(yù)制裝配式建筑體系。事實(shí)證明：采用新的施工方法，有效地將項(xiàng)目交付速度加快了近30%，同時(shí)也降低了建設(shè)過程中對(duì)環(huán)境和周圍居民的干擾[2,13]。

HBS體系是一種將鋼框架(或鋼筋籠)、混凝土樓板、浴室以及建筑外立面集成一體的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系(圖8)。模塊單元在工廠完成預(yù)制之后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行拼裝。不同預(yù)制模塊在現(xiàn)場由螺栓和特殊設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行橫向和縱向的拼接，與底層的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連成整體[2,13]。

和其他裝配式體系相比，HBS體系的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：(1)使用工廠預(yù)制鋼筋混凝土墻和現(xiàn)場噴射混凝土相結(jié)合的方式進(jìn)行核心筒和剪力墻的施工；(2)采用預(yù)制輕質(zhì)混凝土樓板以減輕結(jié)構(gòu)自重，便于運(yùn)輸、吊裝；(3)外玻璃幕墻在工廠預(yù)制后直接與鋼框架通過螺栓連接成整體，再運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行吊裝；(4)模塊間預(yù)留槽位，待模塊主體在現(xiàn)場安裝好之后，直接吊入預(yù)制的室內(nèi)承重墻，與主體結(jié)構(gòu)通過螺栓連接(圖9)。為了確保結(jié)構(gòu)的可靠性，HBS公司的工程師進(jìn)行了大量的有限元軟件分析，并依據(jù)澳大利亞工程規(guī)范進(jìn)行模擬試驗(yàn)(圖10)[13]。

圖9 模塊間預(yù)留槽位(左)；模塊主體安裝好之后吊入承重墻(右)[13]

圖10 剪力墻噴射混凝土試塊強(qiáng)度測(cè)試(左)；HBS模塊吊裝測(cè)試(右)[13]

在設(shè)計(jì)La Trobe Tower時(shí)，側(cè)向力(尤其是風(fēng)荷載)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。Hickory Group建筑公司采用了預(yù)制和現(xiàn)澆混合的施工技術(shù)，完成了主要抗側(cè)力構(gòu)件核心筒和剪力墻的施工。其主要施工步驟如下：(1)在工廠預(yù)制豎向抗側(cè)力構(gòu)件的鋼筋籠，單面提前安裝好混凝土預(yù)制墻板。(2)運(yùn)到現(xiàn)場安裝定位后，對(duì)鋼筋籠的另一面采用噴射混凝土工藝，將上下兩層的鋼筋籠連接成連續(xù)的整體，從而形成與傳統(tǒng)建筑形式類似的鋼筋混凝土核心筒以及剪力墻(圖11)。使用這種混合施工方法，既加快了核心筒和剪力墻的施工速度，又不會(huì)損害結(jié)構(gòu)的整體性[13]。

圖11 預(yù)制鋼筋籠的吊裝(左)[2]；鋼筋籠安裝到位并噴射混凝土(右)[13]

最關(guān)鍵的是，該項(xiàng)目在規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，大量應(yīng)用了3D參數(shù)化模型，以確保模塊制作和安裝的準(zhǔn)確無誤。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師使用了BIM軟件對(duì)預(yù)制模塊和建筑結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行建模，并在3D中心模型上進(jìn)行碰撞測(cè)試(圖12)。同時(shí)，通過參數(shù)化信息直接生成工程造價(jià)表。此外，Hickory Group公司還利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)模擬了完整的現(xiàn)場安裝工序，幫助現(xiàn)場工人更好地理解復(fù)雜的安裝流程。最終，現(xiàn)場拼裝的實(shí)際公差僅在2mm以內(nèi)，很好地實(shí)現(xiàn)了模塊間的對(duì)齊。據(jù)Hickory Group公司報(bào)告，綜合考慮HBS預(yù)制模塊的制造成本和結(jié)構(gòu)性能，這種裝配式體系更適用于30層以上的建筑[2,6,13]。

圖12 通過BIM軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)層建模[13]

5 澳大利亞裝配式建筑對(duì)福建省裝配式施工技術(shù)發(fā)展啟發(fā)

裝配式技術(shù)作為一種新型建造方式在福建省的發(fā)展目前還處于初步階段。在福建省的裝配式建筑中，預(yù)制混凝土疊合板、預(yù)制樓梯以及裝配式內(nèi)隔墻的應(yīng)用相對(duì)較為廣泛；也有一些采用全預(yù)制框架技術(shù)的全裝配式建筑。具有代表性的案例如：采用全預(yù)制框架和預(yù)制外掛墻板的省內(nèi)首座全裝配式混凝土建筑——福建建超集團(tuán)生產(chǎn)基地一號(hào)樓、省內(nèi)首次將現(xiàn)代消能減震技術(shù)(約束屈曲支撐)應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)的龍海市月港中心小學(xué)等?？梢?，在2D預(yù)制構(gòu)件以及預(yù)制墻板的設(shè)計(jì)和施工方面，福建省內(nèi)已經(jīng)有了較多應(yīng)用案例，同時(shí)也正在逐步完善相關(guān)的地方性標(biāo)準(zhǔn)體系。但是，目前澳洲、歐洲等發(fā)達(dá)國家開始流行的模塊化建筑在福建省還沒有太多的研究，也沒有實(shí)際工程案例。所以，研究例如La Trobe Tower這類模塊化建筑在海外的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)福建省裝配式施工技術(shù)的發(fā)展具有一定的意義。

在模塊化建筑的設(shè)計(jì)和施工中，需要解決的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何可靠地將集成結(jié)構(gòu)體系、水電管線和建筑功能組件的預(yù)制模塊拼接到一起，使得模塊化建筑具有與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)等同甚至更高的性能。尤其是將模塊化技術(shù)應(yīng)用于高層建筑時(shí)，需要重點(diǎn)研究預(yù)制模塊和結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件間的連接，并研究如何靈活地結(jié)合現(xiàn)澆與裝配式施工技術(shù)，使得裝配式結(jié)構(gòu)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和可靠性。對(duì)此，La Trobe Tower公寓樓中核心筒和剪力墻所采用的現(xiàn)場噴射混凝土和預(yù)制鋼筋網(wǎng)組合的施工方式，就十分具有啟發(fā)意義。這種施工方法，既通過工廠預(yù)制鋼筋網(wǎng)加快現(xiàn)場施工速度、解決鋼筋碰撞的問題，又通過現(xiàn)澆部分混凝土剪力墻保證了結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件的整體性，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

考慮到我國建筑業(yè)目前的產(chǎn)業(yè)化水平，全面引進(jìn)發(fā)達(dá)國家的基于高端產(chǎn)業(yè)鏈的裝配式技術(shù)存在一定的困難，若能在試點(diǎn)項(xiàng)目中借鑒發(fā)達(dá)國家裝配式體系的思路，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，改變國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維定勢(shì)，對(duì)于促進(jìn)裝配式建筑體系的創(chuàng)新發(fā)展有重要意義。

當(dāng)然，要確保此類復(fù)雜預(yù)制模塊在現(xiàn)場的精確安裝，對(duì)構(gòu)件制造工人、現(xiàn)場施工人員的技術(shù)水平也提出了更高的要求。因此，建筑施工企業(yè)也應(yīng)投入更多的資金和時(shí)間為工人提供專業(yè)培訓(xùn)，提升其操作制造生產(chǎn)線和高精度現(xiàn)場安裝的能力。而且，從澳洲的案例分析中可以發(fā)現(xiàn)，BIM的應(yīng)用對(duì)于集成度更高、制造和施工更加復(fù)雜的空間型預(yù)制模塊具有關(guān)鍵性作用，而合理有效地使用BIM以及VR技術(shù)，不僅能夠更早更及時(shí)的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、幫助工人提高現(xiàn)場安裝精度，更能從根本上改變傳統(tǒng)項(xiàng)目管理過程中聯(lián)動(dòng)性差、溝通低效的問題。因此，對(duì)相關(guān)的工程人員的科技新知識(shí)再教育很有必要，且時(shí)不我待。

6 結(jié)語

本文回顧總結(jié)了澳大利亞裝配式建筑的發(fā)展歷程，重點(diǎn)討論了目前在澳大利亞流行的預(yù)制模塊施工技術(shù)，并對(duì)澳大利亞超高層模塊化裝配式大樓La Trobe Tower展開案例分析。通過對(duì)裝配式建筑在澳洲應(yīng)用的研究，筆者認(rèn)為裝配式建筑體系要在福建省有更快更好的發(fā)展，首先離不開國家和地方產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)和支持。同時(shí)，建筑界應(yīng)加快對(duì)裝配式設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)范的完善，并加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，深入研究不同裝配式體系的性能，研發(fā)符合中國國情的裝配式建筑體系，實(shí)現(xiàn)我國建造方式的新一輪革命。當(dāng)前，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)國外先進(jìn)新型建筑技術(shù)的學(xué)習(xí)，掌握基于BIM技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈管理理念，更高效地完成裝配式建筑從設(shè)計(jì)、工廠預(yù)制、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場組裝的全過程管理。相信隨著研發(fā)力度的投入和技術(shù)水平的提升，裝配式建筑會(huì)在福建省乃至全國占有更大的市場份額，也會(huì)有更多具有創(chuàng)新性的裝配式建筑出現(xiàn)。