裝配式建筑當(dāng)前發(fā)展困境及未來展望*

戴 佳 宋紹雷 王 宇 陳 葉 李艷麗

(徐州工程學(xué)院 江蘇 徐州 221018)

近年來,模塊化的建筑施工方式引起了世界范圍內(nèi)建筑業(yè)的極大關(guān)注。顧名思義,模塊化建筑施工就是將場外工廠制造的組件或模塊經(jīng)過運(yùn)輸并現(xiàn)場組裝,從而形成一個完整建筑的過程[1]。與傳統(tǒng)施工方式相比,建筑的模塊化施工具有諸多優(yōu)勢,如更快的施工周期(縮短30%以上)、更安全的制造、更好的質(zhì)量控制和更低的環(huán)境影響,被認(rèn)為是一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)[2]。根據(jù)報道[3],這種經(jīng)現(xiàn)場組裝而成的建筑(裝配式建筑)已被廣泛應(yīng)用于公寓、酒店、學(xué)校、醫(yī)院、辦公室、學(xué)生宿舍和其他類型的建筑中(見圖1)。裝配式建筑所具備的諸多優(yōu)勢與我國近年來提出的“雙碳”發(fā)展目標(biāo)不謀而合。然而,目前我國裝配式建筑在新建建筑中的比例還不高(見圖2),更多還是依賴于傳統(tǒng)的現(xiàn)場混凝土澆筑式施工方法[4]?？梢钥闯?裝配式建筑發(fā)展之路比較漫長,有必要針對裝配式建筑發(fā)展緩慢背后深層次的原因進(jìn)行分析。

圖1 裝配式建筑案例

圖2 2016～2020年我國裝配式建筑面積占新建建筑面積比

1 面臨的困境及對策

1.1 缺乏設(shè)計(jì)的規(guī)范化指南

為確保建筑的安全設(shè)計(jì),任何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷都需要考慮所有可能出現(xiàn)的情況,然而目前模塊化建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是基于傳統(tǒng)建筑在考慮穩(wěn)定性、強(qiáng)度和可用性的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。當(dāng)模塊化結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生短期載荷,就會引起結(jié)構(gòu)荷載不同,從而影響荷載傳遞的機(jī)制。此外,裝配式建筑施工過程所需的基礎(chǔ)設(shè)施也與傳統(tǒng)方法不同,需要考慮幾何不準(zhǔn)確和安裝時帶來的影響,這就決定了模塊的設(shè)計(jì)需要高度的詳細(xì)。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)體系,我們認(rèn)為有必要為模塊化結(jié)構(gòu)建立合適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,以促進(jìn)對安全和高質(zhì)量的模塊化結(jié)構(gòu)的使用。眾多科研工作者在這方面進(jìn)行了嘗試,有提出預(yù)制建筑的制造和面向裝配的參數(shù)設(shè)計(jì),也有利用建筑信息建模(BIM)技術(shù)在指定的時間和成本上進(jìn)行有效的組織,模擬項(xiàng)目的開展,這些被證實(shí)基于圖形的建筑設(shè)計(jì)模型可以用來進(jìn)行表示和分析建筑項(xiàng)目,盡管此類嘗試尚不完善,但為規(guī)范化設(shè)計(jì)指出了一條思路[5]。

1.2 缺乏專業(yè)技術(shù)人才和信心

盡管裝配式建筑在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展數(shù)年,特別是近年來國家大力倡導(dǎo)裝配式建筑,但仍缺乏大量知識淵博和經(jīng)驗(yàn)豐富的專家以及一線工人,這都成為制約模塊化建筑發(fā)展的主要障礙?；诂F(xiàn)狀,部分大學(xué)已經(jīng)開展了一些相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)生培養(yǎng)和工作培訓(xùn),為預(yù)制模塊產(chǎn)品和后期服務(wù)提供必要的技術(shù)支持。工業(yè)界也開展了相應(yīng)的技能培訓(xùn),讓工人具備一定的工作經(jīng)驗(yàn),通過這一些系列舉措,“十四五”裝配式建筑占新建建筑的比例高達(dá)30%以上。此外,裝配式建筑屬于一個新概念,預(yù)制組件和模塊化的概念在大多數(shù)情況下還不能完全被客戶所接受,特別是對其質(zhì)量的可靠性,使得模塊的生產(chǎn)企業(yè)擔(dān)負(fù)了較大的風(fēng)險,企業(yè)的良性發(fā)展面臨重重困難。當(dāng)下需要不斷提高裝配式建筑的質(zhì)量,并通過教育、溝通等方式在大眾心中樹立起對裝配式建筑安全可靠的信心。

1.3 運(yùn)輸困難

裝配式模塊在場外完成生產(chǎn)后,需要運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行組裝。從經(jīng)濟(jì)的角度來講,運(yùn)輸者以最大量進(jìn)行運(yùn)輸,這樣可以有效節(jié)省運(yùn)輸成本,在保證安全的情況下,這對于小型模塊是完全適用的。然而,對于一個完整的大尺寸模塊來說,特別是在通過狹窄區(qū)域時,將面臨巨大挑戰(zhàn)。此外,運(yùn)輸過程中車輛振動可能對部件造成損傷,且損傷強(qiáng)度一般會隨著路面顛簸度的增加而增加。為了有效降低因顛簸造成的運(yùn)輸困難,可以使用具有減振器的車輛來運(yùn)輸,對于寬度較大的模塊則需要額外考慮預(yù)防措施,如低底盤的車輛等[6],從而增加運(yùn)輸?shù)跹b對構(gòu)件的影響。

1.4 可靠的連接系統(tǒng)

模塊組裝后整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度受到模塊與模塊之間連接特性的直接影響。在現(xiàn)有的一些可用的連接方式中,并不能完全滿足模塊組裝的完整性要求。特別是在極端加載條件下,如何保證模塊化連接起來的結(jié)構(gòu)仍然保持其完整性將是我們所要面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了盡可能實(shí)現(xiàn)完美的裝配,模塊的連接通道可以在外部進(jìn)行,以便工人安全、方便地進(jìn)入連接點(diǎn)。此外,不斷創(chuàng)新的聯(lián)接方式以及其在快速組裝和拆卸自動化技術(shù)方面的能力將為裝配式建筑發(fā)展注入新的活力。

1.5 成本問題

建立生產(chǎn)預(yù)制建筑構(gòu)件的制造工廠需要較大的初始資金[7]。據(jù)報道,我國預(yù)制構(gòu)件發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)就是成本問題,總體生產(chǎn)和運(yùn)輸成本估計(jì)比傳統(tǒng)建筑高出20%以上。通過分析國外建造商對裝配式建筑的觀點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),高昂的初始成本是制約其發(fā)展的主要原因之一。如果預(yù)制構(gòu)件是在城市中進(jìn)行生產(chǎn)的則將進(jìn)一步提高其初始成本,這就要求生產(chǎn)商在城市外進(jìn)行生產(chǎn),并通過改進(jìn)技術(shù),一次性生產(chǎn)更多的模塊來降低成本。而采用模塊化建設(shè)方式后,建設(shè)周期的縮短將會降低現(xiàn)場勞動力成本,從而抵消部分高昂的初始成本。

當(dāng)下裝配式建筑的發(fā)展存在諸多潛在的困難,但大部分與產(chǎn)品本身無關(guān),更多的是缺乏支撐。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),有效增加業(yè)主對裝配式建筑的接受度和使用度,政府需要為模塊化建設(shè)創(chuàng)造一個有利的環(huán)境。此外科研工作者也應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)性能優(yōu)異的模塊,為裝配式建筑的發(fā)展提供助力。

2 未來發(fā)展展望

當(dāng)前我國正處于從中低收入向中高收入發(fā)展的過渡階段,城鎮(zhèn)化建設(shè)力度不斷加強(qiáng)。但據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每年建設(shè)的超過12億m2以上的城市住宅中大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)模式的鋼筋混凝土高層建筑,這就要求建筑行業(yè)必須進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化升級,逐步從傳統(tǒng)的粗放型施工向集約、精細(xì)的工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,必然帶來行業(yè)生產(chǎn)方式的大變革。近年來,裝配式建筑憑借自身的優(yōu)勢和特點(diǎn),在國家多個重要文件如:《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《關(guān)于大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的意見(征求意見稿)》等的支持下,在全國新建建筑中的比例逐年升高。隨著各地政府相關(guān)具體政策的陸續(xù)出臺,裝配式建筑發(fā)展將進(jìn)入快速發(fā)展期。

此外,新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)為模塊化建筑性能的提升提供了可能。目前研究人員正在研究纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料在預(yù)制建筑中的應(yīng)用,從而判斷是否取代傳統(tǒng)的木材、混凝土和鋼材料的潛力[8]。盡管這些復(fù)合材料的長期性能和在極端荷載條件下的表現(xiàn)尚未得到廣泛的研究,但其在靜負(fù)載下的短期性能表現(xiàn)優(yōu)異,表明其有很大的潛在應(yīng)用價值。針對FRP材料的脆性或低延性,通過引入基于層設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)-木夾層梁在靜載荷作用下的彎曲性能得到明顯提高[9]。用預(yù)制耐火面板組裝的大型GFRP結(jié)構(gòu)的耐火后力學(xué)性能表明,模塊化的GFRP多細(xì)胞板在90 min的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)后仍能夠維持大約一半的結(jié)構(gòu)剛度和容量[10]。與典型的磚房相比,復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)可以提供更高的比強(qiáng)度、更好的保溫性和更低的環(huán)境影響,而聲學(xué)性能和消防安全性仍有待提高。截止到目前,還沒有足夠的科學(xué)研究來驗(yàn)證在模塊化結(jié)構(gòu)中使用新的復(fù)合材料的好處,大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師僅能依靠實(shí)驗(yàn)結(jié)果來了解其性能[11]。通過對復(fù)合材料制造的模塊進(jìn)行深入研究,可以為預(yù)制建筑工業(yè)提供一種具有成本效益和耐用的解決方案。

3 結(jié)語

筆者系統(tǒng)介紹了模塊化建設(shè)發(fā)展所面臨的困境,并提出了相應(yīng)的對策,結(jié)合當(dāng)前國家政策形式和技術(shù)發(fā)展來展望了裝配式建筑發(fā)展的未來前景,可以得出:盡管目前模塊化建筑比例尚不高,但模塊化建設(shè)在減少材料的使用、縮短工期、降低能耗、減少污染物排放等方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。隨著模塊設(shè)計(jì)的規(guī)范化,生產(chǎn)技術(shù)的不斷升級,成本的進(jìn)一步降低以及國家政策的大力支持,人們對模塊化建筑的認(rèn)可度和信心必將不斷提升,裝配式建筑將會迎來快速發(fā)展的新高潮,助力國家在建筑業(yè)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。