預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)的成本優(yōu)化研究

呂利濤

隨著社會的進(jìn)步，人們對住房的要求逐漸改變，建筑行業(yè)逐步向工業(yè)化轉(zhuǎn)型，房屋建筑結(jié)構(gòu)也向快速、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，各種房屋結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生。為了實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效、更綠色的建筑施工，滿足傳統(tǒng)的建筑功能，需要研究預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)的成本優(yōu)化性能。經(jīng)研究表明，預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)可以花費(fèi)更少的成本，是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)化最有效的路徑。

1 工程概況

本文以某市的居民住宅為例，工程位置臨靠規(guī)劃道路與已建住宅用地。此次施工項(xiàng)目由3 個(gè)單元的6 層普通住宅與5個(gè)單元的12 層小高層建筑構(gòu)成，建筑層高均為2.8 m，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，主樓基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，地下室車庫采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。在以往的建筑工程中，都是在工程現(xiàn)場生產(chǎn)制作樓房構(gòu)件，存在未嚴(yán)格按照圖紙施工的現(xiàn)象，難以保證工程質(zhì)量。本次施工采取預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)，將工程中需要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠提前預(yù)制加工，如樓梯、陽臺等，然后在工程現(xiàn)場進(jìn)行組合安裝即可。這種建筑工程技術(shù)更加節(jié)能環(huán)保，有助于實(shí)現(xiàn)建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)化。

2 施工過程

2.1 基于BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)建筑模型

本工程初期階段，項(xiàng)目部需要基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)構(gòu)建建筑模型[1]。將BIM 技術(shù)融入建筑施工過程中，主要是通過Autodesk、Revit 以及廣聯(lián)達(dá)BIM 施工現(xiàn)場布置等軟件建立施工構(gòu)件模型，該模型與實(shí)際樓房極為相似，而且細(xì)節(jié)處的視覺效果良好，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題并進(jìn)行修改，有效避免工程返工造成人力資源及物力資源的浪費(fèi)，達(dá)到成本優(yōu)化的效果[2]。BIM 陽臺模型如圖1 所示。

圖1 BIM 陽臺模型（來源：網(wǎng)絡(luò)）

在預(yù)制裝配式建筑施工過程中應(yīng)用BIM 技術(shù)，由于樓房的主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)框架，需要考慮屋內(nèi)屋外、墻內(nèi)墻外的維護(hù)系統(tǒng)?；趦?yōu)化成本的條件，可采用鋁板幕墻與玻璃幕墻作為外覆雙曲造型。在實(shí)際施工過程中，應(yīng)用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)裝配式建筑的整體模型，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)模型組裝構(gòu)件，形成建筑樓房實(shí)體。將BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑施工過程中，可以有效防止實(shí)際施工與設(shè)計(jì)圖紙不符的問題發(fā)生，并且可以在一定程度上保證工程的施工質(zhì)量[3]。

2.2 預(yù)制構(gòu)件的制造

工廠制作構(gòu)件時(shí)，利用BIM 技術(shù)采集整理芯片信息數(shù)據(jù)，促使建筑構(gòu)件的各指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)定，從而保證了構(gòu)件的質(zhì)量。首先，通過應(yīng)用BIM 模型，可以直觀展示各個(gè)構(gòu)件的具體信息，幫助制造工廠充分掌握各類構(gòu)件的具體數(shù)據(jù)及對應(yīng)的施工現(xiàn)場信息，在對施工現(xiàn)場進(jìn)行智能化控制的同時(shí)，制作出所需的建筑構(gòu)件，可以在一定程度上避免預(yù)制構(gòu)件制作過程中出現(xiàn)的構(gòu)件制造遺漏和材料浪費(fèi)等問題。其次，在制造預(yù)制構(gòu)件的過程中，還需要對施工現(xiàn)場進(jìn)行合理控制與管理。將設(shè)計(jì)的預(yù)制構(gòu)件編碼標(biāo)注，并與實(shí)際構(gòu)件一一對應(yīng)，通過BIM 技術(shù)收集并控制所有構(gòu)件的信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤每一個(gè)具體構(gòu)件的情況，避免在實(shí)際施工過程中，因?qū)?yīng)構(gòu)件使用錯(cuò)誤，而導(dǎo)致施工現(xiàn)場出現(xiàn)安全事故，既能保證建筑施工組合安裝過程的順利進(jìn)行，還能提高建筑施工工程的安全性。最后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的建筑施工模型及圖紙，根據(jù)建筑施工工程的實(shí)際情況，選取對應(yīng)位置的建筑構(gòu)件并進(jìn)行組裝，以避免構(gòu)件組裝工程中出現(xiàn)構(gòu)件安裝位置或方向錯(cuò)誤的情況，保障建筑施工工程質(zhì)量的合規(guī)性[4]。

2.3 預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸與存放

當(dāng)工廠制作完成建筑施工過程所需的預(yù)制構(gòu)件后，要將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場存放，便于建筑施工工程的開展。預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸通常由建筑施工方負(fù)責(zé)，對于運(yùn)輸過程也有嚴(yán)格的要求。運(yùn)輸之前，需要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸特性，設(shè)計(jì)具有針對性的運(yùn)輸路線，由于建筑構(gòu)件的尺寸一般較大，因此在預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸過程中，需要安排大型的運(yùn)輸車輛，避免在崎嶇不平的道路上顛簸，導(dǎo)致運(yùn)輸途中預(yù)制構(gòu)件磕損。

待預(yù)制構(gòu)件到達(dá)施工現(xiàn)場后，先要深入了解現(xiàn)場用于存放建筑構(gòu)件的環(huán)境，然后制定出合理的構(gòu)件存放策略，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)采用專業(yè)機(jī)器進(jìn)行堆放處理[5]。關(guān)于預(yù)制構(gòu)件的堆放，需要注意以下幾個(gè)方面。第一，預(yù)制構(gòu)件堆放時(shí)，務(wù)必處于均勻受力的狀態(tài)，用于存放建筑構(gòu)件的區(qū)域必須符合負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，且滿足平整度要求，避免堆放時(shí)發(fā)生傾倒。第二，用于堆放預(yù)制構(gòu)件的區(qū)域，需要提前做好排水處理，避免極端天氣產(chǎn)生的積水對建筑構(gòu)件的質(zhì)量造成影響。第三，在建筑構(gòu)件存放前，要在存放區(qū)域設(shè)置能夠起到實(shí)時(shí)保護(hù)作用的墊層裝置；并且為了方便后續(xù)的組裝工程，預(yù)制構(gòu)件應(yīng)向上堆放。第四，工程材料管理人員需事先檢測好堆放區(qū)域的負(fù)載水平是否滿足要求，再采用堆疊的方式堆放預(yù)制構(gòu)件以降低風(fēng)險(xiǎn)[6]。

2.4 預(yù)制構(gòu)件的吊裝

本次施工的建筑結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，在施工過程中需要用到的建筑構(gòu)件分別是墻板、疊合板、疊合梁、陽臺以及樓梯等?；诠こ烫攸c(diǎn)，利用吊裝的方式對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組合安裝。本次工程中，6 層居民樓建筑的轉(zhuǎn)換層為第1 層，12層小高層建筑的轉(zhuǎn)換層為第3 層，樓房第1 層建筑構(gòu)件的吊裝準(zhǔn)確性與轉(zhuǎn)換層的鋼筋位置有直接關(guān)系，鋼筋定位工序影響著吊裝工程的質(zhì)量與精度，工程人員需要利用相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)鋼筋定位鋼板。在安裝好平臺構(gòu)件后，進(jìn)行樓面鋼筋的綁扎工程，但在開展此工程前，需要在上1 層平臺預(yù)留控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在樓層平臺構(gòu)件上設(shè)置鋼筋定位的控制線，進(jìn)行測量放樣。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)注的鋼筋連接規(guī)范，制作工程所需的定位鋼板。在此過程中，需要注意定位鋼板上各個(gè)鋼筋孔之間的距離誤差應(yīng)小于2 mm，鋼筋孔與控制線之間的距離誤差應(yīng)小于5 mm。

樓面工程完成后，進(jìn)行預(yù)制墻面與預(yù)制墻柱的吊裝工程。在吊裝開始前，需要提前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，預(yù)制墻柱位置需要參照設(shè)計(jì)圖紙的鋼筋位置彈線，墻柱安裝前工程區(qū)域需要清掃干凈，而且對于各個(gè)樓層的施工工程都需要進(jìn)行高程復(fù)核。吊裝工程所需工具主要包括吊裝鋼箱、吊裝鋼絲繩、登高梯以及垂直尺等；預(yù)制構(gòu)件安裝工程中主要用到正反斜撐、固定鐵件、剪力撐、螺栓以及墊片等零件。

3 施工結(jié)果分析

3.1 檢驗(yàn)施工質(zhì)量

在工程竣工后，需要采集建筑施工的質(zhì)量參數(shù)，并對其進(jìn)行異常值檢測，再根據(jù)由工程診斷模型獲取的失控質(zhì)量參數(shù)，判斷工程施工的整體質(zhì)量。在采集質(zhì)量參數(shù)時(shí)，應(yīng)建立在項(xiàng)目施工所使用的預(yù)制構(gòu)件之上，這樣既可保障工程施工的穩(wěn)定性，也可為今后的建筑工程提供參考意見。在本次研究中，基于建筑構(gòu)件的吊裝工程，采集建筑施工過程中3個(gè)重要工序的質(zhì)量參數(shù)。在本次施工質(zhì)量的檢驗(yàn)過程中，利用施工單位的測量工具，能夠最大限度確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集完成后，利用過程能力算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到剪力墻結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件的吊裝工序、墻柱構(gòu)件的吊裝預(yù)埋工序以及樓梯構(gòu)件的吊裝工序的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。以上3 個(gè)工序的質(zhì)量參數(shù)允許偏差值均為0 ～5 mm，本次采集的質(zhì)量參數(shù)偏差值如表1 所示。

由表1 可知，在本次研究的施工過程中，采集到的各工序質(zhì)量參數(shù)偏差值均滿足規(guī)范要求，說明本文所研究的預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)在優(yōu)化成本的條件下，其實(shí)際施工質(zhì)量符合基本要求。

表1 質(zhì)量參數(shù)偏差

3.2 對比施工成本

為了驗(yàn)證所研究的預(yù)制裝配式建筑工程的成本優(yōu)化性能，采用對比分析的方法，將傳統(tǒng)建筑與本文所研究的預(yù)制裝配式建筑的建造成本進(jìn)行對比。根據(jù)對實(shí)際工程的調(diào)查可知，預(yù)制裝配式建筑居民住宅的土建成本約為860 元/m2，傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑居民住宅的土建成本約為1 380 元/m2，其中預(yù)制裝配式建筑成本中的大部分費(fèi)用集中于預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)及運(yùn)輸存放方面。在施工工程的排水工序、電氣工序以及裝飾工序中，預(yù)制裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑的成本比較及原因分析如表2 所示。

表2 工程中各工序成本比較

由表2 得知，本文所研究的預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)，由于所需建筑構(gòu)件均事先在工廠制作，能夠降低后續(xù)構(gòu)件安裝工序的一些成本。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，得到預(yù)制裝配式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土式建筑施工工程的具體費(fèi)用如圖2 所示。

圖2 施工費(fèi)用對比（來源：作者自繪）

由圖2 可知，在本次預(yù)制裝配式建筑施工中，材料費(fèi)、人工費(fèi)、誤工費(fèi)以及管理費(fèi)較現(xiàn)澆混凝土式建筑施工技術(shù)所消耗的費(fèi)用更少，說明本文研究的預(yù)制裝配式建筑施工技術(shù)在實(shí)際施工過程中成本更低，整體成本優(yōu)化性能較好。

4 結(jié)語

預(yù)制裝配式建筑由于自身具備成本低、工期短及能源損耗較小等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多建筑公司的認(rèn)可，并得到了廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際施工中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在優(yōu)化成本的預(yù)制裝配式建筑施工中，需要建筑工廠不斷進(jìn)行研究與創(chuàng)新，制作出更加完善的預(yù)制構(gòu)件，并利用更加先進(jìn)的建筑技術(shù)完成施工工程。在綠色、高效、低成本工程的前提下，進(jìn)一步提升建筑的施工質(zhì)量，使預(yù)制裝配式建筑在未來得到更廣泛的應(yīng)用，以促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7]。