裝配式建筑剩余壽命分析研究

徐海峰

(廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司)

0 引言

住建部行業(yè)調(diào)查報(bào)告顯示，中國(guó)是世界上建筑體量最龐大的國(guó)家，但是全國(guó)平均建筑壽命僅為30 年。相比之下，瑞士、美國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家建筑壽命在70～90年，而英國(guó)建筑更是長(zhǎng)達(dá)132 年，百年建筑比比皆是[1]。這顯然與我國(guó)《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[2]的建筑設(shè)計(jì)使用年限相去甚遠(yuǎn)。

2012 年，中國(guó)與日本合作提出“百年住宅”的理念，意在解決日益嚴(yán)峻的短命建筑問題。百年住宅依托SI住宅體系構(gòu)建，是指支撐體S（Skeleton）與填充體I（Infill）完全分離的住宅建造體系，其核心是空間可變性與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，以適應(yīng)全生命周期建筑使用功能，從而達(dá)到建筑長(zhǎng)壽化的目的[3]。

裝配式建筑（Prefabricated Construction），是建筑工業(yè)化與現(xiàn)代化的結(jié)晶產(chǎn)物，兼具高度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，有效實(shí)現(xiàn)建筑空間可變性的特點(diǎn)，同時(shí)亦是綠色低碳化的重要載體，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要方式。

歐陽(yáng)建濤[4]在《中國(guó)城市住宅壽命周期研究》中對(duì)影響城市住宅的壽命進(jìn)行分析，并建立了壽命預(yù)測(cè)模型的計(jì)算方法。戴永琪[5]等基于概率分析方法，對(duì)影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的剩余壽命的因素進(jìn)行總結(jié)，并提出其剩余壽命預(yù)測(cè)模型。國(guó)外學(xué)者Pearce[6]對(duì)影響既有建筑壽命的因素分析，提出符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展觀才能延長(zhǎng)建筑的壽命。

綜上所述，建筑壽命與壽命預(yù)測(cè)模型的研究在國(guó)內(nèi)外雖有進(jìn)展，但研究的關(guān)注點(diǎn)主要集中在現(xiàn)澆混凝土建筑，對(duì)于裝配式建筑的壽命分析研究目前尚有不足。因此本文圍繞裝配式建筑，分析影響裝配式建筑壽命的因素，基于概率可靠度建立裝配式建筑剩余壽命預(yù)測(cè)模型，為裝配式壽命研究提供理論分析支持。

1 裝配式建筑壽命與影響因素

1.1 裝配式建筑壽命

自然壽命，建筑在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在正常使用與維護(hù)下具有足夠的可靠度，完成預(yù)定設(shè)計(jì)功能的壽命。我國(guó)《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》以及《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[7]明確指出：在正常使用下需具備安全性和適用性；在正常維護(hù)下需具備耐久性。

功能壽命，是指建筑按既定設(shè)計(jì)意圖達(dá)到使用者的預(yù)定功能需求的目的，是建筑持續(xù)性能的呈現(xiàn)。當(dāng)建筑由于種種因素導(dǎo)致不能滿足使用者的預(yù)定功能需求時(shí)，也就意味著建筑的功能壽命結(jié)束。

社會(huì)壽命，作為建筑壽命的延伸，建筑的存在因人與社會(huì)的發(fā)展而發(fā)生改變，城市的規(guī)劃、國(guó)家的政策都會(huì)決定建筑的社會(huì)壽命，反映建筑的可持續(xù)發(fā)展的效應(yīng)。

1.2 影響裝配式建筑壽命因素

1.2.1建造質(zhì)量對(duì)裝配式建筑壽命影響

建造質(zhì)量包括設(shè)計(jì)階段的合理性與施工階段的質(zhì)量安全性，對(duì)裝配式建筑的自然壽命有著決定性的影響。建筑行業(yè)由于兼具知識(shí)集約型與勞動(dòng)密集型的雙重屬性，導(dǎo)致了從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理全周期是一個(gè)交融復(fù)雜的過程。設(shè)計(jì)的合理性與前瞻性，決定了建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，結(jié)構(gòu)安全可靠性，建筑維修與保養(yǎng)的難易性。施工技術(shù)措施的先進(jìn)性與管理組織可靠性，決定了建筑完成質(zhì)量的好壞，抵抗不利因素耐久性能的高低。

1.2.2功能適用性對(duì)裝配式建筑壽命影響

功能適用性是以使用者需求為核心，建筑功能價(jià)值的時(shí)效體現(xiàn)，對(duì)裝配式建筑的功能壽命有著重要影響作用。功能適用性主要體現(xiàn)在建筑空間布局靈活多變性、通風(fēng)采光舒適度、保溫環(huán)保造型等特定功能需求，功能適用性及其形式是一個(gè)不斷演變的過程，其演化的過程就是建筑不斷適應(yīng)時(shí)代的變化，適應(yīng)使用者更替的使用訴求[8]。當(dāng)建筑缺乏空間靈活多變的可能，跟不上時(shí)代需求的步伐，不符合個(gè)性化居住需求，其功能壽命將嚴(yán)重縮減。

1.2.3城市規(guī)劃與社會(huì)政策對(duì)裝配式建筑壽命影響

由于發(fā)展所需而遺留的歷史原因，我國(guó)的城市規(guī)劃平均周期為20年左右[9]，城市發(fā)展在整體上缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的考慮，高頻的拆改重建對(duì)建筑的社會(huì)壽命產(chǎn)生毀滅性打擊。建筑作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱，同時(shí)也是資源能耗高消耗型產(chǎn)業(yè)，因此社會(huì)發(fā)展政策與建筑的社會(huì)壽命自然息息相關(guān)。建筑的社會(huì)屬性，決定了其壽命要符合可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)需求，滿足國(guó)家政策對(duì)其物資文化價(jià)值調(diào)控的重要載體作用。

1.3 百年建筑理念下裝配式建筑壽命特點(diǎn)

1.3.1 集成產(chǎn)業(yè)化

裝配式建筑以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為核心，配合BIM 信息化管理，實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字化生產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期集成產(chǎn)業(yè)化。技術(shù)分散向集成化的轉(zhuǎn)變，是建筑工業(yè)化的必然結(jié)果，能有效地降低甚至解決施工過程中技術(shù)偶然誤差或人為失誤誤差所導(dǎo)致的參差不齊的質(zhì)量問題，最大限度地保障建筑的產(chǎn)品質(zhì)量與工作性能。在BIM 數(shù)字化平臺(tái)下，裝配式高精度的生產(chǎn)模式將一改過往粗制濫造的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模式所帶來的開裂滲漏等固有難題。

1.3.2 空間靈活多變性

裝配式建筑采用大空間、靈活可變空間，力求實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)無梁無柱，為實(shí)現(xiàn)百年建筑，延長(zhǎng)建筑壽命提供了可能性。大空間體系是建筑功能多變，適應(yīng)時(shí)代的變化，契合使用者需求的前提條件。百年建筑的核心是靈活的戶內(nèi)空間布置，以滿足跨年代的家庭全生命周期居住需求，可按生活變化改造的永久性居住建筑。建筑功能適用性的顯著增強(qiáng)，意味著裝配式建筑的功能壽命將得到有效延長(zhǎng)。

1.3.3 可維修保養(yǎng)的運(yùn)維模式

裝配式建造體系將建筑主體分割為四大系統(tǒng)：建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)。與百年建筑依托的SI 體系有異曲同工之妙，由于設(shè)備與內(nèi)裝系統(tǒng)更新周期為10～30 年，而主體結(jié)構(gòu)可長(zhǎng)達(dá)100 年，各系統(tǒng)獨(dú)立后更利于部品部件的集成化，降低了建筑后期保養(yǎng)與維護(hù)的難度，讓主體結(jié)構(gòu)免于二次維修時(shí)非必要的損傷，增強(qiáng)了功能適用性的同時(shí)也提供了結(jié)構(gòu)耐久性。

1.3.4 綠色低碳化

當(dāng)下我國(guó)“碳中和、碳達(dá)峰”的雙碳目標(biāo)任重道遠(yuǎn)，綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展理念，正是百年建筑的時(shí)代需求，而裝配式建筑就是其最好的踐行載體。低碳排放量，干作業(yè)生產(chǎn)模式，節(jié)約資源降低廢品率，構(gòu)件工業(yè)化運(yùn)維更替回收方式，決定了裝配式建筑將會(huì)是未來我國(guó)建筑業(yè)新的中堅(jiān)力量。

2 裝配式建筑壽命修正模型

2.1 建筑壽命預(yù)測(cè)方法

經(jīng)驗(yàn)對(duì)比分析法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)大量的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及理論推導(dǎo)模型，對(duì)既有建筑作半定量的剩余壽命預(yù)測(cè)。其理論的核心是，建筑在相似的工作環(huán)境下有相近的工作狀態(tài)，使用壽命亦相接近。該方法較為簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)，但對(duì)于額外的影響因素顯得考慮不周，無法準(zhǔn)確反映建筑的真實(shí)剩余壽命。

概率可靠度分析法[10]，其核心內(nèi)容是將建筑物的作用效應(yīng)S 和自身抗力R 作為隨機(jī)變量,采用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,創(chuàng)建建筑可靠性功能函數(shù)Z,測(cè)算建筑的失效機(jī)率,使可靠性度指數(shù)與建筑物剩余壽命建立關(guān)系,以作為評(píng)價(jià)建筑物剩余使用壽命的基礎(chǔ)。這種方法基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的概率分析，綜合了影響建筑壽命的各種因素，能夠較為合理準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)建筑剩余壽命。

2.2 裝配式建筑剩余壽命修正模型

裝配式建筑壽命是在傳統(tǒng)建筑壽命理論基礎(chǔ)上，考慮裝配式建筑獨(dú)有的“百年建筑”特點(diǎn)對(duì)其壽命的影響，并對(duì)壽命模型進(jìn)行修正。由于建筑剩余壽命受各種環(huán)境條件和材料本身性能的影響，考慮到建筑結(jié)構(gòu)在一般大氣工作環(huán)境下的正常維護(hù)以及簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)工作量而不考慮其較大的維修和加固因素?；诖饲疤釛l件，在前蘇聯(lián)的剩余壽命評(píng)估公式基礎(chǔ)上考慮裝配式建筑影響因子，裝配式建筑剩余壽命修正模型如下：

⑴確定建筑自然終結(jié)壽命Lr

根據(jù)《民用建筑可靠度鑒定標(biāo)準(zhǔn)》以及前蘇聯(lián)壽命評(píng)估理論[11]，建筑自然終結(jié)壽命Lr如下所示：

式中：

Lr——建筑自然終結(jié)壽命；

S——房屋損壞系數(shù)；

Nk——建筑自然損耗值；

λ——建筑折舊率。

根據(jù)研究顯示[12]，當(dāng)建筑物的自然損耗值達(dá)到70%～75%，即認(rèn)為建筑已喪失其使用價(jià)值，因此本文建筑自然損耗值Nk取0.7。

表1 房屋折舊率

建筑的損壞系數(shù)S由建筑各主要構(gòu)件損傷參數(shù)Di確定，損傷系數(shù)與關(guān)鍵構(gòu)件類型，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)是重要作用以及構(gòu)件損壞程度直接相關(guān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建筑損壞系數(shù)S與各構(gòu)件損傷參數(shù)Di之間的關(guān)系可用下式表示：

S= 0.5D1+ 0.3D2+ 0.2D3

⑵確定裝配式建筑影響系數(shù)P

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO15686 條文中給出了壽命預(yù)估的“因子方法”( Factor Method)[13]。本文采用因子法與過時(shí)權(quán)重法，通過3 個(gè)影響因子構(gòu)建裝配式建筑影響系數(shù)P，其表達(dá)式如下所示：

式中：

P——裝配式建筑影響系數(shù)；

A——工業(yè)化影響因子；

B——空間靈活性影響因子；

表2 構(gòu)件損傷參數(shù)評(píng)定等級(jí)

C——維護(hù)水平影響因子。

影響因子含義解釋與取值詳見下表。

①工業(yè)化影響因子A由建筑裝配率、信息化水平兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評(píng)估方式，取值如表3：

表3 工業(yè)化指標(biāo)

②空間靈活性影響因子B 由內(nèi)墻預(yù)制率、節(jié)點(diǎn)靈活性兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評(píng)估方式，取值如表4：

表4 空間靈活性指標(biāo)

③維護(hù)水平影響因子C 由支配從屬關(guān)系、系統(tǒng)可達(dá)性兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評(píng)估方式，取值如表5：

表5 維護(hù)水平指標(biāo)

2.3 工程實(shí)例應(yīng)用

本文以某裝配式住宅建筑為例，建筑物按照70 年設(shè)計(jì)周期，于2014 年竣工。整體裝配率為55%，內(nèi)墻預(yù)制率為92%，采用BIM和智能化技術(shù)，節(jié)點(diǎn)采用開放性線連接多重平行組裝的施工順序，通過對(duì)各主要構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定建筑損壞系數(shù)S為0.281。

由上述條件，通過計(jì)算可得：建筑折舊率0.01，由上式得Lr= 59.9 年；裝配式影響系數(shù)由上式可得P= 1.18，由此可得此裝配式住宅的剩余使用壽命Ls= 70.7 年。此預(yù)估結(jié)果與建筑的設(shè)計(jì)使用年限相吻合，由于裝配式建筑特有的“百年住宅”屬性，其壽命更加接近百年住宅的實(shí)際使用壽命。

3 延長(zhǎng)裝配式建筑壽命措施

⑴以百年建筑理念為核心，采用靈活可變空間布局，提高裝配式建筑的功能適用性。一般性的空間改造，通過內(nèi)部隔墻的重新排布，對(duì)原有空間重新分割，以滿足使用者不同時(shí)代背景下的功能需求。創(chuàng)造性功能改造，對(duì)于公共建筑可利用原有建筑結(jié)構(gòu)主體，通過改變建筑的使用性質(zhì)，發(fā)掘建筑的剩余價(jià)值[14]。

⑵推進(jìn)SI 體系在裝配式建筑領(lǐng)域的使用，增強(qiáng)建筑的可維修可保養(yǎng)性。裝配式概念不應(yīng)僅停留在主體構(gòu)件上，管線分離技術(shù)、內(nèi)隔墻一體化技術(shù)以及外墻非砌筑技術(shù)，不僅能優(yōu)化管道布置減少主體結(jié)構(gòu)二次損傷，而且提高了構(gòu)件維修可操作性，降低了后期運(yùn)維難度。

4 結(jié)論

本文通過我國(guó)短命建筑的現(xiàn)實(shí)，研究分析了影響裝配式建筑壽命的主要因素，并基于概率可靠度與因子分析法，提出了裝配式建筑剩余壽命的修正模型。根據(jù)百年建筑的核心理念，提出延長(zhǎng)裝配式建筑壽命的建議措施。本文模型仍需更多項(xiàng)目數(shù)據(jù)驗(yàn)證及修正，以給裝配式建筑壽命研究領(lǐng)域提供更多理論支持。