裝配式建筑系統(tǒng)集成技術(shù)與設(shè)計方法

摘" 要：隨著國家裝配式建筑的創(chuàng)新與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)發(fā)布實施，我國裝配式建筑發(fā)展迅猛、成果喜人且成為趨勢。該文通過分析裝配式建筑系統(tǒng)集成與設(shè)計營造方式，得出裝配式建筑適用于我國建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展理念。同時，廣大建筑師在建筑設(shè)計實踐中，應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計思維，為推動我國建設(shè)供給模式轉(zhuǎn)變、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境提升作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：裝配式;建筑;系統(tǒng)集成;科技;創(chuàng)新

中圖分類號：TU29" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0193-04

Abstract： With the innovation of national prefabricated buildings and the release and implementation of technical standards， prefabricated buildings in China have developed rapidly， achieved gratifying results and become a trend. Through the analysis of the system integration and design and construction of prefabricated buildings， this paper concludes that prefabricated buildings are suitable for the development of China's construction industry and the concept of environmental sustainability. In the practice of architectural design， the majority of architects should innovate their design thinking and contribute to the transformation of China's construction supply mode and the promotion of social economy， resources and environment.

Keywords： assembly; architecture; system integration; science and technology; innovation

裝配式體系因為施工效率高、控制成本、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢成為我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的方向。裝配式建筑模型的推廣和應(yīng)用提升產(chǎn)品效益，實現(xiàn)信息化管理。我國裝配式體系一度技術(shù)停滯，經(jīng)歷30余年斷檔期，現(xiàn)有技術(shù)研究主要學(xué)習(xí)國外發(fā)展經(jīng)驗。裝配式體系的核心是“集成”，契合裝配式體系發(fā)展需要，當(dāng)下對基于BIM技術(shù)的裝配式建筑體系研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1" 建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化背景下的裝配式建筑

廣義的裝配式建筑技術(shù)含義：第一，現(xiàn)場砌筑方式變革為預(yù)制工廠加工分散建筑節(jié)點構(gòu)件后，將成品或半成品構(gòu)件運輸至施工現(xiàn)場安裝固定的方式[1]。第二，將建筑分解為多個系統(tǒng)，如幕墻系統(tǒng)、樓地面系統(tǒng)、外墻系統(tǒng)等，系統(tǒng)在廠家完成制作和部分安裝后在現(xiàn)場組合成為一體的集成系統(tǒng)[2]。

2" 裝配式體系與BIM技術(shù)的應(yīng)用及實例

裝配式體系的終極目標(biāo)是綠色低碳建筑，強(qiáng)調(diào)建筑工程體系在全生命周期的運營。具體應(yīng)用流程：設(shè)計階段應(yīng)用BIM智能系統(tǒng)創(chuàng)建各專業(yè)的模型，通過BIM軟件快捷高效地分析各構(gòu)件單元，并對各部件之間進(jìn)行碰撞檢查，排除各單元部件之間的相互負(fù)面作用。將模數(shù)規(guī)則科學(xué)設(shè)定，將建筑構(gòu)件節(jié)點制作成預(yù)制部件并精密入庫形成預(yù)制構(gòu)件庫。生產(chǎn)階段，通過完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和變革生產(chǎn)方式將數(shù)字化信息技術(shù)與智能化裝配式系統(tǒng)融合，滿足生產(chǎn)需要，提升安裝效率。比起傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑方式，裝配式體系更加精準(zhǔn)、統(tǒng)一、便捷且高效，是建筑工業(yè)化中最重要的一個環(huán)節(jié)。

以成都地區(qū)2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，成都市有320個項目報建為裝配式建筑，其中17%的項目應(yīng)用BIM技術(shù)完成。在設(shè)計、施工、營運全程應(yīng)用的項目數(shù)達(dá)到37個，占比69%;單階段應(yīng)用的項目為17個。從投資性質(zhì)來看，政府投資11個，投資總額50億元，國有企業(yè)投資17個，投資總額590億元，其他社會投資26個，投資總額391億元。從項目類型來看，成都報建的裝配式項目涵蓋公共建筑、居住建筑、工業(yè)建筑。目前，這些項目各項工作正穩(wěn)步推進(jìn)，形成了一系列可推廣的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，為成都市BIM技術(shù)應(yīng)用示范推廣起到積極作用。應(yīng)用BIM平臺對建筑供應(yīng)鏈進(jìn)行敏捷化改造、與新科技成果結(jié)合進(jìn)行智能化應(yīng)用、節(jié)能環(huán)保建筑材料的研發(fā)創(chuàng)新和智慧城市建設(shè)等。BIM技術(shù)應(yīng)用和推廣的過程中，遇到了三方面的問題，制約著該技術(shù)的發(fā)展，具體表現(xiàn)為①政策層面：缺少與BIM技術(shù)應(yīng)用模式相對應(yīng)的政策管理規(guī)則和流程。政府主管部門需要協(xié)同使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并與電子審圖、規(guī)劃報批環(huán)節(jié)流程相協(xié)調(diào)。②組織層面：管理上還未真正實現(xiàn)基于BIM的協(xié)同，形成有效的管理制度和溝通協(xié)同機(jī)制;BIM專業(yè)技術(shù)人才尤其是一線工程技術(shù)人員較缺乏。③技術(shù)層面：BIM還未能與項目設(shè)計施工真正融合，審圖、施工環(huán)節(jié)仍使用藍(lán)圖;模型在項目不同階段的數(shù)據(jù)傳遞壁壘，導(dǎo)致重復(fù)建模、溝通障礙等問題;軟件的本土化和數(shù)據(jù)接口問題、不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與共享問題等;BIM應(yīng)用深度不足，如設(shè)備材料管理、質(zhì)量與安全管理的具體應(yīng)用方式。在我國，裝配式技術(shù)和BIM技術(shù)應(yīng)用都處于初級階段。除參考國外BIM技術(shù)的應(yīng)用和實踐、裝配式建筑的發(fā)展經(jīng)驗之外，發(fā)展裝配式建筑更應(yīng)立足現(xiàn)階段我國國情，遵循行業(yè)自身發(fā)展規(guī)律，切忌盲目推進(jìn)。

3" 新型生產(chǎn)建造方式與裝配式建筑

我國裝配式建筑采用最新的材料工藝，日漸實現(xiàn)預(yù)制部件的廣泛適用性和科學(xué)規(guī)范性生產(chǎn)、監(jiān)控。從其建筑全壽命期的可持續(xù)性來看，標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、信息化和一體化的運營方式可以從根本上更新營造方法，實現(xiàn)協(xié)同化的設(shè)計、生產(chǎn)、營造和監(jiān)管全科學(xué)體系[3]。

3.1" 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化施工是裝配式建筑高效應(yīng)用的根本，是提高裝配式建筑生產(chǎn)質(zhì)量，效率與效益的重要手段，是建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工和管理之間生產(chǎn)協(xié)同的橋梁。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)，裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法能更好地實現(xiàn)建筑生產(chǎn)的專業(yè)化、協(xié)作化和集約化，體現(xiàn)出工業(yè)化建造的優(yōu)勢。采用工廠化生產(chǎn)部品是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的關(guān)鍵，有利于提高生產(chǎn)速度和勞動效率，從而降低造價形成可滿足其多樣化要求的系列化建筑產(chǎn)品。

3.2" 工廠化生產(chǎn)方式

我國裝配式建筑生產(chǎn)的新型工業(yè)化建造方式的明顯標(biāo)志就是部品部件的工廠化制造，建造活動由工地現(xiàn)場向工廠轉(zhuǎn)移。工廠化制造是整個建筑生產(chǎn)建造過程的一個環(huán)節(jié)， 需要在該過程中與上下游的建造環(huán)節(jié)相聯(lián)系，進(jìn)行有計劃的生產(chǎn)、協(xié)同作業(yè)[4]。裝配式建筑的特征之一就是專業(yè)分工與相互協(xié)同， 在整體系統(tǒng)中批量化、工廠化的生產(chǎn)環(huán)節(jié)與現(xiàn)場建造環(huán)節(jié)在技術(shù)與管理上需要進(jìn)行深度協(xié)同和融合?，F(xiàn)場手工作業(yè)通過工廠加工來代替，減少制造生產(chǎn)的時間、節(jié)省資源。工業(yè)化加工作業(yè)相對于人工作業(yè)而言，避免了人工技能差異而導(dǎo)致的作業(yè)精度和質(zhì)量的不穩(wěn)定，從而實現(xiàn)精度精準(zhǔn)與制造品質(zhì)的提高，改變了現(xiàn)有的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)方式，體現(xiàn)出工業(yè)化建造的特征。

3.3" 裝配化施工方式

在裝配式建筑生產(chǎn)的新型工業(yè)化建造方式中，裝配化施工是指將在工廠中制作完成的預(yù)制部件運輸至施工場地，采用預(yù)制成品構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工作業(yè)方法。預(yù)制構(gòu)件可以減少用工需求，降低勞動強(qiáng)度。裝配化建造方式可以將鋼筋下料制作、構(gòu)配件生產(chǎn)等大量工作在工廠完成，減少現(xiàn)場的施工工作量，極大地減少了現(xiàn)場用工的人工需求，降低現(xiàn)場的勞動強(qiáng)度，適用于我國未來轉(zhuǎn)型升級的趨勢和人工紅利淡出的客觀要求。裝配化施工能夠減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減少材料浪費。裝配化建造方式在一定程度上減少了現(xiàn)場的作業(yè)，減少了施工用水、材料浪費等，實現(xiàn)了資源節(jié)省。裝配化施工減少了現(xiàn)場揚(yáng)塵、噪聲和環(huán)境污染。裝配化建造方式通過機(jī)械化方式進(jìn)行裝配，減少了現(xiàn)場傳統(tǒng)建造方式所產(chǎn)生的揚(yáng)塵。同時，降低了混凝土泵送噪聲和機(jī)械噪聲等，降低了對環(huán)境的污染[5]。裝配化施工能夠提高工程質(zhì)量和效率，通過大量的構(gòu)配件工廠化、精細(xì)化生產(chǎn)實現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)的提升，結(jié)合現(xiàn)場機(jī)械化、工序化的建造方式，實現(xiàn)了裝配式建造工程整體質(zhì)量和效率提升[6]。

3.4" 一體化裝修方式

新型工業(yè)化建造方式的一體化裝修，通過主體結(jié)構(gòu)與裝修一體化建造，實現(xiàn)建筑裝修環(huán)節(jié)的一體化、裝配化和集約化，才能讓使用者感受到品質(zhì)的提升和功能的完善。通過工廠化生產(chǎn)，減少原材料的浪費，將部品部件標(biāo)準(zhǔn)化與批量化，降低制造成本。信息化管理以裝配式建筑生產(chǎn)的新型工業(yè)化建造方式，以建筑信息數(shù)據(jù)匯總為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析得出便捷施工生產(chǎn)所需的裝配數(shù)量信息，以及信息數(shù)據(jù)傳遞和共享[7]。

3.5" 信息化管理方式

裝配式建筑生產(chǎn)的信息化管理指的是以科技信息一體化作為設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在整個方案規(guī)劃、產(chǎn)品生產(chǎn)、構(gòu)件運輸、現(xiàn)場組合的過程中實現(xiàn)協(xié)同化管理。裝配式建筑將各單元集成串聯(lián)成為一體，服務(wù)于設(shè)計、建設(shè)、運維直至拆除的項目全壽命周期。在建設(shè)全過程中，精確掌握施工進(jìn)程，以縮短工期、降低成本。提高質(zhì)量，既能提升項目的精細(xì)化管理和集約化經(jīng)營，有效地減少和避免資源配置的浪費和施工隱患，又能夠保證工程質(zhì)量安全。BIM平臺作為設(shè)計、施工、運維一體化信息平臺，對裝配式建筑的全過程管理具有重要意義[8]。通過實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，在設(shè)計階段建立并有效利用BIM模型，對各專業(yè)設(shè)計進(jìn)行分析、信息整合、信息碰撞、信息儲存和信息表達(dá)，可實現(xiàn)平臺上的分工協(xié)作和設(shè)計整合。BIM作為信息載體，對裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈的整合，不僅局限于產(chǎn)品子鏈的信息整合，更重要的是實現(xiàn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期過程的協(xié)同[9]。

3.6" 智能化運維方式

智能化、智慧化運維管理系統(tǒng)合理的將資源維護(hù)、人員匹配、市場需求統(tǒng)一考評，提升協(xié)同工作效率，給出最科學(xué)穩(wěn)定高效的方案。形成智能化、智慧化的全生命周期科學(xué)預(yù)制管理方案。裝配式設(shè)計基本概念、建筑設(shè)計與環(huán)境設(shè)計的相互作用、設(shè)計科學(xué)思維及設(shè)計常用方法;建筑設(shè)計的經(jīng)驗、技巧，并詳實介紹了更多角度、維度的思維理念和運作程序;介紹了工程設(shè)計中運用圖示、圖形符號及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果衍生系統(tǒng)思維與綜合思維的構(gòu)架公式和步驟;詳細(xì)介紹了項目前期調(diào)研、環(huán)境考察、立意構(gòu)思、學(xué)習(xí)法規(guī)，最終逐步完善并結(jié)合環(huán)境的全面運作技巧[10]。

4" 裝配式建筑的系統(tǒng)集成

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計體系在建筑產(chǎn)業(yè)一體化背景下蓬勃發(fā)展，通過信息化管理分析，將建筑工業(yè)化劃定為多個品類并生產(chǎn)通用的產(chǎn)品，通過工業(yè)化方式運裝和組成完成的體系，該體系的基礎(chǔ)是建筑支撐體和填充體分離的理論方法。

4.1" 裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

裝配式建筑通用體系是通過構(gòu)架新型的建筑預(yù)制化構(gòu)件，推動建筑設(shè)計及施工的裝配化、預(yù)制化，為裝配式的集成化和建筑設(shè)計科技化帶來巨大推力和發(fā)展空間。裝配式建筑通用體系基于建筑工業(yè)化的生產(chǎn)體系要求，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)策劃設(shè)計、建材生產(chǎn)、部品制造。施工安裝及組織管理等各個環(huán)節(jié)，采用統(tǒng)一的模數(shù)、尺度實現(xiàn)設(shè)計和生產(chǎn)全程的工業(yè)化。裝配式建筑通用體系，指導(dǎo)我國裝配式現(xiàn)代化的設(shè)計、施工工作，協(xié)同推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)鏈的整合和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[11]。

4.2" 裝配式建筑市場化發(fā)展

新型營造構(gòu)件NBP體系具有良好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。裝配化施工以裝配式建筑生產(chǎn)的新型工業(yè)化建造方式為主，將在工廠中制作完成的預(yù)制部件運輸至施工場地，以預(yù)制成品取代支?，F(xiàn)澆技術(shù)，促成產(chǎn)品的安全化、科技化、低碳化。新型建筑體系下的建筑具有耐久性的支撐體及靈活可變的填充體。在建筑使用過程中可以根據(jù)需求進(jìn)行更新，降低對自然環(huán)境的影響，節(jié)省資源和能源，為社會貢獻(xiàn)可以長期存在的品質(zhì)優(yōu)良的建筑。新型建筑體系可以靈活地更新填充體，可以解決我國傳統(tǒng)建造模式中的建筑問題，滿足因時代變化、科技發(fā)展以及生活與工作方式轉(zhuǎn)變所帶來的更新及改造要求[12]。針對支撐體與填充體及其部品部件的研發(fā)，推動新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。新型建筑體系下的建筑通過延長建筑壽命與可持續(xù)的更新改造方式，可以形成建筑文化積淀，使城市風(fēng)貌得以延續(xù)。

4.3" 裝配式建筑多樣化發(fā)展

我國的裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑多樣化發(fā)展，但是多數(shù)的研究成果為裝配式混凝土建筑，這是介于該形式對建筑防火、耐火性能的考慮。裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)因為力學(xué)性能和耐火時間成為多數(shù)新建建筑設(shè)計的選擇[13-14]。裝配式結(jié)構(gòu)主體的連接節(jié)點、接縫技術(shù)及結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)與裝配式建筑的結(jié)合逐漸成為研究熱點?，F(xiàn)階段我國裝配式建筑仍處于如何突破建筑技術(shù)瓶頸、突破關(guān)鍵技術(shù)難題、完善技術(shù)體系的階段。裝配式建筑的發(fā)展無論是在全程產(chǎn)業(yè)鏈條下的產(chǎn)品設(shè)計、科學(xué)調(diào)研、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)機(jī)制及監(jiān)督管理等方面，還是在建筑全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)管理產(chǎn)業(yè)聯(lián)動方面，還需繼續(xù)深入研究[15]。

4.4" 裝配式建筑高精化發(fā)展

裝配式內(nèi)裝部品體系需要遵循標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點、標(biāo)準(zhǔn)化接口通用的原則，并采取節(jié)點通用措施促進(jìn)部品體系的建立。室內(nèi)空間的墻面、吊頂及地面部品是實現(xiàn)內(nèi)裝工業(yè)化主體、內(nèi)裝、管線分離設(shè)計理念的核心內(nèi)容[16]。集成化部品易于控制質(zhì)量，精準(zhǔn)度高，同時采取干法施工，可大幅提高施工效率。

5" 裝配式建筑與設(shè)計方法

建筑生產(chǎn)包括了建筑項目從策劃、設(shè)計到施工的整個過程。裝配式建筑使得建筑物的生產(chǎn)建造方式發(fā)生了巨大的變化，產(chǎn)生這些變化的重要原因是圍繞建設(shè)活動各個方面的工業(yè)化發(fā)展。在裝配式建造的前提下，事先在工廠批量制造的部品部件得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)場濕作業(yè)的環(huán)節(jié)將越來越少，部品部件的制造商將越來越多，其組織規(guī)模逐步擴(kuò)大，對勞動力的需求逐步減少，反之對機(jī)械生產(chǎn)和自動化智能制造的依賴性逐步增強(qiáng)。同時，隨著人們對建筑品質(zhì)要求的日益提升，建筑的整體性能目標(biāo)也隨之逐步提升，必然要求全產(chǎn)業(yè)鏈各個工種、各個工序的工作達(dá)到必要標(biāo)準(zhǔn)。建筑行業(yè)以預(yù)制工廠生產(chǎn)的成品取代支?，F(xiàn)澆技術(shù)，促成產(chǎn)品的安全化、科技化、低碳化和預(yù)制化的生產(chǎn)方式有明顯的優(yōu)勢[17]。精益建造將推動裝配式建筑高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)建筑業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈工業(yè)化。構(gòu)建裝配式建筑精益建造體系應(yīng)成為推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化與新型建筑工業(yè)化的重點方向。在保障施工質(zhì)量的同時，實現(xiàn)建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的科技化和預(yù)制化。精益設(shè)計是世界環(huán)保組織倡導(dǎo)的建筑工業(yè)化模式，該模式提升作業(yè)效率，提高作業(yè)質(zhì)量，將推動我國綠色建筑產(chǎn)業(yè)的低碳化發(fā)展[18]。

6" 結(jié)束語

以建筑工業(yè)裝配式模型為基礎(chǔ)，采用預(yù)制生產(chǎn)、設(shè)計形式實現(xiàn)建筑精細(xì)化、高效化、便捷化的建造方式升級。在建筑設(shè)計過程中，科學(xué)應(yīng)用裝配式建筑系統(tǒng)集成與設(shè)計方法，著力打造我國新型建筑工業(yè)化的建筑體系，從而提高技術(shù)創(chuàng)新能力，攻關(guān)以轉(zhuǎn)變生產(chǎn)建造方式為目的建筑體系與部品集成技術(shù)，突破傳統(tǒng)生產(chǎn)建設(shè)模式，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級換代。

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[18] 鐘詩夢，徐晨起.地標(biāo)性建筑對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響——評《建筑經(jīng)濟(jì)學(xué)》[J].工業(yè)建筑，2020（10）：200.