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装配式模块建筑未来可期

近二十年,我国建筑业发展迅速,产业规模不断扩大,建造技术不断突破。2020年7月3日,住房和城乡建设部、国家发展改革委、科技部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,提出大力发展装配式建筑,推动建立以标准部品为基础的专业化、规模化、信息化生产体系。

 

基于市场和发展的双重需求,装配式模块建筑建设技术获得了越来越多的关注和认可。大部分建筑生产工作从传统的现场作业转变为异地制造生产,实现了建筑业与制造业的初步融合,给未来的建造技术的发展带来了新的转型机遇和创新空间。结合当下装配式模块的发展,中国院国家住宅工程中心主任、国住人居公司总经理娄霓,对装配式模块技术进行了详细的解读。

娄霓

住宅工程中心主任,国住人居公司总经理

 

 

2020年7月3日,住房和城乡建设部、国家发展改革委、科技部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),指出要以大力发展建筑工业化为载体,以数字化、智能化升级为动力,创新突破相关核心技术,加大智能建造在工程建设各环节应用,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。

 

近二十年,我国建筑业发展迅速,产业规模不断扩大,建造技术不断突破,但其每年的科技研发投入占比却处于各领域的末端,生产技术与先进制造业的距离还相差甚远,迫切需要加快推进建筑工业化、数字化、智能化升级,推动建筑业高质量发展。《指导意见》提出,要大力发展装配式建筑,推动建立以标准部品为基础的专业化、规模化、信息化生产体系。推动智能建造和建筑工业化基础共性技术和关键核心技术研发、转移扩散和商业化应用,加快突破部品部件现代工艺制造、智能控制和优化等一批核心技术。

 

▲ 中国院设计的雄安市民服务中心,采用装配式模块技术
 

基于市场和发展的双重需求,装配式模块建筑建设技术获得了越来越多的关注和认可。模块建筑并不是一个新概念,其在国外已有近20年的应用和发展,建成建筑中有的超过百米。大部分的建筑生产工作从传统的现场作业转变为异地制造生产,实现了建筑业与制造业的初步融合,给未来的建造技术的发展带来了新的转型机遇和创新空间。

 

01

 

什么是模块建筑?

 

模块建筑的定义

模块建筑是指采用工厂预制的集成模块在施工现场组合而成的装配式建筑。其中集成模块是指具有建筑使用功能的三维空间集成建筑单元。该建筑单元在工厂预制完成,是由主体结构、楼板、吊顶、设备管线、内装部品组合而成的具有集成功能的三维空间体,并满足各项建筑性能要求和吊装运输的性能要求。

 

▲ 集成模块工厂化制作

▲ 集成模块室内完成效果

 

由于模块建筑建造技术的运用,每个模块从起吊到安装仅需要8-10个技术工作人员,且每个模块都由同一批技术人员安装完成,建筑施工现场所需工人数量较传统施工大幅减少,施工建造质量更加稳定可靠。模块建筑可以实现80%-90%的建筑建造和部品安装工序在工厂完成,在建筑整体质量和工业化程度方面实现了质的飞跃,是一种资源消耗少,环境影响小的建筑体系。

 

▲ 模块建筑现场装配式施工

 

模块建筑的分类

模块建筑的分类方式有很多种。

1)按层数分类,可以分为低层、多层和高层。因为不同的层数对应的模块建筑的制作精度、建筑防火、结构抗震等都有不同的标准,由此带来的设计条件和体系构造也有所不同。

2)按建筑性质分类,可以分为临时建筑和永久建筑。比如一些周转房、营地房等都是临时建筑,这类建筑对建设速度和可拆除再利用等都有更高的需求,非常适合采用模块建筑的建造形式。

3)按模块单元的箱体构造分类,可以分为钢密柱体系、钢框架体系、集装箱体系、钢-木体系、混凝土体系等。目前世界范围内在应用的模块种类非常多,并不是所有模块的箱体都是一样的,有的箱体是由按照一定的间距(比如600mm)排列的钢柱组成墙体,有的是按集装箱的箱体构造演变来的,有的则是采用的框架斜撑的箱体构造,还有的是钢木组合的箱体,甚至有的是采用的混凝土作为箱体的主要结构材料。

4)按模块建筑的结构体系分类,可以分为叠箱体系,箱-框体系,箱-筒(剪力墙)体系,框架-填箱体系等。比如全部采用模块搭接而成的建筑,可以称之为叠箱体系。而由箱体与传统的框架结构、剪力墙、筒体等组合而成的体系,又可以称之为箱-框体系,箱-筒体系等。还有将箱体嵌入到框架中的可以称之为框架-填箱体系。

 

 

模块建筑的特点

1)建筑空间模块化。建筑设计中,可以将建筑物按照模块的特点进行空间模块化的拆分,相比于预制混凝土结构里的预制构件拆分,模块建筑的模块化拆分需要考虑的问题更多,或者说进行建筑一体化和集成化设计的需求更高。在做空间模块化拆分时,不仅要考虑建筑功能,还要考虑设备系统设置、运输条件限值、现场吊装的场地限制、吊装顺序、吊装装置、防水抗渗措施等多种因素。空间模块化在设计中是非常重要的环节,对后期的建造速度、成本节约都有着较大的影响。

2)生产工艺的标准化。模块建筑大部分的构件和部品都是在生产线上生产的,所以工艺的标准化对成本和效率都有较大的影响。同时,因为大部分的主体结构加工、装修和部品安装等都是在流水线上采用工业制造的手段生产出来的,建筑质量的均好性就能得到充分的保证。 

3)建筑施工的装配化。模块建筑的优势就在于速度,因此现场的装配化施工是非常重要的,其中最核心的就是连接。模块建筑的连接涉及两个方面。一个是模块与现场工程之间的连接,因为一般情况模块建筑的地下室和交通核是在现场完成的,所以模块如何与现场的结构体系进行连接,现场的精度如何满足模块的安装精度,这个是需要整体考虑和解决的。另一方面就是模块与模块之间的连接,这个连接的受力性能对结构体系的抗震性能有较大的影响,同时其便捷性与精度要求又对建筑体系的建造速度和建造质量有较大的影响,另外连接构造还需要考虑后期的维修检查的便捷性甚至是可更换、拆除的问题。


▲ 集成模块陆运与海运

 

模块建筑的优势

通过上述内容的介绍,可以总结出模块建筑的优势——质量优、速度快、绿色环保。

1)质量优。因为建筑体系的大部分工序是在工厂完成的,因此质量可以有很好的保证。而且因为在工厂,可以把很多在现场施工难度很大的工作转变成简单的工作流程,比如现场的人工焊接可以变成工厂的机器人焊接,现场的吊顶设备安装可以变成工厂的平面作业等等,既方便了施工,又提高了质量。

2)速度快。在速度方面,因为模块部分可以在工厂与现场施工同步开展制造,将传统的现场交叉作业转变为同步、独立进行,一般情况模块的吊装可以实现1-2天一层的速度。

3)绿色环保。模块建筑在绿色环保方面的优势,不仅仅体现在材料的节约和现场的干净整洁上。由于质量可控,模块建筑可以很容易的实现各种低能耗、密闭性、环保性等绿色性能指标。同时模块建筑还可以实现模块单元的可拆除、异地重建、重复再利用等。


 

模块建筑的国内发展与应用

2008年,中国建筑设计研究院在国内最早开始针对高层模块建筑在国内的应用开展可行性研究以及试验研发工作,并相继与威信广厦模块住宅工业有限公司、中集模块化建筑投资有限公司、上海迅铸建筑科技有限公司等企业合作,已完成镇江港南路公租房项目,雄安市民服务中心企业临时办公区、景德镇圣莫妮卡国际学校、深圳市第三人民医院二期工程应急院区医护人员公寓等项目,并完成《钢骨架集成模块建筑技术规程》(T/CECS 535-2018)、《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》(T/CECS 641-2019)等技术标准的编制工作,进一步促进了模块建筑在国内的应用推广。提到建筑设计与建筑工业化,我们首先需要厘清一个认识,即在建筑工业化的概念基础之上,建筑是否应该被视作一个工业产品。中国正处于工业化和城镇化的高峰期,一方面我们的生活充满工业制品,另一方面我们仍然居住在质量与性能不尽如人意的建筑中。我们在关注建筑形态的时候,极少关注部品间的逻辑关系与系统性能的关联;我们在关注建设成本的时候,极少关注子系统的匹配与全周期的成本关系;我们在关注建设量的时候,极少关注使用效果与精神层面的满足感。而模块建筑由于具有极高的工厂化生产和集成度,使得我们很自然地就可以将建筑视作为产品来思考,来建立与工业制造领域融合的建筑产业逻辑,同时更加深入地挖掘建筑智能制造的可行性与潜力。

 

▲ 镇江港南路公租房项目

 

02

 

由模块建筑设计带来的理念转变与创新

 

建筑的产品概念

提到建筑设计与建筑工业化,我们首先需要厘清一个认识,即在建筑工业化的概念基础之上,建筑是否应该被视作一个工业产品。中国正处于工业化和城镇化的高峰期,一方面我们的生活充满工业制品,另一方面我们仍然居住在质量与性能不尽如人意的建筑中。我们在关注建筑形态的时候,极少关注部品间的逻辑关系与系统性能的关联;我们在关注建设成本的时候,极少关注子系统的匹配与全周期的成本关系;我们在关注建设量的时候,极少关注使用效果与精神层面的满足感。而模块建筑由于具有极高的工厂化生产和集成度,使得我们很自然地就可以将建筑视作为产品来思考,来建立与工业制造领域融合的建筑产业逻辑,同时更加深入地挖掘建筑智能制造的可行性与潜力。

 

▲ 深圳市第三人民医院二期工程应急院区医护人员公寓楼

 

建筑设计的产业统筹作用

在工业设计中,产品设计涵盖了企业形象、用户需求挖掘、用户体验分析、未来流行趋势等几个重要方面,以及制造生产、包装运输、品牌推广等各个环节。汽车设计、服装设计、家具设计都属于工业产品设计。但是作为经济体系中重要的支柱产业的建筑业,其建筑设计与工业设计在理念范畴与工作流程方面却存在较大的差异和距离。

 

现象一:业主主导的建筑设计。有很多建筑行业的产品设计往往是业主主导的,所谓的设计师仅仅是制图者。这样一种状态带来的是一种恶性循环,业主的逐利思维、设计师的能力缺失、实施者的低价中标,无一不使得我们越来越远离产品设计的概念。

 

现象二:设计师的主导能力缺失。现有的市场模式、管理体制、教育体制产生的建筑师,往往在建设过程中缺乏主导权,进而导致在理念确立、技术创新、体系优化、产品升级、成本与性能控制等方面的能力缺失。很多新技术的推进过程中,都缺乏设计师的身影。因此,我们急需在建筑行业建立设计的产业统筹概念,而模块建筑由于其高集成度和工厂化的特点,进一步加速了我们这种思维转型的速度。在建筑设计中,设计师需要建立系统化的顶层设计理念,将建筑看作一个系统工程,考虑实施的逻辑和技术体系的关联;在关注技术体系的同时,尤其重视接口技术实施的可行性,并确保制造理念在设计与管理中贯穿始终;在设计的方案之初,开展产业化技术选型的工作,将产业链条中的设计、制造、施工、运维等环节的技术体系在前期统一进行顶层设计,制定技术方案。良好的系统化思维和顶层设计可以为后期的项目实施节约大量的成本,避免不必要的工作反复带来的资源浪费和时间浪费。

 

▲ 景德镇圣莫妮卡国际学校

 

智能建造的可能

随着技术的发展、市场的需求、以及政策的指引,智能建造已经成为建筑领域开始探索和尝试的热点。智能建造指在建造过程中充分利用智能技术和相关技术,通过应用智能化系统,提高建造过程的智能化水平,减少对人的依赖,达到安全建造的目的,提高建筑的性价比和可靠性。其包含的智能测绘、智能设计,智能施工、智能运维管理等内容也已经在众多企业中开展不同层面的研发创新工作。模块建筑也在此背景下得到更多跨领域从业者和投资者的青睐。模块建筑相比其他建筑体系,具有更高效的制造型生产系统,将在智能建造领域的实践探索中带来更早的实现可能以及更多的创造空间。据国外资料,模块建筑比传统的现场施工系统快20-50%,通过使用模块化库可节省近15%的设计时间。同时,由于大部分的建筑体是在封闭和可控的工厂环境中实现的,使得通过优化建筑体系的构造和工艺来提高生产线自动化水平,进而提高建筑质量降低建造成本,变得更具有可行性。因此,以建筑产业的设计统筹为前提,基于制造业的自动化生产条件,结合智能设计的技术发展与应用,模块建筑在未来的智能建造发展中将发挥更积极的引领作用,给使用者和建设者带来更多的惊喜。

 


发布时间:2020-8-5 0:00:00
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