張 林 周文杰 冀 誠 申張鵬 馬志楊 李浩淼 梁存君

(1.中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161； 2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

1 概述

隨著以傳統(tǒng)施工方式為基礎(chǔ)的建筑在環(huán)境、施工效率及社會經(jīng)濟等方面的問題逐漸顯現(xiàn)，如施工現(xiàn)場濕作業(yè)量大、工期長及污染環(huán)境等，而以“搭積木”方式的PC(Prefabricated Construction)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)因其工廠預(yù)制效率大、工期短及污染程度低等優(yōu)勢在國際上的作用愈受重視。裝配式建筑是指在工廠中完成部分或全部構(gòu)件、部件及設(shè)備的生產(chǎn)，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行吊裝施工的結(jié)構(gòu)類建筑，其與現(xiàn)澆混凝土建筑的對比見表1。由表1可以看出，裝配式混凝土建筑相比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有降低人工需求、增加效益、綠色施工等優(yōu)點。然而，在完成主體結(jié)構(gòu)后進行裝修設(shè)計時，仍舊存在現(xiàn)場濕作業(yè)量大、施工工序復(fù)雜及管線等施工材料混亂等現(xiàn)象，不僅滯后了建筑工業(yè)化的發(fā)展，也降低了人們對裝配式建筑的接受度。因此，作為實現(xiàn)裝配式建筑工業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，裝配式—裝修一體化建造技術(shù)正逐步興起。此外，數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展對建筑行業(yè)的科技化與信息化產(chǎn)生了很大的影響。

本文以裝配式住宅為基礎(chǔ)，從國內(nèi)外裝配式—裝修一體化建造技術(shù)及BIM信息化方面闡述了裝配式建筑體系的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，總結(jié)了目前該體系研究與實踐中需要解決的焦點問題，對未來的研究方向和趨勢作了初步的判斷。

表1 裝配式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)對比

2 裝修建造一體化裝配式建筑

2.1 國內(nèi)外裝配式建筑技術(shù)特征

裝配式建筑在日本、美國、德國等國家較為普遍，無論是裝配式建筑設(shè)計理論還是裝配式構(gòu)件設(shè)計、施工等都比國內(nèi)成熟。國外裝配式建筑應(yīng)用情況見表2。

表2 國外裝配式建筑應(yīng)用概況[1,2]

2.1.1美國裝配式建筑特征

由于美國幅員遼闊，僅有部分地區(qū)位于地震帶，各地區(qū)的抗震烈度不等，因此在美國，預(yù)制混凝土裝配式和鋼結(jié)構(gòu)裝配式主要應(yīng)用于大型城市的住宅[3]，而木結(jié)構(gòu)與輕鋼結(jié)構(gòu)則在小城市更為普及[4]。這種建造方式不僅降低了工程成本，還擴大了構(gòu)件的可應(yīng)用范圍，大大降低了施工難度。此外，美國裝配式結(jié)構(gòu)強調(diào)結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性，其預(yù)制構(gòu)件的受力鋼筋僅在柱底與基礎(chǔ)部位進行連接，其連接方式主要通過波紋管進行間接搭接。作為北美預(yù)制建筑的兩大體系，建筑預(yù)制外墻體系和結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件體系的相似之處是結(jié)合了規(guī)?；皖A(yù)應(yīng)力，不僅優(yōu)化了建筑結(jié)構(gòu)，還提高了經(jīng)濟效益。

2.1.2日本裝配式建筑特征

相比美國預(yù)制構(gòu)件連接方式以鉸接為主的框架，由于日本地處地震頻發(fā)區(qū)，其預(yù)制構(gòu)件主要通過剛接方式來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能。日本建筑的主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化的核心為鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)，以及預(yù)制裝配式混凝土PC結(jié)構(gòu)[3]。其中，PC結(jié)構(gòu)主要包括四種結(jié)構(gòu)體系，即鋼混合結(jié)構(gòu)、墻板結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架—墻板結(jié)構(gòu)。其中，日本裝配式建筑大量采用的結(jié)構(gòu)體系為RPC體系。RC結(jié)構(gòu)的墻板與主體連接方式為柔性連接，這提高了框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時RC結(jié)構(gòu)具有延性好、結(jié)構(gòu)受力明確、計算簡單等優(yōu)點，所以能夠適用于高層甚至超高層建筑。日本裝配式建筑強調(diào)預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合以及節(jié)點采用濕式連接來保障結(jié)構(gòu)的整體性。因為多次震害事故，日本的裝配式建筑多強調(diào)“抗震、隔震”等思想，例如，超高層建筑(60 m以上)必須以“隔震減震”為前提。因此，日本與歐美國家的國情和地理位置的不同，造成其建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)特征存在很大的差異。

2.1.3中國裝配式建筑特征

我國裝配式建筑模式受蘇聯(lián)、日本、歐美等國家的影響，形成了一套21世紀“中國模式”[3]。2010年10月出臺的《CSI住宅建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)的通知》指明了住宅建筑體系發(fā)展的新方向，即將支撐體與填充體兩大部分分開。由于我國國土面積大，地形復(fù)雜，地震高頻區(qū)與低頻區(qū)均有涉及。因此，在技術(shù)層面上與日本相同的是，預(yù)制構(gòu)件通過剛接進行連接，節(jié)點主要以濕式連接，預(yù)制構(gòu)件的受力鋼筋同樣是通過套筒灌漿連接，且大多為預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合。不同的是，由于日本對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及節(jié)點的抗震要求較高，因此在預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對關(guān)鍵節(jié)點使用“斜向鋼結(jié)構(gòu)”進行拉接或者“一維與多維”構(gòu)件相結(jié)合的方式以提高節(jié)點剛度，而我國提高關(guān)鍵節(jié)點的剛度的處理方式主要是在節(jié)點現(xiàn)澆等方式。我國中高層裝配式住宅主要以預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)為主，墻板結(jié)構(gòu)作為豎向承重與橫向承重構(gòu)件，側(cè)向剛度大。然而，由于墻板空間需要開洞等要求，使構(gòu)件預(yù)制工序復(fù)雜，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化較為困難。

2.2 裝配式裝修一體化

進入新時代，人們對居住環(huán)境提出了更高的要求，傳統(tǒng)裝修施工方式已然不能滿足人類社會的需求。傳統(tǒng)裝修施工存在如下缺點[5,6]：

1)浪費資源。傳統(tǒng)室內(nèi)裝修施工會對毛坯房進行改造，在這個過程中會產(chǎn)生大量可回收的建筑垃圾。據(jù)統(tǒng)計，毛坯房裝修導(dǎo)致的資源浪費全國每年可達到3 400萬t。

2)環(huán)境污染大。傳統(tǒng)裝修的周期長，產(chǎn)生的建筑及生活垃圾較多，而且還會造成巨大的噪聲污染。

3)質(zhì)量把控不過關(guān)。傳統(tǒng)裝修公司為了追求高收益，會采用質(zhì)量較差的材料，以及在裝修過程中對建筑物結(jié)構(gòu)功能的改造都會降低住戶的居住體驗，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。

4)裝修工藝復(fù)雜。在傳統(tǒng)裝修過程中設(shè)計與施工分離、施工工序繁雜，施工時的管線等材料擺放無序。此外，傳統(tǒng)裝修施工存在大量濕作業(yè)，這點與裝配式建筑“快速、綠色、高效”的理念相背離。

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，裝配式裝修一體化技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。裝配式裝修，也稱“工業(yè)化裝修”，是將工廠預(yù)制生產(chǎn)的構(gòu)件、部件通過一定的連接方式將部品集成，繼而運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場由施工人員按照標(biāo)準(zhǔn)化程序采用干作業(yè)方式進行施工的裝修過程。裝配式裝修一體化建造技術(shù)不僅現(xiàn)場作業(yè)量小、對環(huán)境更為友好及避免浪費材料，而且推動了建筑工業(yè)化的進程，更好地為人們所接受。裝配式內(nèi)裝修體系主要涉及七大部位，即隔墻、天花板、地坪、廚衛(wèi)、部品、裝飾、設(shè)備管線[7]。由于裝配式裝修能避免傳統(tǒng)裝修施工所帶來的種種弊端，因而成為全裝修住宅發(fā)展的最優(yōu)選擇。同時，國家政府自2015年來出臺了大量政策、標(biāo)準(zhǔn)，大力支持并要求將裝配式建筑落實到民用建筑中，尤其是裝配式裝修一體化(即“全裝修”)的理念。在2015年出臺的《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》中已明確指出，到2015年時，裝配式建筑所占比例須達到新建建筑的50%以上。在2016年出臺的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑指導(dǎo)意見》中再次提出，力爭用10年的時間使裝配式建筑總面積能夠達到新建面積的30%[8]。由此可見，國家有關(guān)部門對裝配式建筑發(fā)展的重視。

對于日本、美國、德國、瑞典等裝配式建筑技術(shù)較為成熟的國家，其裝修建造技術(shù)也逐漸完善，并不斷實現(xiàn)建筑工業(yè)化大背景下裝配式建筑裝修部品的集成：構(gòu)件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、模數(shù)化及現(xiàn)場干式施工等，其中以日本與美國體系較為成熟。

美國住宅建筑市場經(jīng)過二戰(zhàn)、工業(yè)革命之后發(fā)展體系更為完善。其住宅裝配式構(gòu)件、部品等已基本實現(xiàn)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與商品化，內(nèi)部裝修飾品包括廚衛(wèi)設(shè)備及其配件與門窗等成套系列齊全，部品成套性與集成化程度高，建筑工業(yè)化基本實現(xiàn)100%[9]。裝配式建筑因其工廠預(yù)制構(gòu)件技術(shù)，不可避免地會出現(xiàn)建筑風(fēng)格較為單一不能滿足用戶需求等現(xiàn)象。而美國住宅更為注重人性化與個性化，實現(xiàn)了住宅等裝配式建筑的多樣化?；趦?nèi)部設(shè)備、飾品的成套技術(shù)，用戶可根據(jù)個人需求在建材市場上任意組合和選購不同配套。

日本建筑一般為精裝交付，在精裝修階段主要采用SI體系，即內(nèi)裝工業(yè)化體系(Skeleton-Infill building system)，多使用集成化內(nèi)裝部品，因此對建筑結(jié)構(gòu)的梁、柱影響較小。日本住宅體系主要是通過改善住宅內(nèi)部設(shè)備性能，合理布置管道及管線走向等延長住宅建筑的壽命。工業(yè)化住宅主要表現(xiàn)為：結(jié)合復(fù)合一體化墻體和預(yù)制樓板，現(xiàn)場裝配結(jié)構(gòu)，然后將預(yù)制整體式廚衛(wèi)設(shè)備等同時吊裝安裝于結(jié)構(gòu)中。目前，日本裝配式建筑已經(jīng)將各類建筑(包括住宅)構(gòu)件、部件、部品等實現(xiàn)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)格化生產(chǎn)，在現(xiàn)場裝配施工時，建筑主體與部品設(shè)備安裝效率較高。在建筑工業(yè)化的背景下，日本裝配式裝修一體化住宅達到了綠色、高效、舒適及個性化的效果。

相比國外裝配式裝修一體化進程，我國裝修一體化發(fā)展較為緩慢。結(jié)合我國國情，吸取國外經(jīng)驗，我國裝修一體化也取得了一定的發(fā)展。2012年，中日兩國簽訂《中日住宅示范項目建筑合作意向書》，開始了建筑領(lǐng)域內(nèi)基于SI體系的合作。基于日本SI體系，形成了我國目前裝配式住宅大多采用的CSI體系(China Skeleton-Infill building system)，從預(yù)制外部構(gòu)件、內(nèi)部構(gòu)件到內(nèi)部設(shè)備集成等均實現(xiàn)了建筑工業(yè)化。CSI建筑體系采用支撐體部分和填充體部分相互分離的建筑理論、集成方法和設(shè)計建造體系[10]。CSI體系主要包括：分離化機電設(shè)備系統(tǒng)、集成化部品系統(tǒng)、模塊化部品系統(tǒng)。我國CSI體系主要具有以下特征[11]：

1)支撐體部分與填充體基本分離；2)擁有完善的住宅管理計劃；3)主要居室布局可變更性；4)部品群通過耐久年限和權(quán)屬關(guān)系區(qū)別開；5)部品模數(shù)化、集成化；6)套內(nèi)接口標(biāo)準(zhǔn)化；7)衛(wèi)生間排水管道布局合理。

CSI體系作為新型裝配式技術(shù)的體現(xiàn)，在建筑性能、產(chǎn)品質(zhì)量等具有明顯的優(yōu)勢。我國傳統(tǒng)建筑廚衛(wèi)間水電管線的布置大多通過樓板進入室內(nèi)上下層，空間布置混亂、隱蔽工程安全隱患較多，CSI體系通過“架空技術(shù)”架設(shè)地板，從而實現(xiàn)同層排水方式，在不影響鄰居日常生活前提下，使管線的安裝與維修更為方便。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，裝配式內(nèi)部部件性能將會進一步提升，并能根據(jù)用戶需求實現(xiàn)個性化與多樣化目標(biāo)[12]。

2.3 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑

信息技術(shù)的不斷智能化與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，正不斷給予裝配式建筑市場以新興力量。2003年我國正式引進BIM技術(shù)，即建筑信息模型(Building Information Modeling，又稱建筑信息模擬)[13]。隨著BIM技術(shù)的不斷成熟與普及，其在建筑行業(yè)的地位也日益明顯。在建筑全周期階段，均有BIM技術(shù)的參與。從建筑設(shè)計階段到建筑施工管理，不論是復(fù)雜構(gòu)件或節(jié)點的設(shè)計與處理還是試驗檢測，以及現(xiàn)場施工場地的布置等多方面，BIM技術(shù)為裝配式建筑提供了技術(shù)支持，實現(xiàn)了對裝配式建筑全壽命周期的追蹤[14]。傳統(tǒng)建筑以及裝配式建筑在設(shè)計施工過程中，由于缺乏協(xié)同管理系統(tǒng)來綜合考慮部品在整個設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、施工安裝以及后期維修等具體細節(jié)，使得構(gòu)件在建筑全周期出現(xiàn)構(gòu)件安裝不匹配、場地布置不合理，各領(lǐng)域信息水平低等問題，嚴重阻礙了施工計劃的完成?；贐IM技術(shù)的新型裝配式建筑，通過協(xié)同平臺下建筑各階段具體施工計劃與方案，建立各方協(xié)同的計劃模型，統(tǒng)一管理，解決建筑中各領(lǐng)域溝通較為困難、不及時的問題，并實現(xiàn)全壽命周期各階段的追蹤，保證施工計劃的順利實施[15,16]。

3 當(dāng)前存在的問題

本文從目前國內(nèi)外裝配式建筑技術(shù)特征、裝配式—裝修一體化以及基于BIM技術(shù)的裝配式建筑三方面闡述了裝配式建筑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展形態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著理論與技術(shù)的不斷成熟，以工業(yè)化生產(chǎn)為特征的裝配式建造體系持續(xù)更新發(fā)展，充分結(jié)合理論與實際，各國結(jié)合本國國情發(fā)展出了不同的裝配式建筑體系。此外，基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的裝配式建筑構(gòu)件及部品更加工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化與信息化，同時實現(xiàn)了建筑項目全壽命周期的實時跟蹤。與傳統(tǒng)建筑及其裝修相比，裝配式建筑與裝修一體化建造技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)化、空間利用率高及施工流程體系化等效果，然而這種模塊化的裝修方式也存在不可避免的缺點，在推行不斷發(fā)展裝配式裝修一體化建造技術(shù)的進程中，仍存在許多亟待解決的問題：

1)裝配式建筑及其一體化裝修推行力度不夠，人們接受度不高，預(yù)制構(gòu)件及配件標(biāo)準(zhǔn)化不能滿足用戶個性化需求；從開發(fā)商與購房用戶角度考慮，裝配式裝修一體化建筑總成本高，以及對裝配式建筑質(zhì)量要求仍持有懷疑態(tài)度。應(yīng)加大對裝配式建筑及裝修建造技術(shù)的推廣，工業(yè)化建筑不僅應(yīng)實現(xiàn)構(gòu)件工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，更應(yīng)結(jié)合用戶需求個性化設(shè)計，使產(chǎn)品多樣化[17]。此外，加強國內(nèi)裝配式剪力墻、鋼筋豎向連接、夾心墻板連接件兩個核心技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，從構(gòu)件及節(jié)點的受力機理與性能要求、施工控制與質(zhì)量驗收等方面加強管理[18]，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進一步研究新型技術(shù)體系與技術(shù)處理方式，更好的適應(yīng)社會建筑業(yè)的發(fā)展。

2)日本及歐美等國家的裝配式裝修技術(shù)之所以已有較完善的體系，相關(guān)集成部品與配套技術(shù)發(fā)展相對成熟，很大程度上得益于國家政府制定的相關(guān)實質(zhì)性政策、標(biāo)準(zhǔn)及范本等。而我國在此方面仍有欠缺，在整個建筑工程設(shè)計施工過程中產(chǎn)品質(zhì)量問題、施工質(zhì)量問題及產(chǎn)權(quán)問題等層出不窮。在國家大力推行發(fā)展裝配式建筑的社會背景下，各地應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、文化等社會現(xiàn)狀，出臺有關(guān)政策，促進建筑產(chǎn)業(yè)的示范工程建設(shè)。

3)由于裝配式裝修工程中相關(guān)部件及配件工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)格化程度較低，同時部品集成技術(shù)與成套技術(shù)尚不完善，因此整體裝配化專業(yè)化程度較低，不能更好地滿足用戶裝修品質(zhì)的需求。在滿足功能性設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對不同類別的設(shè)計需求，通過給客戶留有一定的設(shè)計空間，實現(xiàn)裝修內(nèi)部部件多樣性視覺效果。

4)目前BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用仍處于初步階段，且大多為設(shè)計單位使用，而建筑業(yè)其余領(lǐng)域涉及較小。在進行裝配式裝修時，應(yīng)結(jié)合BIM技術(shù)的三維建模及可視化優(yōu)勢，應(yīng)用BIM技術(shù)進行水電管線及管道的安裝等建筑業(yè)多領(lǐng)域的施工進程[19，20]，實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、直觀的施工過程，減少構(gòu)件不合理的風(fēng)險，實現(xiàn)工程全壽命周期的可控制性。

4 結(jié)語

在不斷推行建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化、現(xiàn)代化的時代條件下，裝配式建筑體系是一種新型的具有工業(yè)化特色的建筑體系，實現(xiàn)了建筑方式由傳統(tǒng)的現(xiàn)場建造轉(zhuǎn)變?yōu)楣S標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的建筑方式。作為我國一直倡導(dǎo)的建筑發(fā)展理念，裝配式建筑包括規(guī)范化設(shè)計、工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配式安裝、一體化全裝修和信息化管理等方面。而我國目前仍處于裝配式建筑及其一體化裝修建造方式的初級階段，需要不斷完善相關(guān)理論研究、鼓勵政策推行及提升產(chǎn)品質(zhì)量等，才能使裝配式建筑體系更為完善與成熟，實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的目標(biāo)。