國際建筑工業化前沿理論動態與技術發展研究＊

文/中國建筑標準設計研究院有限公司 劉東衛

東南大學建筑學院 張 宏

中國建筑標準設計研究院有限公司 伍止超

0 引言

建筑業是我國國民經濟的支柱產業，經過30多年的改革發展，建筑業的建造能力不斷增強，產業規模不斷擴大。截至2016年，全國建筑業總產值達19.35萬億元，建筑業增加值達4.95萬億元，占國內生產總值的6.66%。建筑業還吸納了大量農村轉移勞動力，占農村進城務工人員總數的五分之一以上，并帶動了50多個關聯產業發展，對經濟社會發展、城鄉建設和民生改善作出重要貢獻。但我國建筑行業現狀仍不容樂觀，建筑行業勞動生產率總體偏低，資源與能源消耗嚴重，建筑環境污染問題突出，建筑施工人員素質不高，建筑壽命短，建筑工程質量與安全存在諸多問題，生產方式落后是導致我國建筑行業出現問題的主要原因。建筑業亟需新型建筑工業化的生產建造方式改變目前現狀。而建筑工業化生產方式與傳統建筑生產方式相比有明顯優勢。

2017年2月國務院辦公廳印發《關于促進建筑業持續健康發展的意見》（國辦發〔2017〕19號），這是建筑業改革發展的頂層設計，對推進建筑產業現代化，促進建筑業持續健康發展具有重要意義。推進建筑產業現代化，大力發展建筑工業化是我國未來建筑業發展的重中之重，是我國建筑業節能減排、結構優化、產業升級和重大產業創新的必經之路。“十八大”報告、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》《國家“十二五”科學和技術發展規劃》《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》（國辦發〔2016〕71號）和《“十三五”裝配式建筑行動方案》等共同指出深入發展新型工業化、產業化、信息化、城鎮化等社會可持續發展的國家戰略。為響應國家政策，各地方政府也積極出臺政策文件支持新型建筑工業化發展，推進裝配式建筑建設。建筑產業化的核心是生產工業化。建筑工業化是隨西方工業革命的爆發，從而在建筑領域興起。當代建筑工業化是指通過現代化大工業生產方式代替傳統建筑業中分散、低水平、低效率的生產方式。在工業發達國家，建筑生產工業化程度相當高，而且建筑工業化的前沿理論動態與技術發展研究非常系統，其研究對建筑產業化轉型升級與理念轉變、模式轉型和路徑創新具有極其關鍵的作用。

1 建筑工業化的國外前沿理論動態

1.1 建筑工業化建筑體系論

發達國家注重采用工業化生產的新思路，加緊建筑體系和相關集成技術的研發工作，建筑建設實現從數量到質量階段的劇變。縱觀國外建筑工業化成熟的國家，從國家層面無本推行能夠被行業內認知的建筑通用體系。如日本從20世紀70年代以KEP住宅部品合成設計方式實現靈活可變居住空間、NPS多樣化住宅標準體系建立，到20世紀80年代CHS百年住宅體系形成，逐步構建了住宅工業化建設體系（見圖1）。

20世紀60年代，歐洲住宅逐漸采用建筑設計標準化，建造了一批完整的標準化、系列化建筑住宅體系。法國在20世紀80年代編制《構件邏輯系統》，20世紀90年代又編制了住宅通用軟件G5軟件系統。丹麥是世界上第一個將模數法制化的國家，以發展“產品目錄設計”為中心推動通用體系發展。

圖1 日本住宅工業化體系的發展

1.2 建筑工業化設計建造論

國外預制裝配式混凝土建筑在西歐、北美、澳大利亞應用較為廣泛，研究也較為成熟和深入；在亞洲，日本處于領先地位。近20年來，材料工業發展和加工機具進步使預制裝配式混凝土技術得以持續發展，如高強鋼筋大大改進了預制構件性能，纖維復合筋和環氧涂層鋼筋等可有效提高結構的極限承載力，改善結構耐久性等。

日本住宅全裝修始于20世紀60年代初期，住宅全裝修產業化與住宅產業化同步發展。20世紀70年代，住宅裝修改造、節能建筑技術進一步推廣，日本住宅產業進入成熟時期。設立工業化住宅性能認證制度以保證工業化住宅的質量和功能。20世紀80年代中期，設立優良住宅部品認證制度。到20世紀90年代，開始采用工業化方式生產住宅通用部品，其中1418類部品取得“優良住宅部品認證”。日本所有在售住宅都是全裝修房。

1.3 建筑工業化生產集成論

Lauris Koskela在1992年提出要將制造業的生產原則包括精益生產等應用到建筑業，并于1993年在IGLC（International Group of Lean Construction）大會上首次提出“精益制造”（Lean Construction）概念。通過精益制造理論倡導者10多年的不懈努力，精益制造理論日益豐富，主要應用在建筑生產計劃和控制、建筑產品開發和設計、項目供應鏈管理和工業化預制構件以及開放型工程項目實施中。

在施工工藝與工法方面，發達國家很早就認識到重大工程建設中施工工藝與工法研究的重要性，并在基礎理論與應用技術方面展開研究，利用新穎的施工技術與工藝，順利組織實施了一大批著名工程。

2 建筑工業化建筑體系論與技術

2.1 建筑通用體系

在建筑生產領域，建造建筑整體的體系稱為總體系，局部的體系稱為子體系。不是為特定的建筑，而是任何建筑都可使用的子體系稱為子體系的通用化，將通用化子體系集成構成的總體系稱為通用體系。將子體系通用化的主要目標是抽取多數共通的子體系，使之工業化，各建筑通過選擇子體系，可獲得低造價和多樣化。通用體系對象是所有建筑，但建筑中需求量最大的是住宅，因此首先考慮住宅領域。在住宅工業化發展方面，通用體系是以通用構配件為基礎，進行多樣化房屋組合的一種體系，設計易于實現多樣化，且構配件使用量大，便于組織專業化大批量生產。

2.2 OB+SI建筑體系

OB（Open Building）開放建筑理論被認為是建筑工業化發展的重要理論基礎，是涉及設計理念、體系構建、技術集成等方面的綜合性建筑體系，與建筑相關的科學、技術、經濟和社會等諸多領域相關聯。其獨特性在于以工業化的建造方式解決多樣化的居住需求，即在工業化住宅建設過程中，提倡居住者參與，體現了將理性思維（嚴密的邏輯體系）與感性設計（居住者參與）相協調，活用工業化技術，形成一種開放式建設模式。SI（Skeleton and Infill）建筑體系是日本在OB基礎上，將支撐體和填充體分離體系與集成技術開發應用發展到一個新的層次，對當代建筑工業化發展產生深遠影響。

2.3 建筑標準化體系

標準化是建筑生產工業化的前提條件，包括建筑設計標準化、建筑體系定型化、建筑部品通用化和系列化。建筑標準化就是在設計中按照一定模數標準規范構件和產品，形成標準化、系列化部品，減少設計隨意性，并簡化施工手段，以便于建筑產品能夠進行成批生產。建筑標準化是建筑產業現代化的基礎。

3 建筑工業化設計建造論與技術

3.1 主體工業化

主體工業化包括預制裝配整體式混凝土（PC）結構、鋼結構、鋼筋混凝土組合結構、木（鋼木）結構技術等。主體工業化通常是指主體結構構件采用預制方法，在現場進行裝配式施工。其主要特征為：工廠化批量預制、機械化施工，現場濕作業少，具有施工快、質量好、節省材料和人工的優點。主體工業化建造方式能提供高品質、高耐久、節能環保的建筑成品，解決建筑業長期以來存在的各種壽命與質量問題。由于工廠生產可按照一定的作業流程和嚴格的工藝標準控制產品生產質量，易滿足質量標準要求，現場吊裝和少量節點連接作業可大大降低現場工人工作量和勞動強度，為保證施工質量創造良好條件。

3.2 內裝工業化

內裝工業化主要體現在工業化裝修和內裝部品化2方面。以內裝工業化整合住宅內裝部品體系，住宅部品的集成進一步使住宅生產達到工業化。內裝工業化具有多方面優勢：①部品在工廠制作，現場采用干式作業，可全面保證產品質量和性能；②提高勞動生產率，縮短建設周期，節省大量人工和管理費用，降低住宅生產成本，綜合效益明顯；③采用集成部品裝配化生產，有效解決施工生產誤差和模數接口問題，可推動產業化技術發展與工業化生產和管理；④便于維護，降低后期運營維護難度，為部品全壽命期更新創造可能；⑤節能環保，減少原材料浪費，施工噪聲、粉塵和建筑垃圾等環境污染也大為減少。

在當前我國建筑產業化背景下，建筑部品體系是實現建筑產業化的關鍵，建筑部品標準化是推進建筑產業化的基礎。做好部品標準化建設、實現部品通用化，以及生產、供應的社會化，才能保證建筑工業化的實現。

4 建筑工業化生產集成論與技術

4.1 技術制造精益化

精益制造技術將“精益思想”在建筑業加以改造和應用，徹底消除建筑施工過程中的浪費和不確定性，最大限度滿足顧客要求，從而實現建筑企業利潤最大化。相比制造業，建筑業產品質量和生產率均較低，為適應新型建筑工業化技術發展需要，需要精益制造技術這一新型工程項目管理理論，從工程項目全局出發，對工程項目實施全過程進行科學、系統管理，克服以往項目管理理論存在的缺陷。精益制造是適應于新型建筑工業化生產的創新建造模式。

4.2 生產施工集約化

施工集約化既能使目前已形成的鋼筋混凝土現澆體系的質量安全和效益得到提升，又是推進建筑生產工業化的前提。它在標準化設計和定型化建筑中間投入產品的生產、運輸、安裝，運用機械化、自動化生產方式完成，從而達到降低勞動強度、有效縮短工期的目的。隨著經濟全球化，建筑工業化的生產作業機械化必須將國際化與本土化、專業化進行有機融合，將建筑產品生產過程中各環節通過統一、科學的組織管理加以綜合協調，以項目利益相關者滿意為標志，達到提高投資效益的目的。同時，隨著建筑業科技含量的提高，繁重的體力勞動將逐步減少，復雜的技能型操作工序將大幅增加，對項目管理人員和操作工人的技術能力也提出更高要求。

4.3 全產業鏈集成化

借助于信息技術手段，用整體綜合集成的方法將工程建設的全部過程組織起來，使設計、采購、施工、機械設備和勞動力實現資源配置優化組合，采用工程總承包的組織管理模式，在有限時間內發揮最有效的作用，提高資源利用效率，創造更大的效用價值。要實現對基于BIM的工業化建筑全壽命信息化管理，首先需要進行信息分類存儲。在建筑信息模型（BIM）中，部件部品不僅具有幾何屬性，還具有一些非幾何屬性，如材料的耐火等級、傳熱系數，部件部品造價、采購信息、重量、受力狀況等。部件部品的參數有3D描述參數、空間位置參數、物理量參數、標識參數和材質參數等，以數據庫的形式儲存，可貫穿整個項目周期。建筑空間關系、部件部品信息包括構件的材料供應商信息等，不同的參與方能夠方便地從中提取所需信息。

5 結語

面對資源和環境的挑戰，世界建筑工業化水平較高的國家通過開發適合本國國情的體系，實現建造方式的轉型升級。由于歷史背景的不同，各國的發展道路呈現不同特點：①從簡單追求建設量到注重建筑長遠品質和可持續發展基本理念的頂層設計深入人心；②建筑體系論及其技術推廣發展；③設計建造論及其技術逐漸普及；④生產集成論及其技術全面呈現。

從國際建筑工業化發展歷程看，發展我國建筑產業化需要將基于當代建筑工業化前沿理論的建筑體系論、設計建造論和生產集成論相契合，才能突破建筑工業化發展瓶頸，為建筑產業化轉型升級和住宅工業化建設在更廣闊的范圍內提供有力支撐。以建筑工業化設計建造理念變革和建筑科學技術創新為先導，優化建筑業生產方式和產業結構，從戰略性角度配置建筑產業資源，合理調整和協調產業鏈各環節內容，從而建設符合時代可持續發展與市場需求的高質量建筑。