澳大利亞裝配式建筑發展史及其現狀啟示

任 彧 翁向哲 金 珊

(1.福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001；2.福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001; 3.福州新區開發投資集團有限公司 福建福州 350000)

0 引言

裝配式建筑早在公元17世紀初就開始在澳大利亞應用，不過，一直到近幾十年才真正受到廣泛的關注和發展，如今，2D預制構件已經在澳大利亞基本取代很多地方的現場生產。此外，3D預制模塊在其應用案例也越來越多，成為了目前發展和研究的主要方向?；诖?，本文擬通過對澳大利亞裝配式建筑發展史進行回顧總結，并結合裝配式施工技術在福建省的應用及其進一步發展提供參考。

1 澳大利亞預制裝配式建筑基本定義

建筑部件在工廠預制，運到施工現場進行組裝的建筑體系在澳大利亞工程界稱為預制裝配式 (prefabrication)，也被稱為非現場施工或非現場制造 (off-site construction or off-site manufacture)。澳大利亞預制部件可以分為兩大類，2D預制構件和3D預制模塊。2D預制構件主要為工廠預制的結構和建筑構件，包括預制梁、板、柱和墻等。3D預制模塊主要為模塊化和空間型的結構單元，以及整體式建筑單元，比如整體式廚房和整體式廁所[1]。

2 裝配式建筑在澳大利亞的發展歷程

裝配式建筑在澳大利亞擁有較長的歷史。早在公元17世紀初，歐洲殖民者初次登上澳洲大陸時，預制裝配式技術就得到了應用。由于當時澳洲本土極度缺少熟練技術工人和建筑材料，高品質房屋的部件大部分是在英國本土或英國在亞洲的殖民地進行生產，然后運到澳大利亞進行組裝。位于維多利亞州吉朗的Corio Villa就是其中一個很典型的例子(圖1)。該建筑采用鑄鐵框架作為主體結構，于1854年～1855年間在蘇格蘭建造完成后運往澳大利亞進行組裝，至今仍然保存完好[2]。

圖1 位于維多利亞吉朗的Corio Villa[2]

20世紀初，預制混凝土構件生產技術從歐洲傳入澳大利亞，開始得到應用。1960年左右，隨著預應力混凝土技術和大型起吊設備的廣泛應用，澳大利亞的各主要城市在工程建設領域擴大了預制混凝土構件的使用規模和范圍，包括各種形式的預制樓板、預制外墻板(圖2)以及T字形的預制梁。在其后的幾年期間，2D預制構件的應用規模雖然也曾經歷過較大的起伏，但是，隨著澳洲勞工價格的上升，該構件應用又逐漸占據了澳大利亞建筑市場相當的份額。如今，2D預制構件在多、高層住宅和辦公樓的建設中使用非常普遍，取代了很多地方的現場生產[3]。

圖2 澳大利亞的預制外墻板

除了常見的預制混凝土構件，預制鋼構件和工程木構件的應用也十分廣泛，如：使用預制鋼結構技術建成的悉尼之星(圖3)；使用預制正交膠合木板和層板膠合木建成的墨爾本碼頭圖書館(圖4)[2]。

圖3 悉尼之星

圖4 墨爾本碼頭圖書館

近10來年，隨著BIM 和3D打印技術等新型建筑技術的進步，裝配式建造技術進一步推動了澳大利亞很多創新，除了傳統的2D預制構件外，3D預制模塊在澳大利亞工程界也受到了越來越多的關注，目前已成為澳洲裝配式體系主要的發展方向。3D預制模塊與傳統的2D預制構件相比，具有更高的集成度，整體性更好，施工周期更短。這種裝配式體系通常集合了承重體系、外幕墻以及其他非結構組件(可根據需求預先安裝水電管網系統、浴室或廚房單元等)。不同的預制模塊可以在施工現場同其他模塊或現澆的建筑主體進行水平向或豎向的拼裝[4-5]。

澳大利亞常用的預制模塊(圖5)主要分為兩種類型：(1)承重模塊(Load Bearing Modules)，主要應用于低層房屋，由承重墻傳遞豎向和水平向荷載；(2)角部支撐模塊(Corner Supported Modules)，這種預制模塊具有更可靠的豎向和橫向連接，更有利于側向力的傳遞，更適用于多層和高層的應用[4-5]。

(a)預制承重模塊 (b)預制角部支撐模塊圖5 澳大利亞的預制模塊[4]

2010年建成的墨爾本Little Hero公寓是澳大利亞最早的多層模塊化住宅之一(圖6)。隨著對模塊化建筑的設計細節、適用性和性能方面了解的深入，這種體系在澳大利亞的應用日益廣泛[5-6]。2016年底，133m高、位于墨爾本的La Trobe Tower使用預制模塊完成建設，成為當時澳洲最高的裝配式建筑[2]。另一棟更高的、184m預制模塊建筑Collins House已經于2019年年底完成了主體結構的建設，即將投入正式使用。

圖6 墨爾本Little Hero公寓[5]

目前，傳統2D裝配式建筑以及3D模塊化建筑僅占澳大利亞房屋建筑產業1500億澳幣總產值的5%左右。但在2019年，莫里森政府宣布了一系列刺激性政策來推動裝配式建筑在澳大利亞的發展。其中包括，向澳大利亞先進制造業發展中心投資200萬澳幣來進行裝配式的可行性研究，并建立了一個新的綜合研發中心。該研發中心將集中研發新型裝配式建筑體系，致力于提升澳大利亞裝配式建筑在世界房屋建設產業的地位[2,5]。據預測，到2025年，澳大利亞至少15%房屋將為預制裝配式體系。

3 裝配式技術在澳大利亞應用優勢

裝配式施工技術是澳大利亞建筑行業提升施工和項目效率的八大核心理念之一[7]。如上所述，與傳統的施工方法相比，預制裝配式可以有效地降低勞工成本、施工成本以及施工周期，同時還具有，包括：提高建筑產品的質量、促進綠色可持續發展、減少建筑廢物和二氧化碳排放、減少現場噪音和粉塵從而減少對周圍居民的影響等其他優勢[8-11]。此外，隨著全球人口的增長，住房和辦公需求不斷增加，采用裝配式施工方法可以更快地建造更多的住宅和辦公樓，以滿足社會需求[5]。

3.1 施工周期短

裝配式施工速度快的優點是澳大利亞建筑行業大力推廣這項技術的主要動力。當建筑部件在良好質量管控的條件下建造時，若采用與傳統建設方法相同的材料和標準進行施工，裝配式建筑的工期僅為傳統施工方法所需時間的50%～70%。這一顯著的施工周期上的縮短，是由于工廠在制造構件的同時，現場可以進行施工的準備工作并可同步開展土方工程和基礎工程施工。此外，在工廠內完成大部分施工，可以降低由于極端天氣帶來工期延誤的風險。同時，工廠還可以使用自動化設備來預制構件，從而避免了由于缺少技術工人所導致的項目延誤[5,12]。

3.2 環境友好、促進可持續發展

裝配式技術的另一大優點是更有利于可持續發展。在工廠品質控制下，構件和預制模塊生產過程所產生的固體廢棄物更少，空氣污染和噪音污染也能得到有效的控制。此外，在拆除建筑時，預制模塊和部分預制構件可以被拆卸、翻新以便重新使用，從而減少對原材料的需求，能最大限度地降低新建筑對能源的損耗[5]。

3.3 智慧的預制裝配式建筑體系

與傳統施工方法相比，預制裝配式建筑技術更加智能。由于預制的構件或模塊多具有相同的造型、尺寸或建筑模數。工廠在制造過程，可以采用自動化技術加快生產[5]。此外，通過采用新型建筑技術(如BIM和虛擬現實技術)，預制裝配式施工能夠變得更加高效和精確。

利用BIM技術，項目中所有的利益相關方(業主、承包商、建筑工程師、結構設計師、材料供應商等)都可以在同一個中心數據模型上工作。構件供應商可以對不同的預制構件和預制模塊創建包含參數化信息的3D模型，從而讓業主、各專業設計師和施工方更好地理解產品的特性，并直接使用到房屋的設計和施工的過程中。采用基于BIM技術的預制裝配式工法大大改變了從設計、制造到施工的整體流程。BIM可視化和參數化的特點，能夠更加直觀地展現完整的項目規劃-設計-制造-運輸-施工-后期維護的整體工作流程。讓業主、設計人員和承包商，更準確地了解整個項目，更早地發現問題，更快地做出相應的調整。此外，圍繞BIM中心模型開展項目，建筑師、各專業的工程師、施工人員和分包商也能更加密切地合作和交流，從而交付更精致、品質更高的產品[2,4]。

4 澳大利亞裝配式建筑案例——LA TROBE TOWER公寓樓

位于墨爾本市中心的La Trobe Tower，是澳大利亞目前已投入使用的超高層裝配式建筑中最成功的案例之一。這棟大樓于2017年1月正式竣工。其建筑總高度為133m，含地下1層和地上44層，包括206套一居室或兩居室的住宅單元；大樓第15層公共區域還設有休息室、室外露臺、公共廚房和健身房。建筑外裝飾面為玻璃幕墻(圖7)，巧妙地與周圍區域的環境相融合[2]。

圖7 澳大利亞墨爾本La Trobe Tower公寓樓[2]

(a)Hickory Building System 預制模塊 (b)現場吊裝圖8 HBS預制模塊

La Trobe Tower使用Hickory Group建筑公司研發的新型模塊化施工技術 Hickory Building System (HBS)建造而成。大樓的地下1層至地上2層采用現澆鋼筋混凝土框架 - 核心筒結構，從地上第3層開始至第44層采用預制模塊化施工方法進行建造[13]。

在最初設計時，整棟樓都計劃運用傳統現澆的方式進行施工，但由于墨爾本市中心擁堵的交通狀況以及投資商對于項目交付時間的要求，Hickory Group公司改用了預制裝配式建筑體系。事實證明：采用新的施工方法，有效地將項目交付速度加快了近30%，同時也降低了建設過程中對環境和周圍居民的干擾[2,13]。

HBS體系是一種將鋼框架(或鋼筋籠)、混凝土樓板、浴室以及建筑外立面集成一體的預制裝配式結構體系(圖8)。模塊單元在工廠完成預制之后，運輸到現場進行拼裝。不同預制模塊在現場由螺栓和特殊設計的聯鎖系統進行橫向和縱向的拼接，與底層的現澆結構連成整體[2,13]。

和其他裝配式體系相比，HBS體系的主要創新點在于：(1)使用工廠預制鋼筋混凝土墻和現場噴射混凝土相結合的方式進行核心筒和剪力墻的施工；(2)采用預制輕質混凝土樓板以減輕結構自重，便于運輸、吊裝；(3)外玻璃幕墻在工廠預制后直接與鋼框架通過螺栓連接成整體，再運到現場進行吊裝；(4)模塊間預留槽位，待模塊主體在現場安裝好之后，直接吊入預制的室內承重墻，與主體結構通過螺栓連接(圖9)。為了確保結構的可靠性，HBS公司的工程師進行了大量的有限元軟件分析，并依據澳大利亞工程規范進行模擬試驗(圖10)[13]。

圖9 模塊間預留槽位(左)；模塊主體安裝好之后吊入承重墻(右)[13]

圖10 剪力墻噴射混凝土試塊強度測試(左)；HBS模塊吊裝測試(右)[13]

在設計La Trobe Tower時，側向力(尤其是風荷載)是結構設計的重要考慮因素。Hickory Group建筑公司采用了預制和現澆混合的施工技術，完成了主要抗側力構件核心筒和剪力墻的施工。其主要施工步驟如下：(1)在工廠預制豎向抗側力構件的鋼筋籠，單面提前安裝好混凝土預制墻板。(2)運到現場安裝定位后，對鋼筋籠的另一面采用噴射混凝土工藝，將上下兩層的鋼筋籠連接成連續的整體，從而形成與傳統建筑形式類似的鋼筋混凝土核心筒以及剪力墻(圖11)。使用這種混合施工方法，既加快了核心筒和剪力墻的施工速度，又不會損害結構的整體性[13]。

圖11 預制鋼筋籠的吊裝(左)[2]；鋼筋籠安裝到位并噴射混凝土(右)[13]

最關鍵的是，該項目在規劃和設計時，大量應用了3D參數化模型，以確保模塊制作和安裝的準確無誤。在設計階段，設計師使用了BIM軟件對預制模塊和建筑結構整體進行建模，并在3D中心模型上進行碰撞測試(圖12)。同時，通過參數化信息直接生成工程造價表。此外，Hickory Group公司還利用虛擬現實(VR)技術模擬了完整的現場安裝工序，幫助現場工人更好地理解復雜的安裝流程。最終，現場拼裝的實際公差僅在2mm以內，很好地實現了模塊間的對齊。據Hickory Group公司報告，綜合考慮HBS預制模塊的制造成本和結構性能，這種裝配式體系更適用于30層以上的建筑[2,6,13]。

圖12 通過BIM軟件進行標準層建模[13]

5 澳大利亞裝配式建筑對福建省裝配式施工技術發展啟發

裝配式技術作為一種新型建造方式在福建省的發展目前還處于初步階段。在福建省的裝配式建筑中，預制混凝土疊合板、預制樓梯以及裝配式內隔墻的應用相對較為廣泛；也有一些采用全預制框架技術的全裝配式建筑。具有代表性的案例如：采用全預制框架和預制外掛墻板的省內首座全裝配式混凝土建筑——福建建超集團生產基地一號樓、省內首次將現代消能減震技術(約束屈曲支撐)應用于裝配式結構的龍海市月港中心小學等。可見，在2D預制構件以及預制墻板的設計和施工方面，福建省內已經有了較多應用案例，同時也正在逐步完善相關的地方性標準體系。但是，目前澳洲、歐洲等發達國家開始流行的模塊化建筑在福建省還沒有太多的研究，也沒有實際工程案例。所以，研究例如La Trobe Tower這類模塊化建筑在海外的應用，對推動福建省裝配式施工技術的發展具有一定的意義。

在模塊化建筑的設計和施工中，需要解決的主要技術難點是如何可靠地將集成結構體系、水電管線和建筑功能組件的預制模塊拼接到一起，使得模塊化建筑具有與現澆結構等同甚至更高的性能。尤其是將模塊化技術應用于高層建筑時，需要重點研究預制模塊和結構主要抗側力構件間的連接，并研究如何靈活地結合現澆與裝配式施工技術，使得裝配式結構具備足夠的強度、剛度和可靠性。對此，La Trobe Tower公寓樓中核心筒和剪力墻所采用的現場噴射混凝土和預制鋼筋網組合的施工方式，就十分具有啟發意義。這種施工方法，既通過工廠預制鋼筋網加快現場施工速度、解決鋼筋碰撞的問題，又通過現澆部分混凝土剪力墻保證了結構主要抗側力構件的整體性，值得我們學習和借鑒。

考慮到我國建筑業目前的產業化水平，全面引進發達國家的基于高端產業鏈的裝配式技術存在一定的困難，若能在試點項目中借鑒發達國家裝配式體系的思路，進行創新性研究，改變國內結構設計的思維定勢，對于促進裝配式建筑體系的創新發展有重要意義。

當然，要確保此類復雜預制模塊在現場的精確安裝，對構件制造工人、現場施工人員的技術水平也提出了更高的要求。因此，建筑施工企業也應投入更多的資金和時間為工人提供專業培訓，提升其操作制造生產線和高精度現場安裝的能力。而且，從澳洲的案例分析中可以發現，BIM的應用對于集成度更高、制造和施工更加復雜的空間型預制模塊具有關鍵性作用，而合理有效地使用BIM以及VR技術，不僅能夠更早更及時的發現錯誤、幫助工人提高現場安裝精度，更能從根本上改變傳統項目管理過程中聯動性差、溝通低效的問題。因此，對相關的工程人員的科技新知識再教育很有必要，且時不我待。

6 結語

本文回顧總結了澳大利亞裝配式建筑的發展歷程，重點討論了目前在澳大利亞流行的預制模塊施工技術，并對澳大利亞超高層模塊化裝配式大樓La Trobe Tower展開案例分析。通過對裝配式建筑在澳洲應用的研究，筆者認為裝配式建筑體系要在福建省有更快更好的發展，首先離不開國家和地方產業政策的引導和支持。同時，建筑界應加快對裝配式設計方法和設計規范的完善，并加強產學研合作，深入研究不同裝配式體系的性能，研發符合中國國情的裝配式建筑體系，實現我國建造方式的新一輪革命。當前，應該加強對國外先進新型建筑技術的學習，掌握基于BIM技術的全產業鏈管理理念，更高效地完成裝配式建筑從設計、工廠預制、運輸到現場組裝的全過程管理。相信隨著研發力度的投入和技術水平的提升，裝配式建筑會在福建省乃至全國占有更大的市場份額，也會有更多具有創新性的裝配式建筑出現。