裝修一體化裝配式建造技術研究現狀及展望★

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.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

1 概述

隨著以傳統施工方式為基礎的建筑在環境、施工效率及社會經濟等方面的問題逐漸顯現，如施工現場濕作業量大、工期長及污染環境等，而以“搭積木”方式的PC(Prefabricated Construction)預制裝配式結構因其工廠預制效率大、工期短及污染程度低等優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件、部件及設備的生產，然后運輸到施工現場進行吊裝施工的結構類建筑，其與現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澆混凝土結構具有降低人工需求、增加效益、綠色施工等優點。然而，在完成主體結構后進行裝修設計時，仍舊存在現場濕作業量大、施工工序復雜及管線等施工材料混亂等現象，不僅滯后了建筑工業化的發展，也降低了人們對裝配式建筑的接受度。因此，作為實現裝配式建筑工業化的重要環節，裝配式—裝修一體化建造技術正逐步興起。此外，數字技術的迅猛發展對建筑行業的科技化與信息化產生了很大的影響。

本文以裝配式住宅為基礎，從國內外裝配式—裝修一體化建造技術及BIM信息化方面闡述了裝配式建筑體系的發展狀態，總結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 裝配式結構與現澆結構對比

2 裝修建造一體化裝配式建筑

2.1 國內外裝配式建筑技術特征

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計理論還是裝配式構件設計、施工等都比國內成熟。國外裝配式建筑應用情況見表2。

表2 國外裝配式建筑應用概況[1,2]

2.1.1美國裝配式建筑特征

由于美國幅員遼闊，僅有部分地區位于地震帶，各地區的抗震烈度不等，因此在美國，預制混凝土裝配式和鋼結構裝配式主要應用于大型城市的住宅[3]，而木結構與輕鋼結構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，還擴大了構件的可應用范圍，大大降低了施工難度。此外，美國裝配式結構強調結構的整體性及穩定性，其預制構件的受力鋼筋僅在柱底與基礎部位進行連接，其連接方式主要通過波紋管進行間接搭接。作為北美預制建筑的兩大體系，建筑預制外墻體系和結構預制構件體系的相似之處是結合了規模化和預應力，不僅優化了建筑結構，還提高了經濟效益。

2.1.2日本裝配式建筑特征

相比美國預制構件連接方式以鉸接為主的框架，由于日本地處地震頻發區，其預制構件主要通過剛接方式來實現結構抗震性能。日本建筑的主體結構工業化的核心為鋼結構、木結構，以及預制裝配式混凝土PC結構[3]。其中，PC結構主要包括四種結構體系，即鋼混合結構、墻板結構、框架結構、框架—墻板結構。其中，日本裝配式建筑大量采用的結構體系為RPC體系。RC結構的墻板與主體連接方式為柔性連接，這提高了框架結構的抗震性能，同時RC結構具有延性好、結構受力明確、計算簡單等優點，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預制與現澆相結合以及節點采用濕式連接來保障結構的整體性。因為多次震害事故，日本的裝配式建筑多強調“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，造成其建筑結構技術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、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住宅建設技術導則(試行)的通知》指明了住宅建筑體系發展的新方向，即將支撐體與填充體兩大部分分開。由于我國國土面積大，地形復雜，地震高頻區與低頻區均有涉及。因此，在技術層面上與日本相同的是，預制構件通過剛接進行連接，節點主要以濕式連接，預制構件的受力鋼筋同樣是通過套筒灌漿連接，且大多為預制與現澆相結合。不同的是，由于日本對結構、構件及節點的抗震要求較高，因此在預制框架結構的基礎上，通過對關鍵節點使用“斜向鋼結構”進行拉接或者“一維與多維”構件相結合的方式以提高節點剛度，而我國提高關鍵節點的剛度的處理方式主要是在節點現澆等方式。我國中高層裝配式住宅主要以預制剪力墻結構為主，墻板結構作為豎向承重與橫向承重構件，側向剛度大。然而，由于墻板空間需要開洞等要求，使構件預制工序復雜，構件標準化較為困難。

2.2 裝配式裝修一體化

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

1)浪費資源。傳統室內裝修施工會對毛坯房進行改造，在這個過程中會產生大量可回收的建筑垃圾。據統計，毛坯房裝修導致的資源浪費全國每年可達到3 400萬t。

2)環境污染大。傳統裝修的周期長，產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)質量把控不過關。傳統裝修公司為了追求高收益，會采用質量較差的材料，以及在裝修過程中對建筑物結構功能的改造都會降低住戶的居住體驗，甚至會產生安全隱患。

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

隨著建筑行業的快速發展，裝配式裝修一體化技術也受到越來越多的關注。裝配式裝修，也稱“工業化裝修”，是將工廠預制生產的構件、部件通過一定的連接方式將部品集成，繼而運輸到施工現場由施工人員按照標準化程序采用干作業方式進行施工的裝修過程。裝配式裝修一體化建造技術不僅現場作業量小、對環境更為友好及避免浪費材料，而且推動了建筑工業化的進程，更好地為人們所接受。裝配式內裝修體系主要涉及七大部位，即隔墻、天花板、地坪、廚衛、部品、裝飾、設備管線[7]。由于裝配式裝修能避免傳統裝修施工所帶來的種種弊端，因而成為全裝修住宅發展的最優選擇。同時，國家政府自2015年來出臺了大量政策、標準，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《建筑產業現代化發展綱要》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《關于大力發展裝配式建筑指導意見》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，國家有關部門對裝配式建筑發展的重視。

對于日本、美國、德國、瑞典等裝配式建筑技術較為成熟的國家，其裝修建造技術也逐漸完善，并不斷實現建筑工業化大背景下裝配式建筑裝修部品的集成：構件實現標準化、工廠化、模數化及現場干式施工等，其中以日本與美國體系較為成熟。

美國住宅建筑市場經過二戰、工業革命之后發展體系更為完善。其住宅裝配式構件、部品等已基本實現工業化、標準化、系列化與商品化，內部裝修飾品包括廚衛設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，建筑工業化基本實現100%[9]。裝配式建筑因其工廠預制構件技術，不可避免地會出現建筑風格較為單一不能滿足用戶需求等現象。而美國住宅更為注重人性化與個性化，實現了住宅等裝配式建筑的多樣化。基于內部設備、飾品的成套技術，用戶可根據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，即內裝工業化體系(Skeleton-Infill building system)，多使用集成化內裝部品，因此對建筑結構的梁、柱影響較小。日本住宅體系主要是通過改善住宅內部設備性能，合理布置管道及管線走向等延長住宅建筑的壽命。工業化住宅主要表現為：結合復合一體化墻體和預制樓板，現場裝配結構，然后將預制整體式廚衛設備等同時吊裝安裝于結構中。目前，日本裝配式建筑已經將各類建筑(包括住宅)構件、部件、部品等實現工業化、標準化與規格化生產，在現場裝配施工時，建筑主體與部品設備安裝效率較高。在建筑工業化的背景下，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，我國裝修一體化發展較為緩慢。結合我國國情，吸取國外經驗，我國裝修一體化也取得了一定的發展。2012年，中日兩國簽訂《中日住宅示范項目建筑合作意向書》，開始了建筑領域內基于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)，從預制外部構件、內部構件到內部設備集成等均實現了建筑工業化。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、集成方法和設計建造體系[10]。CSI體系主要包括：分離化機電設備系統、集成化部品系統、模塊化部品系統。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屬關系區別開；5)部品模數化、集成化；6)套內接口標準化；7)衛生間排水管道布局合理。

CSI體系作為新型裝配式技術的體現，在建筑性能、產品質量等具有明顯的優勢。我國傳統建筑廚衛間水電管線的布置大多通過樓板進入室內上下層，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”架設地板，從而實現同層排水方式，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。隨著科學技術的發展，裝配式內部部件性能將會進一步提升，并能根據用戶需求實現個性化與多樣化目標[12]。

2.3 基于BIM技術的裝配式建筑

信息技術的不斷智能化與科學技術的快速發展，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，即建筑信息模型(Building Information Modeling，又稱建筑信息模擬)[13]。隨著BIM技術的不斷成熟與普及，其在建筑行業的地位也日益明顯。在建筑全周期階段，均有BIM技術的參與。從建筑設計階段到建筑施工管理，不論是復雜構件或節點的設計與處理還是試驗檢測，以及現場施工場地的布置等多方面，BIM技術為裝配式建筑提供了技術支持，實現了對裝配式建筑全壽命周期的追蹤[14]。傳統建筑以及裝配式建筑在設計施工過程中，由于缺乏協同管理系統來綜合考慮部品在整個設計、生產、運輸、施工安裝以及后期維修等具體細節，使得構件在建筑全周期出現構件安裝不匹配、場地布置不合理，各領域信息水平低等問題，嚴重阻礙了施工計劃的完成。基于BIM技術的新型裝配式建筑，通過協同平臺下建筑各階段具體施工計劃與方案，建立各方協同的計劃模型，統一管理，解決建筑中各領域溝通較為困難、不及時的問題，并實現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 當前存在的問題

本文從目前國內外裝配式建筑技術特征、裝配式—裝修一體化以及基于BIM技術的裝配式建筑三方面闡述了裝配式建筑的研究現狀與發展形態。可以發現，隨著理論與技術的不斷成熟，以工業化生產為特征的裝配式建造體系持續更新發展，充分結合理論與實際，各國結合本國國情發展出了不同的裝配式建筑體系。此外，基于BIM與物聯網技術的裝配式建筑構件及部品更加工業化、標準化與信息化，同時實現了建筑項目全壽命周期的實時跟蹤。與傳統建筑及其裝修相比，裝配式建筑與裝修一體化建造技術實現了產品品質優化、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，在推行不斷發展裝配式裝修一體化建造技術的進程中，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，預制構件及配件標準化不能滿足用戶個性化需求；從開發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量要求仍持有懷疑態度。應加大對裝配式建筑及裝修建造技術的推廣，工業化建筑不僅應實現構件工廠標準化生產，更應結合用戶需求個性化設計，使產品多樣化[17]。此外，加強國內裝配式剪力墻、鋼筋豎向連接、夾心墻板連接件兩個核心技術的應用基礎研究，從構件及節點的受力機理與性能要求、施工控制與質量驗收等方面加強管理[18]，保證產品質量，進一步研究新型技術體系與技術處理方式，更好的適應社會建筑業的發展。

2)日本及歐美等國家的裝配式裝修技術之所以已有較完善的體系，相關集成部品與配套技術發展相對成熟，很大程度上得益于國家政府制定的相關實質性政策、標準及范本等。而我國在此方面仍有欠缺，在整個建筑工程設計施工過程中產品質量問題、施工質量問題及產權問題等層出不窮。在國家大力推行發展裝配式建筑的社會背景下，各地應結合當地經濟、文化等社會現狀，出臺有關政策，促進建筑產業的示范工程建設。

3)由于裝配式裝修工程中相關部件及配件工業化、標準化及規格化程度較低，同時部品集成技術與成套技術尚不完善，因此整體裝配化專業化程度較低，不能更好地滿足用戶裝修品質的需求。在滿足功能性設計的基礎上，針對不同類別的設計需求，通過給客戶留有一定的設計空間，實現裝修內部部件多樣性視覺效果。

4)目前BIM技術與物聯網技術在建筑工程中的應用仍處于初步階段，且大多為設計單位使用，而建筑業其余領域涉及較小。在進行裝配式裝修時，應結合BIM技術的三維建模及可視化優勢，應用BIM技術進行水電管線及管道的安裝等建筑業多領域的施工進程[19，20]，實現準確、高效、直觀的施工過程，減少構件不合理的風險，實現工程全壽命周期的可控制性。

4 結語

在不斷推行建筑產業工業化、現代化的時代條件下，裝配式建筑體系是一種新型的具有工業化特色的建筑體系，實現了建筑方式由傳統的現場建造轉變為工廠標準化生產的建筑方式。作為我國一直倡導的建筑發展理念，裝配式建筑包括規范化設計、工廠標準化生產、現場裝配式安裝、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，需要不斷完善相關理論研究、鼓勵政策推行及提升產品質量等，才能使裝配式建筑體系更為完善與成熟，實現建筑產業工業化的目標。