裝配式建筑精益化生產(chǎn)理論與現(xiàn)狀研究

曹爽 高志強

中國建筑標準設計研究院有限公司

近年來，隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，我國正步入社會經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)轉型升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的全新階段。長期以來，我國建筑業(yè)現(xiàn)場作業(yè)條件差、建造效率低、資源消耗大、垃圾排量大、建筑質(zhì)量不穩(wěn)定等問題日益凸顯，這種粗放的生產(chǎn)方式與我國目前推行的高質(zhì)量、節(jié)能減排、環(huán)保等國家頂層政策相悖，建筑業(yè)亟需轉型升級。建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，若想盡快擺脫傳統(tǒng)落后的生產(chǎn)建造模式，最有效的途徑便是加速建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設、全面推動生產(chǎn)建造方式轉型升級。

在當前的時代背景下，2020年住房和城鄉(xiāng)建設部等多部門聯(lián)合印發(fā)了《關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》和《智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》等相關政策文件，為以裝配式建筑為核心的新型建筑工業(yè)化指明了發(fā)展方向。

不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結構，裝配式建筑重點強調(diào)“裝配”的概念。所謂“裝配”，即現(xiàn)場組裝，是將原來在施工現(xiàn)場建造調(diào)整為預先在工廠完成部品部件生產(chǎn)、運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行組裝的建造方式，強調(diào)的是標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理及智能化應用。因此，工廠生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)是承接裝配式建筑前端設計與后端施工的重要一環(huán)，直接影響著建筑整體的工程質(zhì)量及建造效率。

1 裝配式建筑的精益生產(chǎn)理論

裝配式建筑的蓬勃發(fā)展促使建筑行業(yè)的生產(chǎn)建造方式發(fā)生了巨變。近年來，由于裝配式建筑自身特性，現(xiàn)場濕作業(yè)大量減少，建筑工人的需求量隨之降低。與此同時，部品部件的生產(chǎn)企業(yè)大量涌現(xiàn)，對機械生產(chǎn)加工和信息化、智能化制造的依賴日益加強。隨著人民對建筑品質(zhì)要求的不斷增長，只有通過有效縮短工期、提高效率、提升品質(zhì)的精益生產(chǎn)模式方能將裝配式建筑的技術優(yōu)勢充分發(fā)揮。

精益生產(chǎn)（Lean Manufacturing）的概念源自豐田等工業(yè)制造類企業(yè)，它將精益生產(chǎn)的理論和方法應用到建筑過程之中，是國際先進的建筑工業(yè)化模式，能夠有效破解建筑行業(yè)生產(chǎn)方式粗放與效率低下等問題。精益生產(chǎn)，即將精益思想融合于部品部件的工廠化生產(chǎn)過程之中，對裝配式建筑部品部件生產(chǎn)全過程進行科學、系統(tǒng)的管理，進而有效避免甚至消除生產(chǎn)過程中的浪費和不確定性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)企業(yè)利潤的最大化[1]。

精益生產(chǎn)理論誕生于20世紀資源價格持續(xù)上漲和市場需求趨于多樣化的大環(huán)境下。裝配式建筑的精益生產(chǎn)除了先進的工業(yè)技術之外，很大程度依賴于先進的管理理念和管理模式。上文提到，精益生產(chǎn)概念源自豐田等生產(chǎn)制造企業(yè)，豐田精益生產(chǎn)的精髓便是“即時制（JIT）”和“自動化（Jidoka）”，如圖1所示。目前，精益思想已在日本、新加坡、澳大利亞及歐美等發(fā)達國家的工業(yè)化建筑中廣泛應用，并取得了顯著效果，而在我國建筑業(yè)仍舊處于學術研究層面，尚未得到真正的推廣與應用。

對于我國裝配式建筑的發(fā)展而言，應盡快以精益生產(chǎn)理念指導裝配式部品部件生產(chǎn)加工，以最少的人力、空間、資金和時間，生產(chǎn)出最符合客戶和市場需求的產(chǎn)品，達到用戶與企業(yè)均滿意、成本與質(zhì)量最佳匹配以及產(chǎn)品性價比最高的終極目標[2]。

2 預制混凝土構件的工業(yè)化生產(chǎn)

裝配式建筑的工業(yè)化生產(chǎn)不能簡單等同于在工廠中生產(chǎn)。對于預制混凝土構件而言，其生產(chǎn)過程應充分結合工業(yè)化生產(chǎn)理念、生產(chǎn)設備和信息化管理手段，通過明確自身發(fā)展戰(zhàn)略和相應目標，充分考慮設計、生產(chǎn)、施工等各個階段的相互影響及各自需求，將精益生產(chǎn)理念貫徹落實，有效提高生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量。

預制混凝土構件的工業(yè)化生產(chǎn)主要包括生產(chǎn)準備、生產(chǎn)流程及生產(chǎn)質(zhì)量全過程管控三部分[3]，如圖2所示。其中，生產(chǎn)準備環(huán)節(jié)是基礎，生產(chǎn)流程是核心，質(zhì)量管控則貫穿于整個生產(chǎn)過程之中，為預制混凝土構件的工業(yè)化生產(chǎn)保駕護航。

2.1 生產(chǎn)準備

隨著建筑工業(yè)化進程的不斷推進，現(xiàn)階段很多國內(nèi)預制構件生產(chǎn)企業(yè)逐漸打開思路，逐步借鑒現(xiàn)代工業(yè)制造生產(chǎn)流水線的做法（圖3）。理想中的現(xiàn)代工業(yè)制造生產(chǎn)線，能夠采用工作流轉的作業(yè)方式，充分融合系統(tǒng)化、智能化、自動化的理念與技術，在生產(chǎn)全過程中各工作環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)性好、生產(chǎn)線自動化程度高、人員投入小、人為因素引起的誤差少、加工效率高。然而，由于目前裝配式建筑尚處于發(fā)展階段，大部分預制構件標準化程度較低，預制混凝土疊合板等構件存在大量外伸鋼筋，使得預制構件的生產(chǎn)無法直接使用流水線作業(yè)，自動化系統(tǒng)便也無法真正實現(xiàn)。以上問題，在很大程度上制約了我國裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)的前進步伐。

面對上述現(xiàn)狀，預制構件生產(chǎn)企業(yè)應充分結合自身產(chǎn)能、技術水平等相應的配套管理體系和質(zhì)量監(jiān)督體系，制造最優(yōu)產(chǎn)品。為切實保障預制混凝土構件的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，有效規(guī)避生產(chǎn)過程中的風險和意外，在工廠正式啟動生產(chǎn)流程之前，應從人員、物資、設備、工藝以及場地等方面全面開展相應的準備工作，以滿足預制混凝土構件工業(yè)化生產(chǎn)所應具備的前提條件。其中包括根據(jù)成本目標、效率目標及質(zhì)量目標進行人員的組織架構策劃及生產(chǎn)技術、質(zhì)量意識、安全意識、責任意識等相關培訓，根據(jù)預制構件的各項性能指標合理選用原材料并做好進貨驗收工作，根據(jù)生產(chǎn)需求采購所需的必要生產(chǎn)設備，建立相適應的生產(chǎn)工藝流程，對生產(chǎn)場地的平整度、布置等予以合理的規(guī)劃布局。

2.2 生產(chǎn)流程

預制混凝土構件的生產(chǎn)流程主要包括模具組裝、鋼筋綁扎及埋件安裝固定、混凝土成型、混凝土養(yǎng)護、構件脫模起吊、質(zhì)量檢驗、構件標識以及存儲和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

對于裝配式建筑而言，若要真正意義上實現(xiàn)預制混凝土構件的工業(yè)化生產(chǎn)，宜廣泛采用成型鋼筋。機械加工而成的成型鋼筋不僅可以大量節(jié)約材料、便于施工，更可以充分提高預制構件的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，完全契合裝配式建筑的工業(yè)化生產(chǎn)理念。隨著建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段越來越多的鋼筋自動化成型設備投入使用，如數(shù)控鋼筋焊接網(wǎng)片生產(chǎn)設備、數(shù)控桁架鋼筋生產(chǎn)設備等。

目前，我國裝配式建筑雖起步較晚，很多技術落后于國外發(fā)達國家，但隨著近年來工業(yè)化和信息管理技術的不斷發(fā)展與完善，越來越多的工業(yè)化技術及理念逐步應用于預制構件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中。例如，混凝土輸料系統(tǒng)等自動化生產(chǎn)設備越來越多地投入于混凝土成型環(huán)節(jié)（圖4）、預制構件的標識越來越多地應用于預埋芯片或二維碼、采用基于RFID（Radio Frequency Identification）的信息化管理系統(tǒng)進行預制構件的存儲和運輸管理等，均為裝配式建筑的精益生產(chǎn)提供了強有力的技術支撐。

2.3 生產(chǎn)質(zhì)量全過程管控

不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑體系，精益生產(chǎn)的質(zhì)量管控應貫穿于整個生產(chǎn)制造過程之中，且應充分發(fā)揮其對于生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本的保駕護航作用。生產(chǎn)質(zhì)量管控涵蓋了質(zhì)量策劃、過程控制、監(jiān)督檢驗、質(zhì)量評價、質(zhì)量改進等核心流程，理論上應該形成PDCA閉環(huán)管理。

預制混凝土構件的生產(chǎn)質(zhì)量管控涵蓋了材料質(zhì)量檢驗、配件質(zhì)量檢驗、鋼筋加工質(zhì)量控制、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制以及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)，應重點關注隱蔽工程質(zhì)量管理、成品質(zhì)量管理及常見質(zhì)量缺陷等。

生產(chǎn)質(zhì)量全過程管控是預制混凝土構件生產(chǎn)制造過程中非常重要的一環(huán)，預制構件廠應充分結合精益生產(chǎn)的管理理念和管理模式，切實做好生產(chǎn)全過程的質(zhì)量監(jiān)管，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，進而實現(xiàn)真正意義上的工業(yè)化生產(chǎn)。

3 裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)管理

目前，國內(nèi)的裝配式建筑倡導新型建造管理模式。所謂新型建造管理模式，則是以工程總承包為實施載體、以信息化為技術手段、以工業(yè)化為生產(chǎn)方式，全部或部分部品/部件在工廠中預制、現(xiàn)場裝配成建筑產(chǎn)品的新型工程建設組織模式[3]。作為新型建造管理模式中的核心環(huán)節(jié)，工業(yè)化生產(chǎn)不同于將設計與施工等環(huán)節(jié)完全分離的傳統(tǒng)方式，而是強調(diào)在裝配式建筑建造過程中設計與施工的關聯(lián)性和整合性。這是建筑生產(chǎn)方式的變革，能夠有效助力我國建筑行業(yè)盡快擺脫傳統(tǒng)路徑，實現(xiàn)從傳統(tǒng)人工“建造”向現(xiàn)代工業(yè)“制造”的飛躍。

1 豐田精益生產(chǎn)理念圖示

2 預制混凝土構件工業(yè)化生產(chǎn)圖示

3 預制混凝土構件自動化生產(chǎn)線示意圖

4 混凝土輸料系統(tǒng)

3.1 全過程、全專業(yè)的一體化建造

從根本上講，裝配式建筑由結構、外圍護、內(nèi)裝、設備與管線四大系統(tǒng)集成，各個系統(tǒng)及系統(tǒng)之間基于部品部件通過一定的規(guī)則集合組裝而成，其核心是企業(yè)生產(chǎn)的標準化[4]。只有在部品部件的生產(chǎn)階段充分加強與前端設計、后端施工的協(xié)同工作，統(tǒng)籌考慮設計階段及施工階段的相關影響，方可切實將裝配式建筑全過程、全專業(yè)一體化的建造思想落地實施。生產(chǎn)環(huán)節(jié)是承接設計環(huán)節(jié)和施工環(huán)節(jié)的紐帶，應對設計和施工環(huán)節(jié)提出相應要求并做好銜接配合工作。

3.1.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)與前端設計的銜接

裝配式建筑的設計階段主要包括技術策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計和深化設計。技術策劃時，生產(chǎn)企業(yè)應與設計方配合，根據(jù)生產(chǎn)線及生產(chǎn)工藝的具體情況，協(xié)調(diào)或初步確定部品部件的尺寸及形狀；方案設計時，生產(chǎn)企業(yè)需要向設計方提供生產(chǎn)加工的基本原則，配合設計方進行部品部件的選型設計；初步設計時，生產(chǎn)企業(yè)應及時提供生產(chǎn)設備的相關資料，給設計者提供選用部品部件的參考意見；施工圖設計及深化設計時，生產(chǎn)企業(yè)應積極配合各專業(yè)設計人員進一步完善和優(yōu)化部品部件及連接節(jié)點的設計工作。

3.1.2 生產(chǎn)環(huán)節(jié)與后端施工建造的銜接

施工階段是整個裝配式建筑建造過程的重點與難點，也是工程管理的核心環(huán)節(jié)。為有效避免后續(xù)施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)吊裝、安裝等嚴重影響工程質(zhì)量和工程進度的相關問題，應充分做好生產(chǎn)環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)的銜接工作。首先，在部品部件生產(chǎn)過程中，施工單位應派專人對部品部件的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)進度等進行監(jiān)督檢查，并結合施工吊裝、安裝工藝等檢查部品部件的細部構造，并在部品部件進場之前，仔細核對其型號、數(shù)量等相關信息；其次，在整個施工安裝過程中，生產(chǎn)企業(yè)應委派技術人員協(xié)助施工單位裝配安裝，便于及時解決安裝過程中所出現(xiàn)的相關技術問題。

3.2 信息化技術與管理

信息化技術是實現(xiàn)裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)管理的強大助力。近年來，越來越多的裝配式建筑部品部件生產(chǎn)企業(yè)在其生產(chǎn)過程中采用BIM、射頻識別RFID、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息化技術作為輔助手段，結合生產(chǎn)企業(yè)的企業(yè)資源管理（ERP）、生產(chǎn)制造和運輸安裝管理（MES）等平臺，逐步打通設計、生產(chǎn)、施工等關鍵環(huán)節(jié)，通過信息化技術的應用實現(xiàn)對質(zhì)量、進度與成本的管理與把控。

BIM技術起源于歐美發(fā)達國家，是當下建筑信息技術的集中體現(xiàn)，與裝配式建筑系統(tǒng)集成的理念不謀而合。在裝配式建筑的生產(chǎn)階段合理而充分地利用BIM技術，可以直觀高效地對接生產(chǎn)方，也可以通過庫存控制、物料控制、進度控制、質(zhì)量管控和成本管控等實現(xiàn)對生產(chǎn)加工過程的流程化管理與控制，有效減少人為操作失誤、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，BIM平臺可通過建立部品部件的編碼體系將其與BIM模型及部品部件數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)，實現(xiàn)其全生命周期的可追溯性質(zhì)量管理。其次，基于BIM的信息化管理手段也可用來實現(xiàn)裝配式建筑生產(chǎn)企業(yè)物資的信息化管理，BIM信息化管理平臺能夠根據(jù)部品部件尺寸、運輸條件等因素同構規(guī)劃運輸路徑，為協(xié)調(diào)生產(chǎn)環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)提供保障。

近年來，隨著BIM技術在裝配式建筑領域的不斷發(fā)展，國內(nèi)各設計、生產(chǎn)單位基于BIM軟件開發(fā)出大量相關插件，許多大型企業(yè)構建并完成了本企業(yè)的標準化部品部件庫，搭建了適用于自身的BIM應用平臺。目前，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)使用較為廣泛的是德國內(nèi)梅切克混凝土預制件設計軟件Planbar。該軟件在生產(chǎn)應用中已實現(xiàn)了預制構件深化設計功能，并可將設計數(shù)據(jù)傳遞至相關的生產(chǎn)系統(tǒng)，支持2D和3D建模，能夠?qū)AD設計和BIM建筑信息模型結合為一體。

4 小結

現(xiàn)階段，我國裝配式建筑雖已由起步期進入快速發(fā)展時期，對于裝配式建筑的生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言，仍處于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向新型工業(yè)化生產(chǎn)模式的過渡階段，有大量問題亟待解決。

（1）部品部件及其接口標準化程度不足，直接影響生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

對于裝配式建筑而言，標準化的核心和基礎是企業(yè)生產(chǎn)的標準化部品部件。在結構構件標準化設計方面，目前我們還缺乏一套完善的規(guī)則、方法，導致結構設計、深化設計人員隨性發(fā)揮，這也是造成構件標準化程度低的原因之一。因此，應在前端設計統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，優(yōu)化部品部件的尺寸，保證其標準化，方能提高部品部件生產(chǎn)模具的重復使用率，便于部品部件的生產(chǎn)制造與施工，提高生產(chǎn)速度和工人的勞動效率，進而實現(xiàn)大規(guī)模的工廠化生產(chǎn)。

（2）生產(chǎn)企業(yè)大量涌現(xiàn)，生產(chǎn)技術和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。

作為我國一項新興技術，近幾年裝配式建筑在全國遍地開花，一時間全國范圍內(nèi)涌現(xiàn)大量部品部件生產(chǎn)加工企業(yè)。由于發(fā)展過快，標準體系尚不完善，市場監(jiān)管體制也在逐漸搭建過程中，導致目前我國裝配式部品部件生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量雖多，生產(chǎn)技術和產(chǎn)品質(zhì)量卻是參差不齊，距離理想狀態(tài)的工業(yè)化生產(chǎn)還有很大差距，一定程度上也制約了裝配式建筑的發(fā)展步伐。

（3）信息化管理水平欠缺，生產(chǎn)管理模式依舊落后。

近年來，雖然我國以BIM技術為代表的一系列信息化技術發(fā)展較快，但是相比于發(fā)達國家還存在差距。尤其是在生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，大部分部品部件生產(chǎn)企業(yè)仍舊采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備與生產(chǎn)理念，生產(chǎn)管理理念嚴重欠缺。究其原因，主要還是因為裝配式建筑在我國發(fā)展過快，相關從業(yè)人員沒能真正理解建筑工業(yè)化的基本理念便匆匆投入生產(chǎn)之中，忽略了裝配式建筑的核心。

（4）設計、生產(chǎn)、施工各階段相對獨立，未實現(xiàn)真正意義的全過程一體化。

不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結構，裝配式建筑強調(diào)的是全專業(yè)、全過程一體化理念。目前，工程總承包的管理模式（EPC）雖備受業(yè)內(nèi)認可，卻并未廣泛應用于項目之中，這就導致大量從業(yè)人員依舊采用傳統(tǒng)的思維理念去對待裝配式建筑，依舊將設計、生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)割裂開來，沒有統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，違背了裝配式建筑的初衷，也喪失了裝配式建筑的技術優(yōu)勢。

基于此，為有效解決現(xiàn)階段裝配式建筑生產(chǎn)問題，亟需充分借鑒發(fā)達國家及其他行業(yè)的先進工業(yè)化生產(chǎn)管理技術及理念，加速推進裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)進程，方能切實推動我國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的高速發(fā)展，盡早實現(xiàn)真正意義上的新型建筑工業(yè)化。

圖片來源

圖1，2 由作者自繪；圖3，4 來源于文獻[3]。