建筑工業化和施工機械化在建筑工程中的應用

萬億

摘要：隨著全球工業4.0時代的到來，全球工業信息化和自動化帶來計算機技術與建筑領域的不斷融合，新型建筑和新的施工工藝目標被不斷的提出，人們將會越來越重視未來建筑對人的行為和環境變化的回應，未來建筑業應基于自然規律而存在，用最合理的方式，最少的資源，實現最高的性能。高性能建筑作為由多種技術打造的建筑必將成為未來建筑性態的主流。而當今不斷發展的建筑技術與工藝材料所帶來的建筑設計，施工，建筑外形，建筑生態等方面的嶄新面貌，同時也為我們對未來建筑工業化和施工機械化提供了新的起點。

關鍵詞：工業生產機械施工

近年來，隨著我國建筑業的快速發展一些傳統型的生產及施工方式已經發展到了一定的高度，在未來，不能滿足建筑業的發展需要，隨著國家節能減排戰略的實施和新型城鎮水平的的不斷提升，要求傳統建筑業加快轉型升級的呼聲也越來越高。在此背景下，積極研究新型建筑工業化和施工機械化的發展方向，無疑對加快建筑業適應國家可持續發展戰略具有重要的意義。

建筑工業化和施工機械化概述

1.建筑工業化概念及其意義

建筑工業化：是指通過現代化的制造、運輸、安裝和科學管理的大工業的生產方式，來代替傳統建筑業中分散的、低水平的、低效率的手工生產方式。他的主要標志是建筑設計標準化、構配件生產施工化，施工機械化和組織管理科學化。

2.建筑工業化及其意義：建筑業的工業化是社會生產力發展的必然產物。他與傳統的建造方式根本區別在于把社會生產力從手工業的小生產方式向工廠化流水方式轉化。它是采用現代大工業生產來建造建筑物，運用現代技術、先進生產方式、智能機械施工的方式推動建筑業發展的文明。

3.基本內容：是采用先進、智能、適用的技術、工藝和裝備科學合理地組織施工，發展施工專業化，提高機械化水平，減少繁重，復雜的手工勞動和濕作業;發展建筑構配件制品、設備生產和智能施工機械并形成適度的規模經營，為建筑市場提供各類建筑使用的系列化的通用建筑構配件、制品和智能機械施工制品;制定統一的建筑模數和重要的基礎標準（模數協調、公差與配合、合理建筑參數、連接、智能施工機械的AI程序及算法等），合理解決標準化和多樣化的關系，建立和完善產品標準、工藝標準、企業管理標準、工法等，不斷提高建筑標準化水平;采用現代管理方法和手段，優化資源配置，實行科學的組織和管理，培育和發展技術市場和信息管理系統，適應發展社會主義市場經濟的需要。

（1）建筑設計的標準化與體系化

建筑設計標準化，是將建筑構件的類型、規格、質量、材料、尺度等規定統一標準。將其中建造量大、使用面積廣、共性多、通用性強的建筑構配件及零部件、設備裝置或建筑單元，經過綜合研究編制成配套的標準設計圖，進而匯編成建筑設計標準圖集。標準化設計的基礎是采用統一的建筑模數，減少建筑構配件的類型和規格，提高通用性。

體系化是根據各地區的自然特點、材料供應和設計標準的不同要求，設計出多樣化和系列化的定性構件與節點設計（也包括施工機械的設計及選用）。建筑師在此基礎上靈活選擇不同的定型產品，組合出多樣化的建筑體系。

（2）建筑構配件生產的工業化

將建筑中量多、面廣易于標準化設計的建筑構配件，由工廠進行集中批量生產，采用機械化手段，提高勞動生產率和產品質量、縮短生產周期。批量生產出來的建筑構配件進入流通領域成為社會通用的商品，促進建筑產品質量的提高并降低生產成本。

（3）建筑施工的裝配化和機械化

建筑設計的標準化、構配件生產的工廠化和產品的商品化，使建筑機械設備和專用設備得以充分開發應用。減少低技術人力，培養并增加高技術人力，通過掌握智能施工機械的操作，完成建設任務，并推動施工機械化的大面積應用。

（4）組織管理科學化

生產要素的合理組織，即按照建筑產品的技術經濟規律組織建筑產品的生產。提高建筑施工和構配件生產的社會化程度，也是建筑生產組織管理科學化的重要方面。針對建筑業的特點，一是設計與產品生產、產品生產與施工方面的綜合協調，使產業結構布局和生產資源合理化。二是生產與經營管理方法的科學化，要運用現代科學技術和計算機技術促進建筑工業化的快速發展。

機械化施工

施工機械化是指在建筑施工中將手工操作轉變為機器操作的過程。它是建筑業生產技術進步的一個重要標志，是建筑工業化的重要內容之一。其發展有三個階段：第一階段是部分機械化，主要采用機械操作，其他相聯系的作業仍用手工;第二階段是綜合機械化，各種作業都用機器來完成，工人只操作機器;第三階段是機械自動化，各種機器的運行由專門的儀表來控制，不需要人來操作。

實現施工機械化，有利于提高勞動生產率，節約勞動量;加快工程進度，縮短建設工期;保證和提高工程質量，降低工程成本。

3D打印技術

3D打印技術是利用光固化和紙層疊等方式實現快速成型的技術。它是將內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等特殊“打印材料”組成的3D打印機耗材，有機械臂疊層出建筑構件，與電腦連接后，通過多層打印方式，把計算機上的藍圖變成實物。

3D打印耗材可二次利用建筑產生的垃圾，3D打印機所用的油墨原料是從建筑垃圾、工業垃圾和礦山尾礦，以及水泥、鋼筋和特殊的助劑所組成的材料。建筑垃圾通過處理、加工和分離形成油墨，最終成為3D打印機的原材料，有效進行了建筑垃圾的二次利用，節省了建筑原材料的部分費用。這種材料的理論強度和使用年限上大大超過了鋼筋混凝土結構，但在剛度和耐久性等綜合性能上，還需要長期使用的過程中加以驗證。對于結構的穩定性上，3D打印可任意設計墻體結構，一次性解決墻體的承重結構問題，可用于橋梁，簡易工房、劇院、高層等建筑中。目前國內外均有3D打印建筑的試點工程，未來此技術能大面積應用，將會是建筑業的革命。

BIM技術

BIM（Building Information Modeling）技術是應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑的數據化、信息化模型整合，在項目策劃、施工、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。BIM技術有5個特點，可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性。與傳統的二維圖紙不同，BIM可以說是三維、四維甚至更多維度的設計，可以構件建筑物的三位模型，同時還加入了時間的維度。基于BIM技術，可以更好的使建筑工業化和施工機械化發揮其效用和把控，充分發揮裝配、3D打印、機械的控制、項目全過程管理等技術的優點。

現階段下建筑工業化和施工機械化在實際工程中的應用

設計階段 設計階段是整個施工過程中最為重要的一步，它的主要任務是：完成基于三維模型多專業協同工作，保證建筑構造與結構一致，建立各專業可視化建筑空間設計模型，確定各專業預留、預埋的重點區域及相關預制構件的拼接，3D打印構件的確定和模型的建立，預制構件初步模型搭建及名稱確定，模擬施工和碰撞檢查及施工方案的優化等。

基礎 基礎可采用現澆形式，這樣可以更加快速完成基礎的制作，支設模板時可采用3D打印機械完成。如獨立基礎、筏型基礎、樁承臺、條形基礎等，再澆筑混凝土實現基礎快速的制作。

鋼筋 利用機械臂完成綁扎與焊接，機械連接需要人工輔助來完成。

柱 可采用預制好的構件直接安裝，也可以采用3D打印模板然后現澆混凝土，兩者差別很大，一個是整體性問題，還有就是施工步驟，這個要參照對應工程的施工組織設計。

梁、板、樓梯 梁和板采用疊合梁、板安裝，然后再進行澆筑，這里要看混凝土柱和墻是現澆的還是預制構件的。樓梯完全可以采用預制構件，直接安裝。

混凝土墻 兩種施工方式，預制構件裝配和混凝土現澆，預制墻板直接安裝就可實現快速建立，現澆墻采用3D打印模板，然后澆筑混凝土，也同樣可以實現快速完成墻的建立。

砌筑墻 采用砌磚機械與人工相結合的施工方式，需要大面積砌筑的，就采用砌磚機械，例如磚混結構。小面積的就需要人工來完成，例如磚墻頂部的斜磚。

裝配式構件運輸 構件的運輸要選擇最佳的路線，還要考慮構件單次運輸的冗余度，因為這關系到運輸的成本，如果兩者沒有更好的實現最佳的效率，那么成本將會大大增加。

結合以上所訴，以及對現有技術掌握的情況下一步到位實現新技術的普及還有一定的時間，但就現有的技術而言，可結合以上的所有的技術包括目前使用廣泛的現澆技術，綜合發揮其在建設過程中最有效的部分結合使用使之實現快速、精確、節約、環保等優點，為將來實現建筑工業化和施工機械化的技術普及奠定基礎。

參考文獻

[1]中華人民共和國和住房和城鄉建設部等部門關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見。

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部等部門關于加快新型建筑工業化發展的若干意見。