國外裝配式建筑研究
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關(guān)鍵詞：裝配式建筑；發(fā)展現(xiàn)狀；研究綜述
1國內(nèi)外裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀
早在20世紀(jì)20年代的歐洲，德國就提出建筑工業(yè)化理念，1933年在住宅區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，目前，裝配式小型住宅在德國市場上最受歡迎。法國建筑的裝配率已達(dá)到75%，俄羅斯采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)率達(dá)50%，歐洲其余各國為35%—40%[1]。上世紀(jì)30年代，伴隨快速的城市化進(jìn)程帶來需求，美國國內(nèi)大力推進(jìn)建筑工業(yè)化發(fā)展。1971年，美國編制的《PCI設(shè)計手冊》在國際上引起廣泛的影響，對世界裝配式產(chǎn)業(yè)的全過程具有指導(dǎo)性意義。1968年，日本提出裝配式住宅的概念，通過立法保證了構(gòu)件質(zhì)量，并在一系列政策和標(biāo)準(zhǔn)的背景下形成了統(tǒng)一的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、多樣化的發(fā)展[2]。2008年，日本采用裝配式建設(shè)技術(shù)建造的東京塔，高達(dá)58層，標(biāo)志著其預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量發(fā)展。同時，東京塔先后在幾次地震中都經(jīng)受住了考驗，驗證了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性。國內(nèi)建筑工業(yè)化推行較晚。2003年，建設(shè)部《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系》推動了建筑產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的初期發(fā)展。2015年，住建部正式《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，首次明確“工業(yè)化建筑”、“裝配率”和“建筑部品”等專業(yè)術(shù)語，進(jìn)一步完善了我國工業(yè)化建筑基礎(chǔ)理論，對我國建筑工業(yè)化發(fā)展起到促進(jìn)作用。2017年，《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)一步修訂并更名為《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》。
國外裝配式建筑發(fā)展較早，建筑體系趨于完善，相關(guān)研究較國內(nèi)成熟。在一些發(fā)達(dá)國家，裝配式住宅是建筑工業(yè)化的主要表現(xiàn)形式。與國內(nèi)相比，國外裝配式研究對象更加多元化、研究層次更加細(xì)化。
2.1研究對象多元化
木材與傳統(tǒng)建筑材料相比，由于其綠色資質(zhì)和縮短總工期的能力，深受建筑施工青睞。Tavares等評估了預(yù)制木結(jié)構(gòu)等不同裝配式建筑的能源消耗、溫室氣體排放，為不同情況背景下預(yù)制結(jié)構(gòu)的選擇布局提供理論依據(jù)。從材料的生產(chǎn)到現(xiàn)場的最終組裝，對裝配式建筑進(jìn)行了全過程的能源消耗與溫室氣體排放的計算。結(jié)果表明，材料生產(chǎn)階段耗能較大，能源消耗、溫室氣體分別占全過程的64%~90%、59%~87%。從材質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，輕鋼框架和木結(jié)構(gòu)對環(huán)境影響最低[3]。Skulestad等對建筑物結(jié)構(gòu)框架（鋼筋混凝土、木材框架）分類，并對不同樓層高度進(jìn)行了生命周期環(huán)境影響比較分析。基于不同假設(shè)和情景結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)采用木框架結(jié)構(gòu)的建筑比采用混凝土框架的建筑對環(huán)境影響更低[4]。Adekunle等研究了預(yù)制木結(jié)構(gòu)的舒適度和過熱風(fēng)險。他們對英國東南部的兩棟預(yù)制木結(jié)構(gòu)房屋分別進(jìn)行了入住后評估、熱舒適性調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測期間67%的空間會出現(xiàn)極端夏季過熱現(xiàn)象[5]。Vesna等探究了預(yù)制木結(jié)構(gòu)能耗問題。他們通過現(xiàn)有研究結(jié)果總結(jié)出影響建筑物能量性能的重要參數(shù)，利用PHPP軟件分析了可變參數(shù)對供熱和制冷能耗的影響。他們對歐洲6種不同熱性能外墻構(gòu)件的玻璃與墻體面積比進(jìn)行了參數(shù)分析，得到了確定預(yù)制木框建筑的最佳玻璃窗區(qū)域比例的方法[6]。使用工業(yè)化技術(shù)建造的學(xué)校是現(xiàn)代教育建筑的典范，它們的建筑技術(shù)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，減少資源消耗的同時，減少了廢棄物的產(chǎn)生。Pons和Wadel對西班牙的裝配式結(jié)構(gòu)校園(混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu))與非預(yù)制學(xué)校進(jìn)行了比較，結(jié)論是裝配式結(jié)構(gòu)校園對環(huán)境產(chǎn)生的影響小，而且可以進(jìn)一步降低對環(huán)境的影響。在校園建造過程中，鋼、混凝土結(jié)構(gòu)在材料開采和制造階段耗能較大，木材、鋼在運(yùn)輸和維護(hù)階段對環(huán)境影響較大[7]。預(yù)制具有簡單、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但對設(shè)計的變化卻缺乏靈活性，這是其在建筑業(yè)市場份額有限的主要原因。為解決這一缺陷，Kasperzyk等提出了一種機(jī)器人預(yù)制系統(tǒng)(RPS)，可以自動拆卸裝配式結(jié)構(gòu)并將其按新結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改造，從而實現(xiàn)原結(jié)構(gòu)的拆卸并重新制造到新的設(shè)計中。在兩個實驗室規(guī)模的預(yù)制結(jié)構(gòu)上的驗證試驗表明，該系統(tǒng)成功地生成了所需的再制造序列，并以可接受的安裝精度執(zhí)行了所有裝配操作[8]。根據(jù)歐盟的指示，能源效率的下一步是改善和提高現(xiàn)有建筑物的能源性能。特別是建于60年代、70年代的建筑，這些建筑物的外墻需要經(jīng)常翻新，有極大改進(jìn)的潛力。Passer等利用生命周期評估(LCA)確定環(huán)境影響最小的翻新方案，并評估了該方案對未來氣候穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，使用預(yù)制立面結(jié)構(gòu)、太陽能集熱器系統(tǒng)和光伏板是最佳的翻新類型。從生命周期的角度看，預(yù)制對環(huán)境的影響是最低的，此外，對改變地區(qū)供暖的能源供應(yīng)是非常有益[9]。建筑翻新同時，面臨降低成本的問題。Bystedt等針對翻新業(yè)務(wù)模式發(fā)展的需要，對市場和流程優(yōu)化進(jìn)行了研究，并提出了信息化管理方面的建議，分解了業(yè)務(wù)參與者的風(fēng)險，澄清潛在的共同利益，提出了一種由承包商對客戶負(fù)全部責(zé)任的合同模式[10]。
2.2研究層次細(xì)化
建筑物在生命周期內(nèi)會消耗大量的資源、能源，據(jù)統(tǒng)計，世界上大約60%的原材料開采與土木工程和建筑建設(shè)活動有關(guān)。不同的材料可以實現(xiàn)類似的功能，但是相關(guān)的一次能源和氣候影響可能有很大不同。Tettey等探討了不同建筑材料體系的多層住宅在生命周期內(nèi)一次能源消耗情況。建筑結(jié)構(gòu)材料主要有預(yù)制混凝土、交叉疊層木材(CLT)和預(yù)制木材模塊(模塊化)。結(jié)果表明，CLT與混凝土相比，可降低一次能源的使用，并提高生物質(zhì)的殘留量。CLT建筑生產(chǎn)階段可回收生物質(zhì)殘余物的熱值明顯大于其生產(chǎn)所需的一次能源。CLT和裝配式建筑的總生命周期一次能源使用分別比使用熱電聯(lián)產(chǎn)供暖的混凝土建筑低20%~37%和9%~17%[11]。Takano等研究了三種構(gòu)件（結(jié)構(gòu)框架、表面組件和內(nèi)部構(gòu)件）材料的選擇對一次能源的影響。計算建筑模型在生命周期內(nèi)一次能源使用情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料的選擇比其他兩類構(gòu)件有更大的影響，外保溫材料的選擇對其表面和內(nèi)部構(gòu)件性能的影響相對較大。其中，木塑產(chǎn)品的能量回收效益對建筑的生命周期能量平衡有著重要的影響[12]。使用建筑預(yù)制件有許多好處，包括提高施工過程效率和減少廢棄物、生命周期內(nèi)減少對環(huán)境影響。目前，建筑預(yù)制件還不清楚實現(xiàn)碳減少的程度。Bonamente等通過調(diào)研意大利預(yù)制建筑部門，用生命周期評價法對預(yù)制建筑的碳足跡、能源足跡進(jìn)行分析，收集了一家在全國范圍內(nèi)經(jīng)營多家設(shè)施的大型公司的數(shù)據(jù)，對溫室氣體排放和能源消耗進(jìn)行參數(shù)化分析。結(jié)果表明，建筑保溫對建筑環(huán)境足跡有重大影響，在高保溫情況下，碳足跡總效應(yīng)減少11%，能源足跡減少9%[13]。Aye等評估了可重復(fù)使用的裝配式建筑模塊在整個生命周期內(nèi)溫室氣體排放量和能源消耗量。為了確定裝配式建筑是否有效改善了傳統(tǒng)施工方案的環(huán)境性能，他們量化了預(yù)制構(gòu)件的具體能量。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，材料的再利用潛力很大，可節(jié)約81%的能源和51%的材料[14]。Teng等以影響裝配式建筑生命周期碳排放（LCCa）的12個變量為系統(tǒng)框架，采用系統(tǒng)分析和綜合分析法，為裝配式建筑可以減少碳排放提供依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制與傳統(tǒng)的基本情況相比，平均實現(xiàn)了15.6%的碳減排量。然而，個別的預(yù)制建筑實際碳排放有所增加，說明不同變量對裝配式建筑LCCa的影響是不一樣的。作者提出了七個改進(jìn)點(diǎn)，為裝配式建筑LCCa提供了一個更清晰、更關(guān)鍵的理解，并為未來的研究方向提出建議[15]。木結(jié)構(gòu)是世界上許多國家建筑業(yè)的重要組成部分，木構(gòu)墻單元是預(yù)制木結(jié)構(gòu)單層、多層建筑的主要豎向承重構(gòu)件。預(yù)制木框墻體的水平承載能力主要取決于其相對較低的抗拉強(qiáng)度和由此產(chǎn)生的裂縫。Silih等人對單纖維石膏板（FPB）護(hù)套預(yù)制木框架墻體單元的水平承重阻力進(jìn)行了數(shù)值分析[16]。Oktavianus等研究裝配式建筑中封閉式復(fù)合板材（CPCT）墻系統(tǒng)。材料的主要化學(xué)材料性能已通過測試，主要對系統(tǒng)進(jìn)行了壓縮試驗、有限元分析，為全面了解影響系統(tǒng)軸向阻抗的敏感參數(shù)，進(jìn)行了包括材料、釘?shù)拇笮『团帕?、釘?shù)拈g距和粘結(jié)劑等類型的參數(shù)化研究[17]?；旌辖Y(jié)構(gòu)體系對高層建筑行業(yè)具有戰(zhàn)略意義，特別是混合木材建筑系統(tǒng)的出現(xiàn)，使人們對研究實用、可持續(xù)、節(jié)能環(huán)保的解決方案產(chǎn)生了興趣，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料使用最廣泛的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的競爭。Piazza等針對組合式裝配式建筑的發(fā)展進(jìn)行了研究，并論述了一種新型的多功能鋼與木材混合結(jié)構(gòu)體系及其可持續(xù)性方面的潛力。主要構(gòu)件是將木材和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，通過創(chuàng)新連接測試以及結(jié)構(gòu)部件的數(shù)值分析保證了結(jié)構(gòu)可靠性，為建筑工業(yè)化提供了輕型現(xiàn)代抗震建筑構(gòu)造[18]。He等提出了一種由混凝土框架和木隔板組合而成的混合結(jié)構(gòu)。在這種混合結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土被用來建造框架，提供水平和橫向荷載的阻力，而木隔板為地板系統(tǒng)。由于木膜片的輕量化，可以最大限度地減少了靜載和橫向地震荷載。同時，木材由于是一種環(huán)保建筑材料，這種混合結(jié)構(gòu)可以降低建筑材料的碳排放[19]。建筑及其相關(guān)技術(shù)對環(huán)境都有至關(guān)重要的影響。Navarro-Rubio等對預(yù)制結(jié)構(gòu)的生態(tài)效率和建筑優(yōu)化潛力進(jìn)行研究。在不同耐久性和重復(fù)使用的條件下，他們運(yùn)用數(shù)值模型分析了結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從材料表、建筑進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)成本三方面反映其優(yōu)化潛力，并通過生命周期評估得到其對環(huán)境的影響，較其它方案工期減少約80%，耐久性與壽命直接相關(guān)，重復(fù)使用會使經(jīng)濟(jì)成本直接降低[20]。綠色屋頂是用于開發(fā)環(huán)?？沙掷m(xù)建筑、增強(qiáng)視覺吸引力的綠色技術(shù)之一。Saiz等人評價了3種不同的屋頂系統(tǒng)，普通平頂、和綠色屋頂對一座多層住宅建筑生命周期環(huán)境的影響。經(jīng)實證研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂每年節(jié)約能源約1%，夏季冷卻負(fù)荷減少6%[21]。建筑構(gòu)件預(yù)制化的發(fā)展，機(jī)械、電氣和管道(MEP)系統(tǒng)的模塊化預(yù)制在過去十年中變得越來越普遍，然而，它目前只用于較小的系統(tǒng)。Samarasinghe等根據(jù)裝配式成本和機(jī)械、電氣、管道模塊化處理成本，采用模糊邏輯、依賴結(jié)構(gòu)矩陣和層次聚類結(jié)合的方法，實現(xiàn)了最小安裝成本，確定最優(yōu)模塊數(shù)和模塊劃分點(diǎn)。其中，系統(tǒng)最優(yōu)模塊化程度高度依賴于模塊尺寸和模塊劃分點(diǎn)，為供暖、通風(fēng)和空調(diào)及其它建筑服務(wù)提供有效的模塊化方法[22]。
3結(jié)論及建議
我國建筑業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是推行工業(yè)化，提高預(yù)制率，以降低成本及對環(huán)境的影響。相對國外而言，國內(nèi)裝配式建筑的絕大部分研究還局限于經(jīng)濟(jì)效益評價，研究對象大多為混凝土結(jié)構(gòu)，以及基于BIM的信息化管理，總體呈現(xiàn)單一性、片面性。為了推動我國裝配式建筑健康、高速的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，國內(nèi)有必要采取科學(xué)的方法對裝配式建筑進(jìn)行多元化、細(xì)致化的研究，為裝配式建筑的發(fā)展提供扎實的理論依據(jù)。同時，采取有效措施最大限度地降低能源消耗量、污染物排放量，實現(xiàn)建筑生態(tài)一體化。
作者：徐偉 武春楊 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)
