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)進行大規(guī)模的推廣應用，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到75%，俄羅斯采用預制混凝土結(jié)構(gòu)率達50%，歐洲其余各國為35%—40%[1]。上世紀30年代，伴隨快速的城市化進程帶來需求，美國國內(nèi)大力推進建筑工業(yè)化發(fā)展。1971年，美國編制的《PCI設計手冊》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準的背景下形成了統(tǒng)一的模數(shù)標準，實現(xiàn)了裝配式建筑標準化、批量化、多樣化的發(fā)展[2]。2008年，日本采用裝配式建設技術(shù)建造的東京塔，高達58層，標志著其預制裝配式結(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，建設部《工程建設標準體系》推動了建筑產(chǎn)業(yè)標準化的初期發(fā)展。2015年，住建部正式《工業(yè)化建筑評價標準》，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)展起到促進作用。2017年，《工業(yè)化建筑評價標準》進一步修訂并更名為《裝配式建筑評價標準》。

2國外裝配式建筑研究綜述

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行了生命周期環(huán)境影響比較分析。基于不同假設和情景結(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等研究了預制木結(jié)構(gòu)的舒適度和過熱風險。他們對英國東南部的兩棟預制木結(jié)構(gòu)房屋分別進行了入住后評估、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行了參數(shù)分析，得到了確定預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)建造的學校是現(xiàn)代教育建筑的典范，它們的建筑技術(shù)有其獨特的特點，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))與非預制學校進行了比較，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、鋼在運輸和維護階段對環(huán)境影響較大[7]。預制具有簡單、快速和經(jīng)濟的優(yōu)點，但對設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等提出了一種機器人預制系統(tǒng)(RPS)，可以自動拆卸裝配式結(jié)構(gòu)并將其按新結(jié)構(gòu)設計進行改造，從而實現(xiàn)原結(jié)構(gòu)的拆卸并重新制造到新的設計中。在兩個實驗室規(guī)模的預制結(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)務模式發(fā)展的需要，對市場和流程優(yōu)化進行了研究，并提出了信息化管理方面的建議，分解了業(yè)務參與者的風險，澄清潛在的共同利益，提出了一種由承包商對客戶負全部責任的合同模式[10]。

2.2研究層次細化

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)材料主要有預制混凝土、交叉疊層木材(CLT)和預制木材模塊(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)研意大利預制建筑部門，用生命周期評價法對預制建筑的碳足跡、能源足跡進行分析，收集了一家在全國范圍內(nèi)經(jīng)營多家設施的大型公司的數(shù)據(jù)，對溫室氣體排放和能源消耗進行參數(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，碳足跡總效應減少11%，能源足跡減少9%[13]。Aye等評估了可重復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點，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)墻單元是預制木結(jié)構(gòu)單層、多層建筑的主要豎向承重構(gòu)件。預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度和由此產(chǎn)生的裂縫。Silih等人對單纖維石膏板（FPB）護套預制木框架墻體單元的水平承重阻力進行了數(shù)值分析[16]。Oktavianus等研究裝配式建筑中封閉式復合板材（CPCT）墻系統(tǒng)。材料的主要化學材料性能已通過測試，主要對系統(tǒng)進行了壓縮試驗、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等對預制結(jié)構(gòu)的生態(tài)效率和建筑優(yōu)化潛力進行研究。在不同耐久性和重復使用的條件下，他們運用數(shù)值模型分析了結(jié)構(gòu)響應，從材料表、建筑進度和經(jīng)濟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)，重復使用會使經(jīng)濟成本直接降低[20]。綠色屋頂是用于開發(fā)環(huán)保可持續(xù)建筑、增強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%，夏季冷卻負荷減少6%[21]。建筑構(gòu)件預制化的發(fā)展，機械、電氣和管道(MEP)系統(tǒng)的模塊化預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。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，為供暖、通風和空調(diào)及其它建筑服務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，進一步擴大應用范圍，國內(nèi)有必要采取科學的方法對裝配式建筑進行多元化、細致化的研究，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