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专家视角 | 工业化建造技术体系


 工业化建造技术体系 

一、工业化建造技术范畴

装配式建筑是技术升级的结果,技术的核心是实现装配式建筑的手段,即设计、生产、建造过程的工业化与信息化。相对于传统技术,工业化建造技术难度更大、内容更广、分类更细、研究更深。它不是对传统建筑技术的单点突破,它是从多个维度对行业的整体提升,主要包括设计技术、制造技术、总装技术和信息技术。

(一)设计技术

设计技术是龙头,是牵引,总揽装配式建筑全局。传统的设计,是远远不够的,必须进行深入的工艺设计。就是将一幢楼,按合理的规则,拆分为合适的零部件,现场要按规则将这些零部件装上去,成为一幢质量合格的建筑。设计技术的重要性在于,它在装配式建筑的起点上决定了项目的整体进程、品质、成本等。后面的各个环节都是在设计的规则下按步骤操作,相当于企业的战略。如果设计技术不够强大,后续的过程会出现出错率偏高、成本不受控等问题。

(二)制造技术

制造技术就是指工厂的预制混凝土构件生产。这种制造不同于其它制造业,因为它的材料是复合的,且预制混凝土的性能是逐渐生长的。如何把握好时间与生产节奏的协调,具有一定的难度。所以即使引进了制造业的人员来管理工厂,也还必须要进行混凝土性能等建筑方面的学习和实践。否则,生产出来的预制混凝土构件,在强度、观感等方面会出现各种问题。在工厂,还存在预制混凝土构件模具开发与制造技术,因每个项目的构件不一样,所以每个项目都要重新设计模具,如果设计不够优化,要么加工难度大,要么效率很低,要么模具通用性不好。

制造技术融合了制造业和建筑业两个行业的技术特点,俗话说,隔行如隔山,如何把两个行业的技术进行高度整合,形成统一协调的新技术,至今仍然存在很多困难。

(三)总装技术

总装技术相对要简单一些。但相比传统建筑业,也有很大的不同。首先体现在计划的重要性。传统建筑业很容易调整工期,增加一些工人,施工进度就赶上去了。而装配式建筑,施工进度受到各种资源因素的限制,尤其是预制混凝土构件的限制,只要有一个构件没有到位,可能就会影响一天、两天的工期。所以,计划管理就显得极其重要。其次就是施工组织技术要高度科学合理,比如垂直运输设备的选型、布置和设计。如果在设备的选择上与构件不匹配,出现构件吊不上楼的情况,会导致施工安全、进度等一系列问题。或者从成本的角度考虑,设备超吊能力远远大于构件的重量,会造成成本的增加和浪费。还有就是节点与接缝的处理,要通过技术的进步达到严丝合缝、恰到好处。这是总装质量的重要保障,必须严格按流程、按计划操作。一旦处理不到位,交房之后,渗漏问题会很严重。以上只是装配式建筑施工与传统建筑施工一部分的不同,在此不一一举例。

(四)信息技术

信息技术的难度是最大的。可以说,没有信息技术支持的建筑工业化,是初级的工业化,是没有效率的工业化。而目前阶段,全世界没有一套成熟的信息技术体系,能支持当前中国的建筑工业化发展。这是一个重要而广阔的市场,有几家企业在大力开发。一旦成功,就会极大的促进中国装配式建筑行业的发展。中民筑友目前已经在BIM领域实现了“快”、“小”、“集成”的重大突破,实现了IFC文件输出小型化,也是行业第一家实现移动终端应用的企业,我们的信息技术从微观作业交互到宏观展示达到了不受制他人的技术手段,自主开发能力得到了具体项目及市场的检验,形成了装配式建筑工业化平台独有的解决方案,是针对中国复杂结构体系的比较先进的解决方法。

二、工业化建造技术体系

建筑工业化指通过现代化的制造、运输、安装和科学管理的大工业的生产方式,来代替传统建筑业中分散的、低水平的、低效率的手工业生产方式。它的主要标志是建筑设计标准化、构配件生产工厂化,施工机械化和组织管理科学化。

结构体系:PC结构、钢结构、现代木结构

工业化范畴:主体结构、钢筋加工、建筑部品、机械施工

(一)推进工业化技术

在装配式建筑中,设计与生产存在着不可分割的联系:设计便于在生产制造中降低成本;生产工艺改进促进提高设计灵活性,设计与工艺是一个互利互进的关键环节。对于一些小型构件如楼梯、阳台等更应该全面采用预制装配工艺,减少现场作业。

近几年我国已大规模在众多高层或超高层工程的核心筒部位推广了液压爬模,这也是一种很好的模板工业化施工体系。

RC(钢筋混凝土)框架结构实现工业化施工,宜先从三合一预制装配外墙板,剪力墙采用大模板快速整体支、拆柱模,RC叠合楼板和预制装配内隔墙(或干作业)等方面抓起。目前,RC结构施工采用预制装配与现场现浇相结合的施工工艺,该技术的关键在于提高劳动效率和机械化水平。

在装饰、机电施工工业化方面,力求取消或大大减少现场湿作业、消除砌筑抹灰等强体力劳动,减少手工作业,最大程度地实行工厂预制、现场组装的工艺。

门窗全部在工厂制作并组装成整体运至现场整体安装,外门窗也要在预制外墙板的生产厂内安装完成后再出厂。

卫浴、厨房宜采取标准模数式设计,采用标准部配件和定型设备,有条件最好采用厕、厨匣子结构,在厂内整套组装好后运至现场整体安装。

装饰和机电虽然工作量不如结构大,但品种复杂,工序频繁,相互交错,并且不少项目在工厂内预制有诸多不便,需进一步探索。如图1.28所示。

图1.28 工业化技术应用

(二)装配式建筑设计的三大关键

(1)预制构件的科学拆分

建筑产业化的核心是生产工业化,生产工业化的关键是设计标准化,最核心的环节是建立一整套具有适应性的模数以及模数协调原则。设计中据此优化各功能模块的尺寸和种类,使建筑部品实现通用性和互换性,保证房屋在建设过程中,在功能、质量、技术和经济等方面获得最优的方案,促进建造方式从粗放型向集约型转变。

实现标准化的关键点则是体现在对构件的科学拆分上。预制构件科学拆分对建筑功能、建筑平立面、结构受力状况、预制构件承载能力、工程造价等都会产生影响。根据功能与受力的不同,构件主要分为垂直构件、水平构件及非受力构件。垂直构件主要是预制剪力墙等。水平构件主要包括预制楼板、预制阳台空调板、预制楼梯等。非受力构件包括PCF外墙板及丰富建筑外立面、提升建筑整体美观性的装饰构件等。

对构件的拆分主要考虑五个因素:一是受力合理;二是制作、运输和吊装的要求;三是预制构件配筋构造的要求;四是连接和安装施工的要求;五是预制构件标准化设计的要求,最终达到“少规格、多组合”的目的。

在北京五和万科长阳天地项目中,通过科学拆分将预制外墙板种类控制为6种、预制内墙板控制为3种、预制阳台板控制为1种,单块预制墙板重量控制在6吨以下。连接节点的尺寸尽量统一,减少了模板的种类。

(2)连接节点的处理

连接节点的设计与施工是装配式结构的重点和难点。保证连接节点的性能是保证装配式结构性能的关键。装配式结构连接节点在施工现场完成是最容易出现质量问题的环节,而连接节点的施工质量又是整个结构施工质量的核心。因此,所采用的节点形式应便于施工,并能保证施工质量。

预制构件竖向受力钢筋的连接方式是美国和日本等地震多发国家普遍应用的钢筋套筒连接技术。通过我国科研技术人员大量的理论、试验分析,证明了该技术的安全可靠性,并纳入我国行业标准《装配式混凝土结构技术规程》。灌浆套筒连接技术是通过向内外套筒间的环形间隙填充水泥基等灌浆料的方式连接上下两根钢筋,实现传力合理、明确,使计算分析与节点实际受力情况相符合。

从建筑专业的角度来讲,节点处理的重点包括外保温及防水措施。“三明治”式的夹芯外墙板,内侧是混凝土受力层、中间是保温层、外侧是混凝土保护层,通过连接件将内外层混凝土连接成整体,既保证了外墙稳定的保温性能传热系数,也提高了防火等级。防水措施主要体现在板缝交接处,竖向板缝采用结构防水与材料防水结合的两道防水构造,水平板缝采用构造防水与材料防水结合的两道防水构造。

(3)BIM全产业链应用

将BIM与产业化住宅体系结合,既能提升项目的精细化管理和集约化经营,又能提高资源使用效率、降低成本、提升工程设计与施工质量水平。

BIM软件可全面检测管线之间与土建之间的所有碰撞问题,并提供给各专业设计人员进行调整,理论上可消除所有管线碰撞问题。Revit MEP通过数据驱动的系统建模和设计来优化管道桥架设计,可以最大限度地减少管道桥架系统设计中管道桥架之间、管道桥架与结构构件之间的碰撞。

设计院应具备在产业化项目中进行全产业链、全生命周期的BIM应用策划能力,确定BIM信息化应用目标与各阶段BIM应用标准和移交接口,建立BIM信息化技术应用协同平台并进行维护更新,在产业化项目的前期策划阶段、设计阶段、构件生产阶段、施工阶段、拆除阶段实现全生命周期运用BIM技术,帮助业主实现对项目的质量、进度和成本的全方位、实时控制。

(三)工业化建筑的结构体系分析

工业化建筑是指采用构配件工厂化生产,在现场以机械化的方法装配而成的建筑。

(1)装配式框架体系

预制装配式框架结构体系按标准化设计,根据结构、建筑特点将柱、梁、板、楼梯、阳台、外墙等构件拆分,在工厂进行标准化预制生产,现场采用塔吊等大型设备安装,形成房屋建筑。

预制部件:柱、叠合梁、叠合楼板、阳台、楼梯等

体系特点:工业化程度高,内部空间自由度好,室内梁柱外露,施工难度较高,成本较高。

适用高度:60米以下

适用建筑:公寓、办公、酒店、学校等建筑

(2)装配式剪力墙体系

“装配剪力墙结构”是“装配式混凝土结构”的一种类型,其定义是主要受力构件剪力墙、梁、板部分或全部由预制混凝土构件(预制墙板、叠合梁、叠合板)组成的装配式混凝土结构。在施工现场拼装后,采用墙板间竖向连接缝现浇、上下墙板间主要竖向受力钢筋浆锚连接以及楼面梁板叠合现浇形成整体的一种结构形式。目前装配式剪力墙结构建造方式主要包括以下四种:

a.装配整体式剪力墙,采用剪力墙墙身整体预制,边缘构件采用现浇形式;

b.双面叠合剪力墙,采用剪力墙内侧面和外侧面预制,中间现浇;

c.单面叠合剪力墙,采用建筑外围剪力墙外侧面预制,内侧现浇;

d.内浇外挂,即主体结构受力构件采用现浇,非受力构件采用外挂形式。

预制部件:剪力墙、叠合楼板,叠合梁、楼梯、阳台、空调板、飘窗、户隔墙等

体系特点:工业化程度高,预制比例可达70%,房间空间完整,几乎无梁柱外露,施工简易,成本最低可与现浇持平、可选择局部或全部预制,空间灵活度一般。

适用高度:高层、超高层

适用建筑:保障房、商品房等

(3)装配式框架-剪力墙体系

装配式框架-剪力墙体系根据预制构件部位的不同,可以分为预制框架-现浇剪力墙结构、预制框架-现浇核心筒结构、预制框架-预制剪力墙结构三种形式。兼有框架结构和剪力墙结构的特点,体系中剪力墙和框架布置灵活,易实现大空间,适用高度较高。

预制部件:柱、剪力墙、叠合楼板,阳台,楼梯、户隔墙等

体系特点:工业化程度高,施工难度高,成本较高,室内柱外露,内部空间自由度较好。

适用高度:高层、超高层

适用建筑:商品房、保障房等

(四)BIM技术在装配式建筑中的应用价值分析

(1)BIM技术在装配式建筑设计阶段中的应用价值

a.提高装配式建筑设计效率

装配式建筑设计中,由于需要对预制构件进行各类预埋和预留的设计,因此更加需要各专业的设计人员密切配合。利用BIM技术所构建的设计平台,装配式建筑设计中的各专业设计人员能够快速地传递各自专业的设计信息,对设计方案进行“同步”修改。借助BIM技术与“云端”技术,各专业设计人员可以将包含有各自专业的设计信息的BIM模型统一上传至BIM设计平台,通过碰撞与自动纠错功能,自动筛选出各专业之间的设计冲突,帮助各专业设计人员及时找出专业设计中存在的问题;装配式建筑中预制构件的种类和样式繁多,出图量大,通过BIM技术的“协同”设计功能,某一专业设计人员修改的设计参数能够同步、无误地被其他专业设计人员调用,这方便了配套专业设计人员进行设计方案的调整,节省各专业设计人员由于设计方案调整所耗费的时间和精力。

此外,通过授予装配式建筑专业设计人员、构件拆分设计人员、以及相关的技术和管理人员不同的管理和修改权限,可以使更多的技术和管理专业人士参与到装配式建筑的设计过程中,根据自己所处的专业提出意见和建议,减少预制构件生产和装配式建筑施工中的设计变更,提高业主对装配式建筑设计单位的满意度,从而提高装配式建筑的设计效率,减少或避免由于设计原因造成的项目成本增加和资源浪费。

b.实现装配式预制构件的标准化设计

BIM技术可以实现设计信息的开放与共享。设计人员可以将装配式建筑的设计方案上传到项目的“云端”服务器上,在云端中进行尺寸、样式等信息的整合,并构建装配式建筑各类预制构件(例如门、窗等)的“族”库。随着云端服务器中“族”的不断积累与丰富,设计人员可以将同类型“族”进行对比优化,以形成装配式建筑预制构件的标准形状和模数尺寸。预制构件“族”库的建立有助于装配式建筑通用设计规范和设计标准的设立。利用各类标准化的“族”库,设计人员还可以积累和丰富装配式建筑的设计户型,节约户型设计和调整的时间,有利于丰富装配式建筑户型规格,更好地满足居住者多样化的需求。

c.降低装配式建筑的设计误差

设计人员可以利用BIM技术对装配式建筑结构和预制构件进行精细化设计,减小装配式建筑在施工阶段容易出现的装配偏差问题。借助BIM技术,对预制构件的几何尺寸及内部钢筋直径、间距、钢筋保护层厚度等重要参数进行精准设计、定位。在BIM模型的三维视图中,设计人员可以直观地观察到待拼装预制构件之间的契合度,并可以利用BIM技术的碰撞检测功能,细致分析预制构件结构连接节点的可靠性,排除预制构件之间的装配冲突,从而避免由于设计粗糙而影响到预制构件的安装定位,减少由于设计误差带来的工期延误和材料资源的浪费。

(2)BIM技术在预制构件生产阶段的应用价值

a.优化整合预制构件生产流程

装配式建筑的预制构件生产阶段是装配式建筑生产周期中的重要环节,也是连接装配式建筑设计与施工的关键环节。为了保证预制构件生产中所需加工信息的准确性,预制构件生产厂家可以从装配式建筑BIM模型中直接调取预制构件的几何尺寸信息,制定相应的构件生产计划,并在预制构件生产的同时,向施工单位传递构件生产的进度信息。

为了保证预制构件的质量和建立装配式建筑质量可追溯机制,生产厂家可以在预制构件生产阶段为各类预制构件植入含有构件几何尺寸、材料种类、安装位置等信息的RFID芯片,通过RFID技术对预制构件进行物流管理,提高预制构件仓储和运输的效率。

b.加快装配式建筑模型试制过程

为了保证施工的进度和质量,在装配式建筑设计方案完成后,设计人员将BIM模型中所包含的各种构配件信息与预制构件生产厂商共享,生产厂商可以直接获取产品的尺寸、材料、预制构件内钢筋的等级等参数信息,所有的设计数据及参数可以通过条形码的形式直接转换为加工参数,实现装配式建筑BIM模型中的预制构件设计信息与装配式建筑预制构件生产系统直接对接,提高装配式建筑预制构件生产的自动化程度和生产效率。还可以通过3D打印的方式,直接将装配式建筑BIM模型打印出来,从而极大地加快装配式建筑的试制过程,并可根据打印出的装配式建筑模型校验原有设计方案的合理性。

(3)BIM技术在装配式建筑施工阶段的应用价值

a.改善预制构件库存和现场管理

装配式建筑预制构件生产过程中,对预制构件进行分类生产、储存需要投入大量的人力和物力,并且容易出现差错。利用BIM技术结合RFID技术,通过在预制构件生产的过程中嵌入含有安装部位及用途信息等构件信息的RFID芯片,存储验收人员及物流配送人员可以直接读取预制构件的相关信息,实现电子信息的自动对照,减少在传统的人工验收和物流模式下出现的验收数量偏差、构件堆放位置偏差、出库记录不准确等问题的发生,可以明显地节约时间和成本。在装配式建筑施工阶段,施工人员利用RFID技术直接调出预制构件的相关信息,对此预制构件的安装位置等必要项目进行检验,提高预制构件安装过程中的质量管理水平和安装效率。

b.提高施工现场管理效率

装配式建筑吊装工艺复杂、施工机械化程度高、施工安全保证措施要求高,在施工开始之前,施工单位可以利用BIM技术进行装配式建筑的施工模拟和仿真,模拟现场预制构件吊装及施工过程,对施工流程进行优化;也可以模拟施工现场安全突发事件,完善施工现场安全管理预案,排除安全隐患,从而避免和减少质量安全事故的发生。利用BIM技术还可以对施工现场的场地布置和车辆开行路线进行优化,减少预制构件、材料场地内二次搬运,提高垂直运输机械的吊装效率,加快装配式建筑的施工进度。

c.5D施工模拟优化施工、成本计划

利用BIM技术,在装配式建筑的BIM模型中引入时间和资源维度,将“3D-BIM”模型转化为“5D-BIM”模型,施工单位可以通过“5D-BIM”模型来模拟装配式建筑整个施工过程和各种资源投入情况,建立装配式建筑的“动态施工规划”,直观地了解装配式建筑的施工工艺、进度计划安排和分阶段资金、资源投入情况;还可以在模拟的过程中发现原有施工规划中存在的问题并进行优化,避免由于考虑不周引起的施工成本增加和进度拖延。利用“5D-BIM”进行施工模拟使施工单位的管理和技术人员对整个项目的施工流程安排、成本资源的投入有了更加直观的了解,管理人员可在模拟过程中优化施工方案和顺序、合理安排资源供应、优化现金流,实现施工进度计划及成本的动态管理。

(4)BIM技术在装配式建筑运维阶段的应用价值

a.提高运维阶段的设备维护管理水平

借助BIM和RFID技术搭建的信息管理平台可以建立装配式建筑预制构件及设备的运营维护系统。以BIM技术的资料管理与应急管理功能为例,在发生突发性火灾时,消防人员利用BIM信息管理系统中的建筑和设备信息可以直接对火灾发生位置进行准确定位,并掌握火灾发生部位所使用的材料,有针对性地实施灭火工作。此外,运维管理人员在进行装配式建筑和附属设备的维修时,可以直接从BIM模型中调取预制构件、附属设备的型号、参数和生产厂家等信息,提高维修工作效率。

b.加强运维阶段的质量和能耗管理

BIM技术可实现装配式建筑的全生命周期信息化,运维管理人员利用预制构件中的RFID芯片,获取保存在芯片中预制构件生产厂商、安装人员、运输人员等的重要信息。一旦发生后期的质量问题,可以将问题从运维阶段追溯至生产阶段,明确责任的归属。BIM技术还可以实现预制装配式建筑的绿色运维管理,借助预埋在预制构件中的RFID芯片,BIM软件可以对建筑物使用过程中的能耗进行监测和分析,运维管理人员可以根据BIM软件的处理数据在BIM模型中准确定位高耗能所在的位置并设法解决。此外,预制建筑在拆除时可以利用BIM模型筛选出可回收利用的资源进行二次开发回收利用,节约资源,避免浪费。

(五)装配式装修

装配式装修就是将工厂化生产的部件系统由产业工人按照标准程序实现现场绿色装配的建造方式。

(1)全装修

全装修是指建筑的功能空间的固定面装修和设备设施安装全部完成,达到建筑使用功能和建筑性能的基本要求。

在部件产品的模块化、标准化和工厂化的基础上,全装修采用预制型装修代替传统的现场装修,能够有效提高生产效率、节约成本、提升居住品质,优势明显。

工厂化装修包括:

a.整体厨房及关键厨房电器(如灶具、油烟机等)统一配置;

b.整体卫生间及卫浴设备的统一配置;

c.家庭收纳系统的统一配置;

d.固定家具工厂预制;

e.地板和门等部品的统一配置和装配化施工;

f.预制构件图做好机电点位预留预理的设计。

在屋顶渗漏、门窗密封效果差、保温墙体开裂等问题屡见不鲜的当前,落实全装修对于全面提升住房品质和性能、实现节能减排、减少环境污染、提供更优居住环境有很大的帮助。

预先精心设计的不同风格的方案,可以让业主在“菜单式装修”中的最开始的设计阶段,针对不同套型或相同套型先择不同风格的装修套餐,也可以选择装修单品,能够全方位地考虑各类业主的实际需求。

同时,全装修更侧重的是很多设备、管线、构造、结构、防水等等重要的工程部分,业主仍然对于房屋的“软装饰”有很大的自主权。

(2)构成装配式装修体系的八大系统

图1.29 八大系统

(3)装配式装修的核心思想

a.管线与结构分离,消除湿作业;

b.摆脱对传统手工艺的依赖;

c.节能环保特性更突出;

d.后期维护翻新更方便。

三、技术分析

关于工业化建造技术分析的详细介绍请见表格1.11。

表1.11 工业化建造技术分析表

在不同的历史时期,围绕推广新型建造方式、实现建筑产业转型升级、提高工程质量和建筑品质,我国提出了若干发展目标。如上世纪50年代提出建筑工业化,上世纪90年代提出住宅产业现代化等等,而建筑产业现代化是对建筑产业未来发展的顶层设计,是对这些概念的高度概括和凝练。新时期提出的建筑工业化是以构件预制化生产、装配式施工为生产模式,以设计标准化、构件部品化、施工机械化为特征,能够在设计、生产、施工、管理等环节形成了完整的有机产业链,实现房屋建造全过程的工业化、集约化和社会化,并将建筑工业化与信息化的深度融合,从而提高建筑工程质量和效益,实现建筑产品节能、环保、全生命周期价值的最大化,是对传统建造模式的重大变革。

工业化建筑作为新型建造方式的典型代表,在研究中要放到重要核心位置。研究中把握以下要点:“装配”是建造的天然属性之一,现代装配式建筑是工业化生产的进一步专业化、规模化的必然结果。装配的本质是协同工作,信息化的发展为协同提供了无限可能。以“装配”提高建筑产品质量、提高建造工人的工作生活品质、降低对环境的影响。“装配式”作为一种协同工作模式,工程总承包是提高协同效率的最好的资源组织管理方式,能够提高承包商的履约品质。

发展工业化建筑是建筑生产方式的重大变革,是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措,有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平,有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。

作者:毛志兵 李云贵 郭海山等



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