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装配式建筑:建筑界的“预制菜” 长啥样?

在“双碳”目标与数字化提速的当下,装配式建筑还有哪些想象力?

文 | BAI资本 王亦君

Architectureistheverymirroroflife.Youonlyhavetocastyoureyesonbuildingstofeelthepresenceofthepast,thespiritofaplace;theyarethereflectionofsociety.

——IeohMingPei,the last master of high modernist architecture

建筑是生活的镜子。你只需要注视着那些建筑物就能感受到过去,感受一个地方的灵魂,它们就是社会的倒影。

——贝聿铭,“现代主义建筑最后的大师”

什么是装配式建筑?这种建筑方式,是将构件在工厂进行标准化批量预制后,运输到施工现场进行拼装,与其他构件可靠连接,最终建成完工。

如果把建房子类比为厨师做大餐,那装配式建筑就好比先把食材(建筑构件)在中央厨房(工厂)进行预处理,再运到门店厨房(施工现场)进行烹饪(拼装)。

装配式建筑,也可称为建筑界的乐高

装配式建筑主要包括预制装配式混凝土结构(PC,Precast Concrete)、钢结构(PS,Precast Steel)以及现代木结构建筑,被普遍认为是现代工业化生产方式的代表。

01 从古希腊庙宇到榫卯结构木屋,装配式建筑不是新概念

无论是自然界还是人类历史中,“预制”、“装配”的概念从不新鲜。

在澳大利亚树林中,雄园丁鸟会利用小树枝搭建、装饰求偶亭吸引雌鸟,这一充满智慧和美感的行为让它们被誉为“鸟类建筑家“。

对人类而言,早在农业出现前就有采集狩猎者利用兽皮、树干搭建房屋;古希腊、古埃及的庙宇宫殿,均是在加工场将石材凿好后运输至现场安装搭建。

我国古代的木质梁柱体系是今天框架建筑的原型,近代著名建筑学家梁思成在破译《营造法式》时发现古代木结构已经有了高度标准化的设计概念,即所谓“凡构屋之制,皆以材为祖”。此类传统木构房屋使用模数化的、预先制造的木材部件,无需连接材料,还不易受到地震破坏。

《营造法式》斗栱各部分名称示意图,来源:清华大学建筑学院中国营造学社纪念馆

1830年,为实现海外殖民地定居点的快速建设,英国木匠曼宁(John Manning)借助造船业基础,发明了在英国制造并由轮船运往世界各地建造简易的木框架房屋(Manning Portable Cottage)。

曼宁移动房框架及外观图

19世纪中期,英国工程师优化了用生铁制造低碳钢的过程,从而使钢铁材料以轧制的形式普遍用于之后的框架结构中,现代钢结构也因此具备了天然的预制与装配属性。

任何新事物的诞生都会经历一个概念懵懂期,彼时的人们尚未有清晰的“装配式技术”认知,但已经意识到“预制构配件+现场加工”的建造方式所带来的便利性。

02 城市的时代记忆,装配式建筑现代化

世界第一座大型现代建筑,其实也是装配式建筑。

1851年英国世界博览会前夕,现有的古典建筑方案不仅难以提供足够的展馆空间,甚至不能在博览会开幕前如期建成,欧洲各国建筑师纷纷出谋献策。

无奈之下的维多利亚女王采用了花匠的方案:用铸铁和玻璃打造一个大型“花房”。铸铁梁柱在工厂制作,玻璃幕墙在按玻璃工厂最大的规格制作,运到现场装配,最终6个月内完成了建设,解决了大空间和工期紧的难题。

这是第一座大型现代建筑,也是装配式建筑的开山之作,由于建筑效果美观,展馆获得了“水晶宫”(The Crystal Palace)的美誉。

水晶宫,1851年

1921年,法国建筑大师柯布西耶于其著作《走向新建筑》中第一次提出了“像造汽车一样”去“批量复制”建筑的想法,实用主义建筑设计逐渐流行。

1931年,纽约帝国大厦竣工。这座被誉为“现代七大工程奇迹”之一的摩天大楼也采用了装配式工艺,采用“钢结构+石材幕墙”设计,全部工期仅410天,平均4 天一层楼。

采用“钢结构+石材幕墙”设计的纽约帝国大厦

二战后,装配式建筑在全球市场迎来高速发展期。

一方面,战后经济复苏时代,城市亟待重建但劳动力严重不足,城市化不断加速造成住房短缺;另一方面,第三次工业革命为装配式建筑的标准化、模块化提供了近乎完美的温床。速度快、节省人力、可批量的优势,让装配式技术在战后重建过程中发挥了重要作用。

1954年,前苏联在著名领导人赫鲁晓夫的要求之下,开发了一种可“复制粘贴”的建筑模板:预制件均为工厂流水线生产的标准件,采用统一的工业化建造,所有楼房统一规格,成本低廉。“赫鲁晓夫楼”很大程度上奠定了早期预制装配式建筑规模化的基础。

苏联典型的赫鲁晓夫楼

两年后,我国提出“建筑工业化”要求,1959年,我国最早的装配式建筑——北京民族饭店,10个月顺利完工,用于人民代表大会接待。引入苏联装配式混凝土大板建筑后,我国装配式建筑迎来第一次发展热潮。

为了实现“居者有其屋”的共产理想,“赫鲁晓夫楼”也曾经遍布中国各处,成为时代记忆。许知远在《无根者之家》中回忆道:在北京,我第一次住进楼房,那种红色砖墙的五层楼房。日后我才知道,它也被称为“赫鲁晓夫楼”……让我兴奋的是,卫生间与厨房都在小小的套间里,再不用夜半跑进院子外透风的厕所。

美国最早的装配式混凝土高层住宅之一费城社会岭公寓(societyhill towers),由著名建筑师贝聿铭设计,这也是一个代表性的旧城改造项目,利用装配式技术的低成本、高效率优势,来解决城市人口居住问题。

费城社会岭公寓

1968年,“住宅产业”的概念开始在日本出现;1972年,著名的舱体大楼落地东京,该装配式建筑所有家具设备都实现了单元化,140个舱室错落有致,构思新奇,如同一座巨型“乐高积木”公寓。

坐落于东京的舱体大楼

八九十年代的欧洲,为完成大规模住宅建设目标,预制混凝土大板体系被广泛应用于新住宅区,成就了一大批风格鲜明的建筑。同一时期,日本逐渐成为住宅产业化的标志性国家,构件生产的机械化、产品标准的固定化、建筑过程的精准化,使得日本在装配式建筑领域成为世界学习的对象。

法国巴黎东郊大诺瓦西区的大型后现代乌托邦社区,以“天空之城”为寓意,包含610间公寓的钢筋混凝土建筑

在我国,改革开放后的装配式建筑热潮并未持续,而是因为八十年末大量廉价劳动力涌入城市、商品混凝土兴起陷入尴尬。

由于相关政策、标准体系的不完善,预制构件的产品规格较少;同时,技术手段的限制,使装配式建筑的保温、防水、隔音效果不理想,节点质量和抗震也有不足。现浇技术成为主流,装配式技术陷入暂时的沉寂。

03 双碳+数字化,装配式建筑的“事业第二春”

数十年间,装配式建筑的节点质量、抗震能力得到了大幅度提升,上世纪的制约其发展的因素逐渐弱化。装配式建筑的优势开始显露:

第一,从经济成本角度,预制构件、现场安装,可以减少建筑材料及相关设备的损耗和浪费;建造完成后,日常维护管理成本也更低。

第二,更重要的,是装配式建筑的节能环保属性。装配技术的推广能减少施工现场的噪音、空气污染,控制建筑垃圾的产生;理想状态下,装配式建筑可以随主体施工同步实现装修一体化;最后,在回收阶段部分建筑材料可有效循环利用,减少污染、提高资源利用率。

2013年住建部、发改委在头号文件《绿色建筑行动方案》中明确提出要推广预制装配式建筑体系,“新型建筑工业化”由此形成;并在随后几年间不断出台落地举措。

去年,国家明确提出碳达峰和碳中和的实现时间,从顶层设计规范“双碳"目标。地产建筑行业规模大、占GDP比重高,同时也是碳排放最高的终端消费来源,传统建筑产业的转型升级已成必然。

中国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告(2020)》2018年我国建筑全过程能耗占全国能源消费总量的46.5%,碳排放总量占全国碳排放总量的51.3% ,其中建筑生产阶段(材料)和运行阶段为主要占比

各类标准、扶持政策的相继完善,官方的大力扶持与引领,加上自身的“低碳减碳”特性,装配式建筑由此迎来了“事业第二春”,成为建筑工业化、绿色化的主抓手。

2016-2020年我国新建装配式建筑面积逐年增长,新开工装配式建筑面积占新建建筑面积的比例也不断提高,2020年,全国新开工装配式建筑面积达6.3亿平方米,占比20.5%。数据来源:前瞻产业研究院

作为“绿色建筑行动”中的“天选之子”,装配式技术可以说是建筑业多年以来最重要的技术变革。但绿色建筑不能仅关注结构的装配化,更需要从“全生命周期”的角度俯瞰,在每一环节做到节能、高效。建筑全生命周期中的设计、生产协调、物流优化等方面均已经受到数字化手段的帮助。

装配式建筑的全生命周期阶段

火神山、雷神山医院的“大国速度”,就是装配式建筑与BIM(Building Information Modeling)、5G云计算技术的结晶:采用标准化、模块化设计,通过BIM技术快速输出整体建设方案,避免后期的返工整改;运用装配式建筑技术,采用集装箱活动板房,安装便捷且整体性好,大大提高了施工进度。

火神山医院板房建设

如果箱式板房是“躯干”,信息化系统则是“血液”。火神山医院不是野战医院,信息化系统是其中很重要的一部分,尤其ICU的智能化、自动化建设工作。医院还采用了智能化运维管理平台,依托5G、AI、物联网等技术研发了应急医院智能化运维管理平台,实现了智慧安防及物流、远程会诊、“零接触”运维。

而5G技术则实现了超过三千万人观看的现场直播,让五湖四海的我们为“叉酱、呕泥酱”等不间断打call。

直播截图

综合来看,普通工业建造向智能建造的数字化转型,可融合的技术有BIM技术、物联网技术、3D打印技术、人工智能技术等,主要体现在以下几方面:

  • 设计过程中建模与仿真智能化、协同化

在驱动产业标准化的进程中,设计向来是核心环节。装配式建筑云平台「大乐装」聚焦PC市场,致力于推广云端软件驱动的互联网“云制造”,目前已发布了能实现“一键建模、一键计算装配式表单、一键导出配套成果”的SaaS化装配式设计云平台。

「大乐装」根据地区智能推荐设计方案,快速生成装配式方案表单

施工过程中利用基于人工智能技术的机器人代替传统施工方式

面对降本增效的的问题,智能机器人替代传统施工是理想的解决方案。智能建筑工业机器人开发公司「大界机器人」自主研发的工业软件Robim,能结合工业机械臂,实现3D打印、材料加工等自动化生产制造;胶囊工厂能实现预制与现场加工的有机结合,有效促进施工现场的智能化与数字化。

「大界机器人」集群式柔性生产线
  • 管理过程中通过物联网技术日趋智能化

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),俗称电子标签,在建筑行业已经得到了较广泛的应用。通过RFID技术对装配式预制构件进行编码,可实现构件制作、运输、管理及施工阶段的智能管理。

RFID智能管理
  • 运维过程中结合云计算和大数据技术

通过对建筑空间的3D精细建模,利用云计算技术搭建服务平台,结合大数据分析、传感器监测及物联网搭建管理系统,进而达成全生命周期的建筑智慧化运维。智慧运维能实现对建筑空间、设备资产的科学管理,对潜在灾害进行评估和预判,让建筑达到能耗合理、舒适宜居的最佳使用状态。

基于BIM和VR的机电系统可视化

装配式建筑的成本与标准化、规模化程度息息相关,由于目前装配市场成熟度不高,在构件生产、运输管理及施工安装等环节的协同配合难度较大,使得现阶段成本高于现浇建筑;但随着人力成本提高、产业链发展,装配式建筑的成本将逐渐低于现浇建筑。根据相关机构测算,3-4年内将会迎来产业的爆发期。

回望装配式建筑的起源与发展,工业革命、二战后、我国改革开放、全球节能减排……几乎国内外近代史中每一个特殊历史节点,都会出现装配式建筑的身影,它的活跃与社会发展和需求紧密相关,具有超越建筑本身意义外的特殊社会属性。

双山医院的建设奇迹,证明了“装配式+数字化”智能建造所描绘的未来并不是触不可及。随着工作效率的提升、施工环境的改善,或许在某个绿色的未来,建房子真的就像搭积木一般,而城市就是居民们的“大型沉浸式乐高公园”。

以前苏联大板建筑为原型的游戏PNLK

 

本文参考:

1. 虎皮大喵:10天,火神山医院是如何建成的?,科技每日推送,2020年,浏览日期2021年7月20日。

2. 佛像雕塑艺术: 梁思成和他的古建筑手稿, 晋行记研学中心,2019年,浏览日期2021年7月18日。

3. Jim Zarroli:Prefab: From Utilitarian Home To Design Icon, npr, 2008, retrieved July 20, 2021.

4. Richard:疫情下装配式和模块化建筑带来的设计思考,知乎Scaffold建筑脚手架,2020年,浏览日期2021年7月21日。

5. Tauranac,John:The Empire State Building: the making of a landmark, 1995,retrieved July19, 2021.

6. maqingfen:我国最早的装配式建筑——北京民族饭店,建筑界,2019年,浏览日期2021年7月21日。

7. 陈闷雷:碳中和一生的故事,放大灯,2021年,浏览日期2021年7月21日。

8. 碳达峰碳中和目标下,装配式建筑有哪些发展优势?,装配式建筑网,2021年,浏览日期2021年7月18日。

9. 2021-2026年中国装配式建筑行业市场前瞻与投资规划深度分析报告,前瞻产业研究院,2021年,浏览日期2021年7月18日。

10. 中国建筑节能协会:中国建筑能耗研究报告(2020)成果发布,中国建筑节能协会能耗统计专业委员会,2020年,浏览日期2021年7月20日。

11. 刘占省等:智能建造技术发展现状与未来趋势,建筑技术第50卷第7期,2019年,浏览日期2021年7月19日。

12. 无需下载!2021建筑界关注的装配式智能设计软件,今天终于诞生!,大乐装,2021年,浏览日期2021年7月20日。

13. 怎么把工厂装进胶囊里?大界机器人来解密丨BAI Portfolio,BAI资本,2021年,浏览日期2021年7月19日。

14. 大界智能建造解决方案及实例解析,大界机器人,2021年,浏览日期2021年7月19日。

15. 上海建工科技创新平台:基于BIM的医院建筑智慧运维技术及应用示范,BIMBANK,2019年,浏览日期2021年7月22日。

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