中歐云建科技發(fā)展有限公司 德國建筑工業(yè)化聯(lián)盟 / SE iBuild, GERICON

裝配式建筑在歐洲的發(fā)展歷程及其對(duì)中國的啟示

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本文詳細(xì)闡述了裝配式建筑在歐洲的發(fā)展歷程。二戰(zhàn)前裝配式建筑主要采用的是實(shí)心構(gòu)件裝配系統(tǒng)，二戰(zhàn)后采用的大板式建筑體系主要解決了快速和低成本建造的問題。同時(shí)，分析了歐洲建筑工業(yè)化體系建立過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出裝配式建筑總體設(shè)計(jì)方案的初始階段應(yīng)系統(tǒng)性地選擇一種適宜的裝配式體系；裝配式建筑體系需要逐步完善并針對(duì)不同類型的建筑物提出解決方案；避免裝配式建筑體系和現(xiàn)澆施工體系并行。

實(shí)心構(gòu)件 大板式建筑 裝配系統(tǒng) 工業(yè)化體系 發(fā)展歷程

1 裝配式建筑在歐洲的初期發(fā)展

約瑟夫 · 莫尼爾（Joseph Monier）于1867年發(fā)明了鋼筋混凝土的專利技術(shù)，而后混凝土構(gòu)件很快得到了廣泛的應(yīng)用。與現(xiàn)澆混凝土技術(shù)相比，預(yù)制構(gòu)件在質(zhì)量、速度、健康、安全等諸多方面有著巨大優(yōu)勢(shì)。

在二次世界大戰(zhàn)之前，裝配式建筑主要采用的是實(shí)心構(gòu)件裝配系統(tǒng)（連接技術(shù)采用灌漿、焊接和螺栓的方式）。該系統(tǒng)在發(fā)明之初既有優(yōu)點(diǎn)也有局限性，其最大的局限性是連接部分抗震能力不足；此外還存在技術(shù)層面的制約因素：大型預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)技術(shù)是可行的，但當(dāng)時(shí)的運(yùn)輸、起重及施工設(shè)備卻難以匹配。

二次世界大戰(zhàn)使城市遭到破壞，戰(zhàn)后德國的住房嚴(yán)重短缺；同時(shí)，1950年代科技的日新月異，極大地推動(dòng)了歐洲裝配式建筑的發(fā)展，德國在這方面取得了尤為巨大的成就。

二戰(zhàn)后裝配式建筑早期主要采用的是大板式建筑體系，實(shí)心混凝土構(gòu)件在工廠內(nèi)完成生產(chǎn)并運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝（圖1）。但隨著戰(zhàn)后歐洲人民生活水平的提高，尤其是對(duì)居住環(huán)境和城市規(guī)劃要求的提高，在區(qū)域劃分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綠化、人口密度控制等方面提出了“康居”的概念，直接推動(dòng)了歐洲衛(wèi)星城概念的產(chǎn)生。

當(dāng)時(shí)形成的大板式建筑體系，主要解決的是快速和低成本制造建筑的問題，但在此過程中也出現(xiàn)了很多負(fù)面特性，如審美缺陷、建筑質(zhì)量差等，部件的標(biāo)準(zhǔn)化還造成了建筑缺乏個(gè)性的問題。因此，該體系在歐洲建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃的后期應(yīng)用中越來越不受歡迎。但由于這種大板式建筑體系可以通過簡(jiǎn)單的部件實(shí)現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，快速建起大量的經(jīng)濟(jì)適用型住宅，因此對(duì)建筑個(gè)性化設(shè)計(jì)要求較低的地區(qū)目前仍在沿用。

2 裝配式建筑在歐洲的進(jìn)一步發(fā)展

1950年代桁架鋼筋技術(shù)的出現(xiàn)，以及1960年代中期該技術(shù)在混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用，成為現(xiàn)代裝配式建筑工業(yè)化的起點(diǎn)。當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)方法非常簡(jiǎn)單，主要采用固定臺(tái)座的生產(chǎn)方式，起重設(shè)備因而成為非常重要的生產(chǎn)工具（圖2）。簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式吸引了大量企業(yè)進(jìn)入到裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)領(lǐng)域，制約因素由此產(chǎn)生：如何優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)及建造過程？如何減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量并提高建筑物和構(gòu)件的質(zhì)量？在1980～1985年期間，市場(chǎng)上的半預(yù)制疊合墻體（也稱雙層墻疊合裝配式建筑體系）應(yīng)運(yùn)而生。

1960～1980年代逐漸形成的疊合裝配式建筑體系，是將工廠生產(chǎn)的疊合墻板和疊合樓板運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，而后通過現(xiàn)場(chǎng)配筋和現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行建筑的整體裝配。從建筑結(jié)構(gòu)來看，這種體系非常接近現(xiàn)澆施工方法，但相比之下其模板的費(fèi)用大大降低（圖3）。

隨著1980年代個(gè)人電腦及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design，CAD）軟件的普及，產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐漸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化；而后隨著可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)的發(fā)展，疊合裝配式建筑體系越來越多地利用自動(dòng)化控制機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)。兩方面技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)直接用于生產(chǎn)過程的全自動(dòng)化控制，如繪圖機(jī)和混凝土布料機(jī)的直接鏈接。CAD/CAM（Computer-Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）軟件也在此期間誕生，與原來的人工生產(chǎn)臺(tái)座方式相比，該循環(huán)流水生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提高了2/3以上，同時(shí)產(chǎn)品的表面和邊緣質(zhì)量得到大幅提升（圖4）。在此過程中，許多其他自動(dòng)化機(jī)械也被逐步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，如自動(dòng)化鋼筋生產(chǎn)設(shè)備（焊接機(jī)）、脫模設(shè)備、激光投影設(shè)備、混凝土自動(dòng)布料機(jī)和計(jì)算機(jī)中心控制系統(tǒng)。

相比于大板建筑體系，疊合裝配式建筑體系不僅在生產(chǎn)的高效性及設(shè)計(jì)的靈活性上有大幅提升，在整體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)風(fēng)載、抗震載荷的計(jì)算和設(shè)計(jì)匹配方面也更靈活?；谠擉w系的解決方案已經(jīng)在多個(gè)國家和地震高發(fā)區(qū)域被系統(tǒng)地應(yīng)用。

跨入21世紀(jì)，德國和歐洲其他國家越來越多的專家和客戶開始關(guān)注城市規(guī)劃和建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面的可持續(xù)性，裝配式建筑在可持續(xù)發(fā)展方面所具有的明顯優(yōu)勢(shì)也越來越受到重視。在可持續(xù)建筑、個(gè)性化智能化建筑、與環(huán)境共生、和諧發(fā)展等要求下，建筑總體設(shè)計(jì)規(guī)劃變得更加重要。

圖1 典型大板式建筑

3 為何歐洲建筑工業(yè)化體系的建立需要40年

3.1 生產(chǎn)和施工分離

在裝配式建筑領(lǐng)域，歐洲主要有兩大類公司：一類主要負(fù)責(zé)構(gòu)件生產(chǎn)，另一類主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)裝配施工。兩類參與裝配式建筑體系技術(shù)發(fā)展工作的公司，由于業(yè)務(wù)分離的現(xiàn)實(shí)而需要長期密切地溝通交流，效率較低而成本較高。不同于中國裝配式建筑領(lǐng)域的發(fā)展，歐洲裝配式建筑領(lǐng)域呈現(xiàn)的是資源分散的特點(diǎn)，小公司眾多，無法形成頂層設(shè)計(jì)的合力，導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的發(fā)展問題無法得到解決。

3.2 多體系長期并存

人們總是誤以為歐洲的預(yù)制裝配式建筑只采用疊合剪力墻體系，其實(shí)在其發(fā)展過程中長期存在多體系并存的情況。除人們熟知的疊合剪力墻體系之外，大板裝配式體系、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裝配式體系以及現(xiàn)澆混凝土體系等多種體系長期并存或混合使用，這種情況導(dǎo)致裝配式體系的優(yōu)勢(shì)不能充分體現(xiàn)，甚至在相當(dāng)長的時(shí)期里阻礙了裝配式建筑行業(yè)的發(fā)展。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)建立緩慢

在歐洲，裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善也經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)緩慢的過程。由于缺少頂層設(shè)計(jì)和引導(dǎo)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步摸索建立起來的。

圖2 固定臺(tái)座生產(chǎn)方式

圖3 在建的雙面疊合剪力墻裝配式體系建筑

圖4 自動(dòng)化模具循環(huán)系統(tǒng)

3.4 非工業(yè)化生產(chǎn)方式成本高

初期采用臺(tái)座等人工或半自動(dòng)生產(chǎn)方式，多體系并行，長期成本過高，體系發(fā)展緩慢。直到1985年，通過完善疊合裝配式建筑體系，并使之更適應(yīng)高度自動(dòng)化生產(chǎn)模式，才逐步降低工業(yè)化生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件的成本，使裝配式建筑得到快速發(fā)展。

3.5 關(guān)鍵材料發(fā)展水平制約

裝配式建筑的技術(shù)發(fā)展也受到材料科學(xué)發(fā)展水平的制約。例如水泥性能、混凝土配合比優(yōu)化和鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)化進(jìn)入預(yù)制生產(chǎn)環(huán)節(jié)等方面改善緩慢，連接、密封材料的發(fā)展進(jìn)步緩慢，都在很長的時(shí)間里制約了體系的發(fā)展。

3.6 安裝效率問題

安全方面長期片面的認(rèn)識(shí)，如必須采用套筒連接的方式，直接提高了對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配精度以及對(duì)操作和施工人員熟練程度的要求，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)和裝配效率。通過長時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)及溝通，疊合裝配式建筑體系中采用了搭接連接方式，才降低了生產(chǎn)過程中對(duì)連接件精度的要求，大大提高了裝配效率。

如今在德國和歐洲各國，裝配式建筑不僅用于社會(huì)保障性項(xiàng)目，也參與了越來越多的高端及重大項(xiàng)目，甚至包括大量的高端自建住宅項(xiàng)目。各種設(shè)計(jì)效果豐富的混凝土表面，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)和工業(yè)化（快速、經(jīng)濟(jì)）的完美融合。

4 總體設(shè)計(jì)在現(xiàn)代建筑工業(yè)化上的重要性

對(duì)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃工作來說，相比于現(xiàn)澆混凝土建筑，裝配式建筑在建筑技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)、預(yù)制生產(chǎn)和裝配過程等方面的跨學(xué)科相互關(guān)聯(lián)程度都更為復(fù)雜，且不是每一個(gè)現(xiàn)澆混凝土建筑結(jié)構(gòu)都可以1:1地轉(zhuǎn)換成裝配式建筑結(jié)構(gòu)。所以在采用裝配式建筑的工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要在項(xiàng)目之初制定一個(gè)全面的一體化綜合方案，而不是采用雙體系逐漸提高預(yù)制率，或在整體規(guī)劃完成后的施工過程中修改設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)有以下5個(gè)方面。

4.1 規(guī)劃裝配式建筑總體設(shè)計(jì)方案

在對(duì)裝配式建筑進(jìn)行總體規(guī)劃時(shí)，必須提前規(guī)劃建筑裝配的支撐方案，并使之與項(xiàng)目的構(gòu)件類型相匹配；在對(duì)構(gòu)件類型進(jìn)行清晰的比較之后，決定使用全預(yù)制、半預(yù)制或是混合形式的構(gòu)件類型；必須提前考慮預(yù)制工廠生產(chǎn)設(shè)備、加工構(gòu)件的能力和生產(chǎn)效率，使構(gòu)件生產(chǎn)、物流運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工的需求相匹配。在一個(gè)裝配式建筑項(xiàng)目的實(shí)施期間進(jìn)行修改調(diào)整，不僅很難實(shí)現(xiàn)，還會(huì)帶來非常高昂的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

4.2 建筑部件的生產(chǎn)狀態(tài)

總體規(guī)劃設(shè)計(jì)必須明確所有建筑部件的生產(chǎn)狀態(tài)，特別是混凝土澆筑——是在工廠還是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

4.3 公差

起決定性作用的是建筑物施工允許的公差。由于構(gòu)件生產(chǎn)的通常公差要求，在工廠生產(chǎn)時(shí)很容易做好控制。但在大多數(shù)情況下，裝配式建筑物都有部分使用現(xiàn)澆混凝土，修正錯(cuò)誤非常困難。

4.4 運(yùn)輸和安裝

構(gòu)件制品體量增大，連接點(diǎn)和起吊次數(shù)會(huì)成倍減少，裝配成本越為經(jīng)濟(jì)。但是公共道路上的運(yùn)輸和設(shè)備的最大起重能力都會(huì)對(duì)制品的大小產(chǎn)生限制，這些限制條件必須在總體規(guī)劃階段予以綜合考慮。

4.5 建筑物理特性

使用者對(duì)裝配式建筑的隔聲、隔熱和防火保護(hù)等方面的要求日益嚴(yán)格。因此要特別注意連接和接縫處建筑物理特性的總體設(shè)計(jì)，不能產(chǎn)生聲橋或冷、熱橋；必須滿足耐火等級(jí)要求等其他因素。

5 給中國的建筑工業(yè)化發(fā)展的啟示

中國的建筑市場(chǎng)十分巨大，絕大多數(shù)地區(qū)都處于告別短缺階段，因此裝配式建筑體系在住宅和商業(yè)建筑領(lǐng)域會(huì)有一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)，若能總結(jié)吸取歐洲40年來裝配式建筑的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)跨越式的可持續(xù)裝配式建筑工業(yè)化的發(fā)展。

首先，裝配式建筑系統(tǒng)成功的最關(guān)鍵因素是頂層設(shè)計(jì)，即通過系統(tǒng)性的方法在裝配式建筑整體設(shè)計(jì)的初始階段，選擇一種適宜的裝配式建筑體系。

其次，在了解歐洲的裝配式建筑體系發(fā)展歷程后，可以發(fā)現(xiàn)裝配式建筑體系需要逐步完善，不能試圖找尋一個(gè)適用于所有建筑類型的通用技術(shù)體系，需要針對(duì)不同類型的建筑物，開發(fā)完善一套既具備系統(tǒng)性又量體裁衣的、有針對(duì)性的解決方案。

再次，一定要避免裝配式建筑體系和現(xiàn)澆施工體系并行，通過制定預(yù)制率引入裝配式建筑體系的情況。即建筑工程項(xiàng)目初期就應(yīng)該選擇100%使用裝配式建筑體系或是100%使用現(xiàn)澆體系，而不是兩者并存，因?yàn)閮商撞煌w系同時(shí)用于建筑施工中，就意味著雙倍的成本和組織管理投入，對(duì)于質(zhì)量管控和建設(shè)速度的提升毫無優(yōu)勢(shì)可言。

最后，從建筑技術(shù)來看，裝配式建筑的綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要。綜合規(guī)劃應(yīng)集成城市規(guī)劃要求、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程控制、物流和裝配條件，以避免日后的重大錯(cuò)誤。

中國信息化技術(shù)發(fā)展方興未艾，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的制定，在告別短缺經(jīng)濟(jì)和供給側(cè)改革展開的背景下，有理由相信中國能夠吸收世界各國在建筑工業(yè)化方面的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，利用本國巨大的市場(chǎng)基礎(chǔ)，通過5～10年的努力迅速打造像高鐵一樣具有本土化特色且與國際接軌、有競(jìng)爭(zhēng)力的世界級(jí)建筑工業(yè)化最高技術(shù)體系，在今后的“一帶一路”及國際建筑領(lǐng)域迅速超越。

2017-03-30

DEVELOPMENT PROCESS OF PREFABRICATED BUILDING IN EUROPE AND ITS ENLIGHTENMENT TO CHINA

This paper details the development process of prefabricated building in Europe. The prefabricated building mainly uses the solid component assembly system before World War II. After World War II, the use of large-board building system aims to solve the rapid and low-cost construction problems. Meanwhile, it also analyzes the experiences and lessons of the process of the building industrialization system in Europe. It is suggested that a suitable assembly system should be selected systematically in the initial stage of the overall design. The assembly system needs to be refined and solutions for different types of buildings. The cast-in-place construction system and assembly building system could not exist in one project at the same time.

Solid Component, Large-Board Building, Assembly System, Building Industrialization System, Development Process