樊則森 岑巖 / FAN Zesen, CEN Yan

裝配式建筑系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法探析

樊則森 岑巖 / FAN Zesen, CEN Yan

本文是“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目在申報(bào)過程中以及啟動(dòng)之后一段時(shí)間的初步研究成果，對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法及技術(shù)集成應(yīng)用提供基礎(chǔ)性的理論框架支撐。本文從分析影響我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)背景入手，從產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的視角，通過研究行業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的主要矛盾，分析影響我國(guó)建筑工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵因素，通過“向制造業(yè)學(xué)習(xí)”，提出用“系統(tǒng)工程”理論來指導(dǎo)裝配式建筑實(shí)踐的基本論點(diǎn)，并對(duì)建筑系統(tǒng)集成方法和數(shù)字建造的未來進(jìn)行了剖析。

裝配式建筑 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì) 數(shù)字建造

1 源起

建筑的安全、質(zhì)量和性能是人類“衣食住行”的基本需要之一。2015年我國(guó)建筑業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到18.08萬億元，占GDP近27%，吸納了超過5 000萬的從業(yè)人員，無論從GDP的貢獻(xiàn)還是就業(yè)容納能力來看，建筑業(yè)都是無可爭(zhēng)議的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。在西方近一個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)代化進(jìn)程中，建筑工業(yè)化發(fā)揮了重要作用并留下了眾多傳世精品。我國(guó)建筑行業(yè)雖然取得了舉世矚目的成就，但目前尚處于“以量取勝”階段，根據(jù)綜合開發(fā)研究院（中國(guó)·深圳）近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)建筑業(yè)的科技貢獻(xiàn)率不到40%，甚至比農(nóng)業(yè)的科技貢獻(xiàn)率落后5個(gè)百分點(diǎn)。反觀人類歷史上農(nóng)耕社會(huì)以手工業(yè)者為主導(dǎo)的制造文明中，裝配式生產(chǎn)方式主導(dǎo)下的建筑業(yè)，基本上是當(dāng)時(shí)最主要的手工制造業(yè)之一，創(chuàng)造了東方中國(guó)唐宋、明清建筑文明，西方希臘、羅馬建筑文明，乃至更為悠久的古埃及和兩河流域建筑文明。從這個(gè)意義上來講，建筑行業(yè)雖然在社會(huì)變革中有了很大的進(jìn)步，但同其他行業(yè)相比，在前三次工業(yè)革命的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中落后了！今天要大力發(fā)展建筑工業(yè)化，推進(jìn)裝配式建筑建造方式，應(yīng)在分析落后原因的基礎(chǔ)上，找到應(yīng)對(duì)的策略，引領(lǐng)前行的方向。

2 三次工業(yè)革命背景下建筑業(yè)變革的啟示

第一次產(chǎn)業(yè)革命始于18世紀(jì)，由蒸汽機(jī)的發(fā)明觸發(fā)的這次革命，讓人類進(jìn)入了機(jī)械化時(shí)代，發(fā)展到19世紀(jì)初，現(xiàn)代建筑運(yùn)動(dòng)誕生，并在100多年的時(shí)間促進(jìn)了以工業(yè)化生產(chǎn)為特征的建筑生產(chǎn)方式，對(duì)第二次世界大戰(zhàn)（以下簡(jiǎn)稱“二戰(zhàn)”）以后建筑的發(fā)展方向產(chǎn)生了深刻影響。

第二次產(chǎn)業(yè)革命始于19世紀(jì)末，以標(biāo)準(zhǔn)化、電氣化、自動(dòng)化和規(guī)?；a(chǎn)為特征，其對(duì)建筑業(yè)的影響更加全面，一方面，強(qiáng)化了現(xiàn)代建筑運(yùn)動(dòng)對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的依賴和功能的新需求；另一方面，通過這場(chǎng)革命所帶來的鋼與玻璃幕墻的結(jié)合、電梯的應(yīng)用等技術(shù)，深刻影響并誘發(fā)了以高層建筑和摩天樓為特征的芝加哥學(xué)派的建筑實(shí)踐，對(duì)現(xiàn)代高層建筑和摩天樓影響深遠(yuǎn)。

第三次產(chǎn)業(yè)革命真正的代表性標(biāo)志是1970～1980年代個(gè)人計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展引發(fā)的以計(jì)算機(jī)革命和信息革命為核心的社會(huì)全方位變革。對(duì)建筑領(lǐng)域的影響表現(xiàn)在需要通過計(jì)算機(jī)輔助才能完成的復(fù)雜建筑實(shí)現(xiàn)了全面爆發(fā)式發(fā)展，其表征主要為：高（超高，多數(shù)在300m以上）、大（規(guī)模超大，在30萬m2以上，有的超過100萬m2）、全（功能全，包含交通、商業(yè)、會(huì)展、居住、辦公等復(fù)合功能）、參數(shù)化（21世紀(jì)以后，以數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)的新的建筑形式），并極大地提升了行業(yè)的設(shè)計(jì)建造水平。

以史為鑒，我國(guó)錯(cuò)過了參與前兩次產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)會(huì)，新中國(guó)成立以后的發(fā)展主要以“追趕“為主。1980年代以前學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)，部分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和電氣化。1980年代以后，由于改革開放政策，我國(guó)參與了第三次產(chǎn)業(yè)革命，但主要以“跟跑”為主，同時(shí)還要補(bǔ)上歷史的欠賬，因此進(jìn)入“機(jī)械化、電氣化和信息化”并行發(fā)展的30年，在綜合三次產(chǎn)業(yè)革命所有要素的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)制造在“數(shù)量”上對(duì)全球市場(chǎng)的壟斷地位。這種“追趕”和“并行”的特征同樣體現(xiàn)在建筑行業(yè)，從1980年代初現(xiàn)代建筑理論和實(shí)踐的引進(jìn)，到世紀(jì)之交的摩天樓熱，再到2000年以后中國(guó)成為“高大難建筑”和“參數(shù)化建筑”的試驗(yàn)田。我國(guó)的建筑行業(yè)在“數(shù)量”和“形式”方面已經(jīng)成為世界主流，但在“品質(zhì)”和“內(nèi)容”方面，尤其是“中國(guó)創(chuàng)造”方面沒能與產(chǎn)業(yè)革命同步，沒有達(dá)到應(yīng)有的國(guó)際水準(zhǔn)。這是我國(guó)建筑行業(yè)工業(yè)化水平落后的基本面和大背景。

因此，發(fā)展裝配式建筑，要高度重視產(chǎn)業(yè)革命對(duì)建筑行業(yè)的深遠(yuǎn)影響，要弘揚(yáng)“向制造業(yè)學(xué)習(xí)”的“包豪斯精神”。讓行業(yè)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)深度融合，及時(shí)吸收產(chǎn)業(yè)革命的先進(jìn)成果，真正推進(jìn)建筑行業(yè)的變革和大發(fā)展。

3 裝配式建筑“三個(gè)一體化”發(fā)展思想的提出

中國(guó)建筑股份有限公司副總工程師、中建科技集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)葉浩文先生在關(guān)于裝配式建筑“三個(gè)一體化“的論述中，提出了裝配式建筑行業(yè)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

第一，受傳統(tǒng)行業(yè)劃分的影響——建筑設(shè)計(jì)、加工制造、裝配施工各自分隔，技術(shù)及管理均呈現(xiàn)出“碎片化”的特征，急需統(tǒng)合。突出體現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)不考慮工廠加工生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)裝配施工的需要，導(dǎo)致工廠加工效率低、人工浪費(fèi)，施工現(xiàn)場(chǎng)既有預(yù)制又有現(xiàn)澆，工序工藝復(fù)雜，人工減少和材料節(jié)省有限，質(zhì)量和效率的提升不明顯。

第二，受傳統(tǒng)專業(yè)分工的影響——建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、裝飾裝修各自發(fā)展，缺乏協(xié)同。首先，從供給側(cè)來看，我國(guó)的建筑供應(yīng)方式主要以“半成品”的模式提供給消費(fèi)者，沒有形成完整的工業(yè)化生產(chǎn)方式的供給。其次，重視“裝配式結(jié)構(gòu)”的研發(fā)，缺乏“裝配式建筑”的整合。近幾年的實(shí)踐中，大多數(shù)裝配式結(jié)構(gòu)建筑暴露出的質(zhì)量問題都發(fā)生在建筑圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的配合上。由于供給側(cè)不能滿足需求側(cè)的使用要求，導(dǎo)致行業(yè)發(fā)展緩慢，甚至停滯。

第三，受傳統(tǒng)建設(shè)方式的影響——手工粗放、成本至上、壽命短、標(biāo)準(zhǔn)低，按照傳統(tǒng)的施工總承包模式，無法從施工的末端引導(dǎo)前端的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)和部品部件采購環(huán)節(jié)。應(yīng)該建立國(guó)際通行的工程總承包模式，以管理、技術(shù)、市場(chǎng)一體化的責(zé)任主體統(tǒng)籌全鏈條，實(shí)現(xiàn)精益營(yíng)造。

從上文所述觀點(diǎn)來看，建筑業(yè)發(fā)展的主要矛盾為“系統(tǒng)性產(chǎn)品”與“碎片化要素”之間的矛盾。制約裝配式建筑發(fā)展的關(guān)鍵是各種技術(shù)要素均處于“碎片化”狀態(tài)，缺乏系統(tǒng)性的整合，其發(fā)展的核心問題是如何實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)性”。針對(duì)該問題，葉浩文先生提出了“建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修一體化；設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配一體化，以及技術(shù)、管理、市場(chǎng)一體化”（簡(jiǎn)稱“三個(gè)一體化”）的系統(tǒng)解決方案。其核心思想是將裝配式建筑作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，以達(dá)到總體效果最優(yōu)為目標(biāo)，用系統(tǒng)集成的理論和方法，融合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配、管理及控制等要素手段，推進(jìn)裝配式建筑實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)的大發(fā)展。

“系統(tǒng)工程”是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的管理工程技術(shù)，發(fā)端于二戰(zhàn)之后，是二戰(zhàn)后人類社會(huì)若干重大科技突破和革命性變革的基礎(chǔ)性理論支撐和方法論，比如美國(guó)研制原子彈的曼哈頓計(jì)劃和登月火箭阿波羅計(jì)劃就是系統(tǒng)工程的杰作。我國(guó)兩彈一星、運(yùn)載火箭以及高鐵等重大項(xiàng)目，同樣受惠于系統(tǒng)工程的理論和方法的引入，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情的需要，從而取得了巨大成功。因此，要“向制造業(yè)學(xué)習(xí)”發(fā)展裝配式建筑，首先應(yīng)該像制造業(yè)一樣建立起“系統(tǒng)工程”的理論基礎(chǔ)和方法，將裝配式建筑當(dāng)作一個(gè)整體來研究和實(shí)踐。

4 裝配式建筑系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法的要素簡(jiǎn)析

從時(shí)間、知識(shí)和邏輯3個(gè)系統(tǒng)要素來看，裝配式建筑是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其在時(shí)間維度上包括策劃、設(shè)計(jì)、加工、裝配、使用、更新等多個(gè)階段；在知識(shí)維度上包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、裝飾裝修等多個(gè)專業(yè)；在邏輯維度上包括目標(biāo)制定、指標(biāo)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組合、系統(tǒng)分析、最優(yōu)化、作出決定和制定方案等管理和技術(shù)集成步驟。

按照上文“三個(gè)一體化”系統(tǒng)工程的發(fā)展思路，裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循建筑系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的基本方法，在實(shí)踐中堅(jiān)持“建筑系統(tǒng)”的方法論和系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思維與工作模式。簡(jiǎn)言之，應(yīng)將裝配式建筑看作一個(gè)復(fù)雜的“系統(tǒng)”，建設(shè)對(duì)象則是若干子系統(tǒng)的“集成”，設(shè)計(jì)需要遵循“建筑系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)方法”，該方法要求充分把握好系統(tǒng)要素，注意建筑系統(tǒng)集成的若干要點(diǎn)。

圖1 數(shù)字建造

（1）裝配式建筑的系統(tǒng)工程研究應(yīng)該采用先決定整體，后進(jìn)入部分的步驟，亦即先進(jìn)行建筑系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行各子系統(tǒng)和具體問題的研究。（2）裝配式建筑的系統(tǒng)工程方法應(yīng)該以整體最佳為目標(biāo)，通過綜合、系統(tǒng)的分析，利用信息化手段來構(gòu)建系統(tǒng)模型、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。（3）裝配式建筑系統(tǒng)工程應(yīng)該做到近期利益與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益相結(jié)合，社會(huì)效益、生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合。（4）裝配式建筑系統(tǒng)工程應(yīng)該綜合集成各學(xué)科、各領(lǐng)域的理論和方法，實(shí)現(xiàn)專業(yè)間不同階段的融合、跨界和集成創(chuàng)新；應(yīng)該強(qiáng)調(diào)多學(xué)科協(xié)同，按照“系統(tǒng)工程”的要求，采取科學(xué)合理的方式，組成一個(gè)專業(yè)配套度高、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理的共同體。（5）裝配式建筑的各類系統(tǒng)問題均可采用具有廣泛適用性的系統(tǒng)工程的集成方法。（6）裝配式建筑應(yīng)該用數(shù)學(xué)模型和邏輯模型來描述系統(tǒng)，通過模擬、反映系統(tǒng)的運(yùn)行，找出系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案和最優(yōu)運(yùn)行方案。

5 第四次產(chǎn)業(yè)革命的歷史性機(jī)遇

有史可鑒，通過三次工業(yè)革命對(duì)建筑業(yè)的影響可以發(fā)現(xiàn)，人類歷史上的工業(yè)革命是生產(chǎn)力的變革，必然引起生產(chǎn)方式和社會(huì)關(guān)系的大變革。建筑業(yè)不可能獨(dú)善其身，無論其建造習(xí)慣多么根深蒂固，終將會(huì)被工業(yè)革命帶來的新的生產(chǎn)方式改變。

今天，裝配式建筑的發(fā)展，是在以網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和人工智能為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的第四次產(chǎn)業(yè)革命背景下開展的。毋庸置疑，這次革命會(huì)帶來建筑業(yè)的又一場(chǎng)巨大變革。在這次革命中，數(shù)字建造和系統(tǒng)集成的建筑將成為主角。數(shù)字建造將會(huì)帶來建筑的形式創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新，其中形式創(chuàng)新是建筑由外而內(nèi)的參數(shù)化表達(dá)，而系統(tǒng)創(chuàng)新是由內(nèi)而外的系統(tǒng)化生成，都需要通過數(shù)字化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和建造來實(shí)現(xiàn)（圖1）。

另外，應(yīng)厘清“參數(shù)化建筑”與“數(shù)字建造”概念的區(qū)別。雖然“參數(shù)化建筑”已經(jīng)成功地演變?yōu)楫?dāng)代建筑形式創(chuàng)新的一種潮流，但這些僅僅通過“參數(shù)化表皮”來表現(xiàn)的建筑，除了表皮的建造方式有所變化外，其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備和內(nèi)裝系統(tǒng)并沒有創(chuàng)新。因此，僅有參數(shù)化的外部形式不是發(fā)展的終點(diǎn)，未來還需要進(jìn)化出很多“系統(tǒng)性建造的參數(shù)化建筑”（簡(jiǎn)稱“參數(shù)化系統(tǒng)”）。此外，還應(yīng)明確參數(shù)控制僅僅是數(shù)字建造的方法之一，其他基于模數(shù)、模塊和精益化接口的模塊系統(tǒng)，以及基于系統(tǒng)性集成的巨構(gòu)系統(tǒng)等，都可能會(huì)成為數(shù)字建造的發(fā)展方向。

“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，標(biāo)志著中國(guó)全面參與到第四次工業(yè)革命的浪潮之中。有別于過去的“追趕”，這次實(shí)現(xiàn)了“并跑”，我國(guó)雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和人工智能科技，能夠?yàn)閿?shù)字化的系統(tǒng)性建造提供強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)支持。

總之，第四次產(chǎn)業(yè)革命是我國(guó)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的絕佳機(jī)會(huì)，要堅(jiān)定目標(biāo)、抓住機(jī)遇，用建筑系統(tǒng)工程理論指導(dǎo)數(shù)字建造的全面實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智慧集成建造關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和突破，打造自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的革命性的設(shè)計(jì)與建造方式，努力實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的“中國(guó)制造2025”！

2017-02-17

RESEARCH ON SYSTEM INTEGRATION DESIGN METHOD OF PREFABRICATED BUILDING

The paper is the preliminary research result of the project "Research on Key Technology of Industrial Building Design" in National Key Research and Development Program of China during the Thirteenth Five-year Plan Period, which provides the basic theoretical framework support of design methods and technology integration application for projects. The paper analyzes key factors influencing the development of China's construction industry from the perspective of industrial base, through the study of the main contradiction of industry development and industrial base. Through the "learning to the manufacturing industry", the paper puts forward the basic argument that the theory "System engineering" can guide the prefabricated building practice, and the future of the architectural system integration design methods and digital construction are analyzed.

Prefabricated Building, System Integration Design, Digital Construction

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)技術(shù)”（2016YFC0701502）。

樊則森，中建科技集團(tuán)有限公司總建筑師，中建建筑工業(yè)化設(shè)計(jì)研究院深圳分院院長(zhǎng)

岑巖，深圳市建設(shè)科技促進(jìn)中心主任