孫國帥, 劉占坤, 馮 嬌 , 柳春光
(1.遼寧工業(yè)大學管理學院, 錦州 121001; 2.中大建設(shè)股份有限公司博士后科研工作站, 廣州 510280; 3.大連海事大學航運經(jīng)濟與管理學院, 大連 116026; 4.大連理工大學建設(shè)工程學部, 大連 116024)
裝配式混凝土(precast concrete structure,PC)結(jié)構(gòu),隨著建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級而受到研究人員和工程技術(shù)人員的關(guān)注?!秶鴦赵恨k公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》(國辦發(fā)[2016]71號)指出,發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革,是綠色、循環(huán)與低碳發(fā)展的必然要求,是推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措。但是,相對于2025年達到裝配式新建建筑占比30%的目標,目前中國裝配式建筑的規(guī)模化程度和發(fā)展速度仍然較低,加快這種建造模式的高質(zhì)量發(fā)展仍是亟待解決的重要課題。
作為一種先進的建造方式,發(fā)達國家經(jīng)歷了半個世紀來發(fā)展裝配式技術(shù)[1]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)理論、技術(shù)實踐和管理經(jīng)驗的發(fā)展需要一個逐步積累的過程,目前中外已經(jīng)進行了大量的理論分析和實踐應用研究,涌現(xiàn)出一些具有重要影響的研究成果,如生產(chǎn)工藝分析[2]、節(jié)點連接與構(gòu)件分析[3]、連續(xù)倒塌性能分析[4]、抗震性能分析[5]、力學分析、成本效益分析[6]以及標準體系構(gòu)建[7]等。近年來,中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究大部分集中在力學性能[7]和使用機理[8-10]的理論和試驗研究方面,而外國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)趨向于精益建造和可持續(xù)發(fā)展方面。Kim等[11-12]為了滿足裝配式混凝土構(gòu)件在制造和裝配階段質(zhì)量要求較高的要求,提出了一種基于激光掃描和信息模型的PC構(gòu)件質(zhì)量檢測技術(shù);Ghayeb等[13-14]針對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)延性不足的問題,研發(fā)了一種裝配式節(jié)點,改善了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的撓度、塑性鉸、破壞形態(tài)等性能,并針對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的碳排放導致的環(huán)境問題設(shè)計了一種新型的可持續(xù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系;Kurosawa等[15]研究了一種適用于現(xiàn)有鋼筋混凝土框架抗震改造的裝配式混凝土框架系統(tǒng),分析了滯回特性和損傷特性;Lim等[16]通過實驗研究評估PC部件就地生產(chǎn)的CO2減排效果,這項研究有助于改變對PC組件就地生產(chǎn)的負面看法,并有助于開發(fā)科學分析PC組件就地生產(chǎn)的二氧化碳減排效果的算法;Palikhe等[17]為了提高傾斜施工方法的生產(chǎn)效率,研制了混合組合預制混凝土柱并進行了現(xiàn)場試驗,驗證其有效性;Santos等[18]為預制工業(yè)提供一種處理和回收自行產(chǎn)生的廢物的替代方法,評價細粒和粗粒再生骨料的摻入對自密實混凝土耐久性的影響。
綜上,雖然中國從事裝配式混凝土結(jié)構(gòu)理論和實踐研究的機構(gòu)眾多,但存在研究方向重疊且相互間合作較少等問題,在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的精益建造和可持續(xù)性發(fā)展研究方面尚落后于發(fā)達國家。因此,有必要系統(tǒng)地梳理中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的態(tài)勢,為進一步地規(guī)劃清晰的研究方向以及促進機構(gòu)間的合作奠定基礎(chǔ)。為了進一步促進中國裝配式建筑的推廣和應用,將利用科學的計量分析手段,定量與定性相結(jié)合地來梳理中國裝配式建筑的研究和應用現(xiàn)狀,得到的結(jié)論將為進一步的研究及裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展路徑提供參考和借鑒。
在文獻分析過程中采用了定性與定量相結(jié)合的研究手段,即在利用計量分析可視化工具CiteSpace進行詞頻、高被引及共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進行分析的同時,分析中國裝配式混凝土建筑領(lǐng)域的研究熱點、知識基礎(chǔ)及演進趨勢,得到進一步推進其高質(zhì)量發(fā)展的意義和發(fā)展方向。
CiteSpace軟件由陳美超博士開發(fā)并面向科研人員開放應用,對文獻具有檢索過濾和數(shù)據(jù)挖掘功能,近年來在中外一些重要研究領(lǐng)域得到應用[19]。CiteSpace軟件作為一種科學的計量分析工具,可以避免由于研究人員的主觀因素而造成文獻檢索、統(tǒng)計和分析過程中的遺漏和偏見。
構(gòu)建合理的文獻庫是保證計量分析結(jié)果有效性的基礎(chǔ)。構(gòu)建文獻庫的思路為:首先初步選擇文獻庫將搜索范圍縮小,然后初步篩選出適合研究主題的文獻并刪除相關(guān)性較低的文獻,再補充文獻庫未收錄但與研究主題密切相關(guān)的重要文獻,最后形成研究所需的文獻庫。
截至2019年年底,中國知網(wǎng)(CNKI)現(xiàn)有“裝配式混凝土”主題相關(guān)期刊中文文獻6 117篇??紤]文獻質(zhì)量和研究的經(jīng)濟性,選擇1992—2019年間中文核心期刊來源數(shù)據(jù)文獻,搜索“裝配式+混凝土”相關(guān)主題得到文獻973篇,經(jīng)過進一步篩選,排除研究價值較低文獻的干擾并增加重要的非核心文獻后,保留885篇構(gòu)建為研究所需的文獻庫。圖1為1992—2019年期間的年度發(fā)文數(shù)量和發(fā)文增量,可以看出2009年以前研究成果有限,但2010年后研究成果激增,整體上保持著穩(wěn)定的增長速度。
圖1 文獻庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.1 Data statistics in depository
由于關(guān)鍵詞可以呈現(xiàn)文章的核心內(nèi)容,展示研究主題。因此,中外許多重要文獻將對關(guān)鍵詞的分析作為研究熱點分析的一條通用思路,并得到了預期的效果。
利用CiteSpace軟件對所建立的文獻庫中的研究樣本進行處理后,得到的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜如圖2所示。其中,圖譜中節(jié)點大小代表關(guān)鍵詞的詞頻高低,節(jié)點間連線的粗細代表關(guān)鍵詞之間共現(xiàn)頻率的高低。
資料來源:根據(jù)中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫引文分析結(jié)果整理, 由CiteSpace軟件生成,圖2中文字大小體現(xiàn)了關(guān)鍵詞詞頻圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜Fig.2 Co-occurrence knowledge map of keywords
可以發(fā)現(xiàn),抗震性能、裝配式和擬靜力試驗是詞頻較高的關(guān)鍵詞。對共現(xiàn)圖譜中的關(guān)鍵詞按照詞頻和中心度的高低,合并詞義相近或與研究主題關(guān)聯(lián)度較低的數(shù)據(jù)后,得到排名前20的關(guān)鍵詞,如表1所示。作為裝配式混凝土領(lǐng)域的核心關(guān)鍵詞,從高頻關(guān)鍵詞的構(gòu)成可以初步地判定出裝配式混凝土領(lǐng)域的主要研究熱點。
表1 高頻關(guān)鍵詞
聚類分析也是歸納研究熱點的重要參考依據(jù)。利用CiteSpace軟件對文獻庫內(nèi)的研究樣本涉及的關(guān)鍵詞進行聚類分析,共得出25類具體研究方向,分析結(jié)果如圖3所示。
對25類聚類分析結(jié)果中相近的方向進行了合并,結(jié)合高頻關(guān)鍵詞的分析結(jié)果,得到中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究的研究熱點,具體如下。
(1)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)性能的理論與試驗研究。通過公式推導、數(shù)值模擬及試驗驗證等手段分析裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的靜力與動力特性、連續(xù)倒塌等破壞模式、耗能與敏感性等性能,該熱點研究內(nèi)容將為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的實踐應用提供理論基礎(chǔ),現(xiàn)已得到大量成果[17-18]。
資料來源:根據(jù)中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫引文 分析結(jié)果整理,由CiteSpace軟件生成圖3 關(guān)鍵詞聚類Fig.3 Cluster of keywords
(2)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計研究。通過進行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的剪力墻、組合樓板、梁、柱、節(jié)點及特殊的鋼管混凝土、預應力構(gòu)件等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計研究,推動裝配式混凝土建筑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,該熱點研究內(nèi)容側(cè)重于將理論與實踐的需求相結(jié)合[19-20]。
(3)施工組織與技術(shù)研究。包括深化設(shè)計以及施工現(xiàn)場的構(gòu)件吊裝、拆分、連接和質(zhì)量管控等管理和技術(shù)方面的工作內(nèi)容的研究,該熱點研究內(nèi)容主要針對裝配式建筑的建造技術(shù)的角度進行的,研究成果服務于實際的工程項目[21-23]。
(4)新技術(shù)應用及建筑經(jīng)濟研究。作為建筑工業(yè)化的主要內(nèi)容之一,裝配式混凝土建筑的經(jīng)濟性長期以來受到了各界的關(guān)注,如成本分析、節(jié)能環(huán)保分析;進而促進了BIM(building information modeling)技術(shù)、模塊化、標準化設(shè)計、再生混凝土的應用等新技術(shù)和新材料的應用和發(fā)展[24-25]。
(5)其他裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應用技術(shù)研究。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應用于住宅產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域,但部分研究學者和工程技術(shù)人員在其他工程建設(shè)領(lǐng)域也進行了理論和實踐研究,如裝配式橋梁、裝配式基礎(chǔ)、地鐵工程、地下糧倉、裝配式管型通道等[26-30]。
優(yōu)秀的學者和研究機構(gòu)形成了某一領(lǐng)域的學術(shù)共同體,其是推動專業(yè)理論發(fā)展的重要因素。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的學術(shù)共同體網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。
資料來源:根據(jù)中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫引文分析結(jié)果整理, 由CiteSpace軟件生成,圖4中文字大小體現(xiàn)了關(guān)鍵詞詞頻圖4 學術(shù)共同體網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Network of academic community
中國目前有關(guān)裝配式建筑的研究機構(gòu)和應用情況主要存在高校和企業(yè)兩個群體,由圖4(a)可知:在研究機構(gòu)方面,東南大學、沈陽建筑大學、南京工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學和西安建筑科技大學等研究機構(gòu)的科研團隊在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域做出了突出貢獻。由圖4(b)可知:在高頻作者方面,東南大學郭正興團隊在各類裝配式混凝土構(gòu)件的抗震試驗方面進行了大量工作,提出了改進建議[31];合肥工業(yè)大學柳炳康團隊的研究聚焦在預應力PC框架的力學性能分析方面,進行了試驗與仿真研究[32];廣州大學吳從曉團隊研究了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)消能減震裝置的設(shè)計,分析了各個參數(shù)的影響[33];重慶交通大學周志祥團隊的研究方向為裝配式鋼-混凝土組合梁的性能研究,在剪力釘?shù)牧W研究方面取得了成績[34];沈陽建筑大學劉海成團隊研究了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中疊合板的受力性能,為疊合板的配筋設(shè)計提供了參考[35]。但是研究機構(gòu)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖譜的網(wǎng)絡(luò)密度為0.010 3,而研究團隊關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖譜的網(wǎng)絡(luò)密度更為稀疏,說明研究團隊之間的合作相對較少。
被引文獻在很大程度上反映了某一領(lǐng)域的發(fā)展狀況和研究基礎(chǔ),表2為排在前20位的高頻被引用文獻。篩除綜述類文獻,根據(jù)對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的共被引文獻的計量分析結(jié)果,關(guān)于發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)對建筑工業(yè)化的影響的研究被引用率最高,該文獻提出了裝配式結(jié)構(gòu)體系的科研方向[36];其次是豎向鋼筋采用不同連接方法的裝配式剪力墻的動力性能的研究,該文獻通過擬靜力試驗驗證了裝配式剪力墻構(gòu)件的破壞模式、連接件的應力傳遞效果及耗能能力[37];排在第3位和第4位的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點和框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能的研究成果也得到了較多的引用,兩篇文獻通過系列的模型試驗和數(shù)值模擬分析,為后期的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的推廣提供了試驗和理論基礎(chǔ)[38-42];此外,BIM技術(shù)的應用、施工質(zhì)量評估、預應力構(gòu)件的性能等方面相關(guān)文獻也得到了較多的引用。
表2 高頻被引文獻
裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究的演化路徑可以通過高頻關(guān)鍵詞在CiteSpace軟件中的時區(qū)視圖(time zone)和突現(xiàn)探測(burst detection)的方式來進行分析。根據(jù)本文所建立的文獻庫,基于CiteSpace軟件生成的時區(qū)視圖和突現(xiàn)探測視圖,經(jīng)篩選整理后,得到時區(qū)分析與突現(xiàn)探測分析結(jié)果,如表3所示。結(jié)合圖1和時區(qū)分析與突現(xiàn)探測分析的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究根據(jù)實際需求從理論不斷向應用轉(zhuǎn)化,總體上可以分為以下4個階段。
(1)1992—2004年,屬于理論研究的起步階段。自20世紀50年代,PC構(gòu)件以預制構(gòu)件的形式廣泛應用于工業(yè)建筑和混合結(jié)構(gòu)住宅,但未能解決抗震、漏水及透寒等問題,在90年代初期,雖然《裝配式大板居住建筑設(shè)計和施工規(guī)程》(JGJ1-91)開始發(fā)布,但隨著大量農(nóng)民工進入建筑業(yè),現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在成本和性能方面的優(yōu)勢凸顯,PC構(gòu)件的應用基本處于停滯階段。但研究人員并沒有放棄對PC構(gòu)件的探索,該階段的突現(xiàn)高頻關(guān)鍵詞為“裝配式”“預制”“大板”等,體現(xiàn)了中國裝配式建筑的發(fā)展開始進入新的階段,但研究成果較少,發(fā)展相對緩慢。
(2)2005—2012年,屬于初步應用的試點階段?!蛾P(guān)于推進住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提高住宅質(zhì)量的若干意見》促使裝配式建筑的發(fā)展進入新階段,部分省、市開展住宅產(chǎn)業(yè)化試點,以住宅產(chǎn)業(yè)化為突破口,推動建筑工業(yè)化的發(fā)展。該階段通過參考外國PC產(chǎn)業(yè)的成熟技術(shù),對中國的裝配式混凝土建筑進行改進,不斷積累經(jīng)驗。該階段的突現(xiàn)高頻關(guān)鍵詞及高強度突現(xiàn)詞為“模型修正”“預制裝配式節(jié)點”“耗能能力”“住宅產(chǎn)業(yè)化”等,體現(xiàn)了中國正在推進裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的理論和實踐發(fā)展,研究成果逐年增多,發(fā)展趨勢較好。
(3)2013—2016年,屬于快速發(fā)展的提升階段?!毒G色建筑行動方案》《國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃》等一系列重要文件的發(fā)布,進一步明確了建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向,“四節(jié)一環(huán)?!钡目沙掷m(xù)發(fā)展理念得到重視。該階段針對裝配式混凝土建筑陸續(xù)施行了一系列的行業(yè)技術(shù)標準和規(guī)程,主要技術(shù)日趨成熟,一大批科研機構(gòu)和企業(yè)積極主動地開展研發(fā)和工程實踐。該階段的突現(xiàn)高頻關(guān)鍵詞及高強度突現(xiàn)詞為“剪力墻”“推出試驗”“應用”“建筑工業(yè)化”等,體現(xiàn)了中國PC結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)嵺`應用,研究成果呈現(xiàn)井噴式增長,發(fā)展迅速。
(4)2017至今,屬于PC結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量發(fā)展階段?!秶鴦赵恨k公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》《國務院辦公廳關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》《“十三五”裝配式建筑行動方案》發(fā)布,全面推進裝配式建筑發(fā)展,促進建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。新形勢下,對PC結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和效益的重視程度不斷提升,綠色建造模式不斷完善。該階段的突現(xiàn)高頻關(guān)鍵詞及高強度突現(xiàn)詞為“數(shù)值模擬”“梁柱節(jié)點”“再生混凝土”等,體現(xiàn)了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展已進入高質(zhì)量發(fā)展階段,研究成果的針對性增強,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
通過對中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究的熱點歸納及演化路徑分析,促進其高質(zhì)量發(fā)展應在以下方面展開進一步的研究。
(1)進一步完善裝配式混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的頂層制度設(shè)計和標準規(guī)范。國家和行業(yè)陸續(xù)推出了鼓勵裝配式產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策、標準及指導文件,在此基礎(chǔ)上應進一步明確發(fā)展目標、強制性條文及監(jiān)管機制。
(2)篩選一批裝配式混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)秀樣板工程。針對邊摸索、邊應用的現(xiàn)狀,通過在中國各地選擇一些優(yōu)秀的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)項目進行觀摩、推廣,不斷探索以形成一套成熟、有效的技術(shù)體系。
(3)重視裝配式建筑產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。裝配式建筑市場存在專業(yè)技術(shù)人員欠缺、生產(chǎn)過程脫節(jié)、建造與運維管理脫節(jié)以及相關(guān)的配套能力不足等問題。因此,進行全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)發(fā)展的研究應得到研究人員的重視。
(4)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展研究。中國從事裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究的人員應該秉持可持續(xù)發(fā)展的理念,在下一階段的研究中關(guān)注產(chǎn)業(yè)的綜合效益,節(jié)能減排,降低資源消耗,踐行綠色建造,提升經(jīng)濟效益和社會效益。
以1992—2019年中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫中關(guān)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究相關(guān)的核心期刊來源文獻及其他重要文獻為研究樣本,構(gòu)建文獻庫;利用CiteSpace軟件對研究樣本進行科學的計量分析,包括研究熱點分析、知識基礎(chǔ)分析和演化路徑分析,得到以下研究結(jié)論和建議。
(1)從發(fā)文數(shù)量來看,2009年之前的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究成果較少,逐年增長緩慢;但2010年之后,受宏觀環(huán)境和建筑產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策的影響,研究成果激增,總體上保持著穩(wěn)定的快速增長趨勢。
(2)從研究熱點來看,中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究雖然各有側(cè)重,但總體上可分為結(jié)構(gòu)性能的理論與試驗研究、構(gòu)件的設(shè)計研究、施工組織與技術(shù)研究、新技術(shù)應用與建筑經(jīng)濟以及其他領(lǐng)域的應用研究,研究熱點之間交叉較多,聯(lián)系較為緊密。
(3)從知識基礎(chǔ)來看,現(xiàn)有研究成果偏重于理論和試驗研究,基礎(chǔ)理論研究較多,實踐研究成果相對較少;研究機構(gòu)的發(fā)文量中以高校為主,企業(yè)較少;研究機構(gòu)的各科研團隊之間合作相對較少,研究方向存在交叉重疊現(xiàn)象。
(4)從演化路徑來看,針對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)理論和實踐的研究歷程與中國的經(jīng)濟發(fā)展情況及施行的行業(yè)政策之間聯(lián)系緊密。經(jīng)歷了停滯、試點、提升,到高質(zhì)量發(fā)展,總體上可分為4個階段,研究成果從最初的傳統(tǒng)試驗研究過渡到現(xiàn)在的數(shù)值模擬分析和融合信息模型技術(shù),實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。
(5)從研究趨勢來看,中國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究在相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的推動下,不斷完善及創(chuàng)新,已拓寬了傳統(tǒng)的集中在機理和性能角度的研究層面,逐漸開展頂層制度、推廣應用、標準化管理、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作及可持續(xù)發(fā)展層面研究。
積極推進裝配式建筑的理論研究和實踐應用,是實現(xiàn)中國建筑產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容之一。針對所得到的結(jié)論,為了進一步促進中國PC結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展提出以下建議:一方面,研究人員和工程技術(shù)人員加強團隊之間的合作,進一步增強理論和實踐之間的聯(lián)系,促進PC結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的健康、有序發(fā)展;另一方面,在基于綠色建造理念的基礎(chǔ)上,重視多學科的交叉融合,進一步發(fā)展人工智能及BIM等信息模型技術(shù)在PC結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用,逐步實現(xiàn)智慧建設(shè)。