曾裕泉
(筑友智造建筑設(shè)計(jì)有限公司,湖南 長沙 410005)
裝配式建筑工程造價(jià)相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)普遍偏高是當(dāng)前較為突出的問題,主要是因?yàn)轭A(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本較高,而構(gòu)件成本受設(shè)計(jì)方案影響,如何選擇經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是值得探索的話題?,F(xiàn)階段在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行多方案比選時(shí)大多是憑經(jīng)驗(yàn)判斷,因?yàn)槌杀緶y(cè)算是滯后的,對(duì)項(xiàng)目而言,往往要等到預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)完成之后,才有條件進(jìn)行生產(chǎn)成本測(cè)算。因此,我們希望解決成本測(cè)算滯后的問題,找出設(shè)計(jì)方案比選的量化分析方法,實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)前期就能用量化分析結(jié)果來選擇更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
本研究以預(yù)制疊合樓板為對(duì)象開展工作,由于預(yù)制構(gòu)件成本與生產(chǎn)密切相關(guān),首先要把生產(chǎn)工藝流程搞清楚;其次,要把預(yù)制構(gòu)件成本組成梳理出來,并找出與設(shè)計(jì)方案相關(guān)聯(lián)的各項(xiàng)參數(shù);最后,給出研究結(jié)果,即提煉出分析方法及建立數(shù)學(xué)計(jì)算式并進(jìn)行驗(yàn)證與分析討論。
目前大多采用流水線生產(chǎn)疊合樓板,主要的循環(huán)生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。
圖1 循環(huán)生產(chǎn)工藝流程
上述各項(xiàng)關(guān)鍵工序的流水節(jié)拍如表1 所示,從表中可以看出,鋼筋安裝是瓶頸工序,如果能縮短其流水節(jié)拍,則可提升生產(chǎn)效率。
表1 各項(xiàng)關(guān)鍵工序的流水節(jié)拍
預(yù)制疊合樓板生產(chǎn)成本主要由直接材料費(fèi)、制造費(fèi)、直接人工費(fèi)、折舊及期間費(fèi)組成,其中直接材料費(fèi)占比最大,包含鋼筋、混凝土、預(yù)埋件,如圖2 所示[1]。
圖2 疊合樓板生產(chǎn)成本分解
占比第二位的制造費(fèi)用又由輔助人工費(fèi)、物流費(fèi)、模具費(fèi)、能耗費(fèi)、工具輔材費(fèi)、生產(chǎn)管理費(fèi)構(gòu)成,如圖3所示。
圖3 制造費(fèi)用構(gòu)成
通過深入挖掘成本各子項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn),一部分子項(xiàng)是與設(shè)計(jì)方案關(guān)聯(lián),另一部分主要由生產(chǎn)條件決定,基本不受設(shè)計(jì)因素影響,現(xiàn)將與設(shè)計(jì)方案關(guān)聯(lián)的子項(xiàng)逐一分析,并提煉出各差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)。
1.3.1 直接材料費(fèi)
直接材料費(fèi)主要受含鋼量影響,含鋼量是指每一立方混凝土所含鋼筋的重量。在選擇不同的設(shè)計(jì)方案時(shí),含鋼量是有差別的,比如采用單向板拆分設(shè)計(jì)方案與雙向板拆分設(shè)計(jì)方案,又比如采用HRB400 鋼筋與CRB600H 鋼筋,其含鋼量都是不同的,因此可確定含鋼量為差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)[2]。
1.3.2 模具費(fèi)
模具費(fèi)由模具重復(fù)使用次數(shù)控制,模具重復(fù)使用次數(shù)是指每一套邊模從首次使用直至報(bào)廢或當(dāng)廢鐵賣出重復(fù)使用的次數(shù)。不同的設(shè)計(jì)方案,預(yù)制構(gòu)件能共模的數(shù)量也是不同的,標(biāo)準(zhǔn)化程度高的項(xiàng)目比非標(biāo)的相差甚遠(yuǎn),因此可確定模具重復(fù)使用次數(shù)為差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)[3]。
1.3.3 物流費(fèi)
物流費(fèi)由構(gòu)件裝車滿載率控制,滿載率是指每車裝載的預(yù)制構(gòu)件重量與車載允許值的比值,一般用百分?jǐn)?shù)表示。預(yù)制構(gòu)件裝車受單塊預(yù)制板最大輪廓尺寸、每層預(yù)制板裝框數(shù)、每一框的預(yù)制板堆疊層數(shù)影響,不同的拆分設(shè)計(jì)方案會(huì)有不同的裝車次數(shù),滿載率就會(huì)有差別,因此可確定滿載率為差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)。
1.3.4 人工、制造、折舊等費(fèi)用
人工、制造、折舊等費(fèi)用由產(chǎn)能控制,而產(chǎn)能主要由流水節(jié)拍、模臺(tái)利用率兩項(xiàng)指標(biāo)決定,流水節(jié)拍是指所有工序中持續(xù)時(shí)間最長的一道工序用時(shí),模臺(tái)利用率是指疊合樓板所占模臺(tái)的投影面積與模臺(tái)總面積的比值,一般用百分?jǐn)?shù)表示。不同的設(shè)計(jì)方案會(huì)有不同的預(yù)制構(gòu)件數(shù)量、外輪廓尺寸,進(jìn)一步?jīng)Q定著生產(chǎn)排摸方案即所用模臺(tái)數(shù)與項(xiàng)目之間切換時(shí)間,就會(huì)得到不同的結(jié)果,因此可確定流水節(jié)拍、模臺(tái)利用率為差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)。
在建筑設(shè)計(jì)方案、預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)方案、選配筋設(shè)計(jì)方案完成之后,可進(jìn)行項(xiàng)目預(yù)排產(chǎn),即確定模具配置方案、模臺(tái)排布方案、裝框運(yùn)輸方案,完成預(yù)排產(chǎn)后,即可得出含鋼量、模具重復(fù)使用次數(shù)、滿載率、流水節(jié)拍、模臺(tái)利用率、換模周期等與設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)的差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)。非設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)輸入?yún)?shù)主要有兩類,一類由實(shí)際項(xiàng)目條件讀取,比如運(yùn)輸里程、標(biāo)準(zhǔn)層方量等;另一類采用基準(zhǔn)值,是以歷年工廠成本測(cè)算樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合生產(chǎn)條件得出,比如產(chǎn)線工人數(shù)、材料價(jià)格基準(zhǔn)值、工具輔材費(fèi)及生產(chǎn)管理費(fèi)基準(zhǔn)值等。
多組不同的設(shè)計(jì)方案可得出多組不同的差異項(xiàng)輸入?yún)?shù),將各參數(shù)輸入數(shù)學(xué)計(jì)算公式中,即可得到各組設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的構(gòu)件成本,成本最低者即為經(jīng)濟(jì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
預(yù)制疊合樓板的成本分析采用每立方構(gòu)件的費(fèi)用表達(dá),其計(jì)算方法如下。
式中:C——預(yù)制構(gòu)件成本,元/m3;H——混凝土及預(yù)埋件的費(fèi)用,元/m3;G——含鋼量,kg/m3;g——鋼筋單價(jià),元/kg;ρ——滿載率,%;a——運(yùn)輸起步價(jià),元;b——運(yùn)輸單價(jià),元/km;L——扣除起步里程以外的運(yùn)輸距離,km;f——計(jì)劃生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)層的構(gòu)件方量,m3;γ——鋼筋混凝土密度,t/m3;W 為運(yùn)輸車標(biāo)準(zhǔn)載重值,t/車;M——計(jì)劃生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)層全套模具的費(fèi)用,元;n——模具重復(fù)使用次數(shù),次;Q——與產(chǎn)能有關(guān)的各項(xiàng)費(fèi)用總和之基準(zhǔn)值,元/m3;Pj——實(shí)際測(cè)算產(chǎn)能,m3/臺(tái)班;P0——額定產(chǎn)能,m3/臺(tái)班;h——預(yù)制板厚度,m;δ——模臺(tái)利用率,%;S——單張標(biāo)準(zhǔn)流水模臺(tái)面積,m2;D——工作臺(tái)班,一般按8h 計(jì);ψ——項(xiàng)目之間切換模具影響系數(shù);t——疊合樓板生產(chǎn)流水節(jié)拍,min;T——項(xiàng)目之間切換模具的周期,即換模周期,d。
可以看出輸入?yún)?shù)較多,計(jì)算較為復(fù)雜,數(shù)據(jù)量大,本研究采用了編寫智能小程序的方法,利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算,提高了工作效率與計(jì)算準(zhǔn)確度。
利用前述給出的計(jì)算公式,分析單個(gè)差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)發(fā)生變化時(shí)構(gòu)件成本的反應(yīng)情況。僅改變單個(gè)差異項(xiàng)輸入?yún)?shù),其余輸入?yún)?shù)保持相同。
3.1.1 含鋼量
含鋼量變化時(shí),成本為輸出結(jié)果如圖4 所示,可知含鋼量與成本呈線性關(guān)系,成本隨著含鋼量的增加而上升。
圖4 成本與含鋼量關(guān)系
3.1.2 模具重復(fù)使用次數(shù)
模具重復(fù)使用次數(shù)變化時(shí),輸出結(jié)果如圖5 所示,小于50 次時(shí),下降斜率較大,且斜率逐漸減小,模具重復(fù)使用次數(shù)與成本呈非線性關(guān)系;大于50 次以后,斜率較小,呈線性關(guān)系,成本隨著模具重復(fù)次數(shù)的增加而下降。
圖5 成本與模具重復(fù)次數(shù)關(guān)系
3.1.3 滿載率
滿載率變化時(shí),輸出結(jié)果如圖6 所示,可知滿載率與成本近似線性關(guān)系,成本隨著滿載率的增加而下降。
圖6 成本與滿載率關(guān)系
3.1.4 流水節(jié)拍
流水節(jié)拍變化時(shí),輸出結(jié)果如圖7 所示,可知流水節(jié)拍與成本近似線性關(guān)系,成本隨著流水節(jié)拍的增加而上升。
圖7 成本與流水節(jié)拍關(guān)系
3.1.5 模臺(tái)利用率
模臺(tái)利用率變化時(shí),輸出結(jié)果如圖8 所示,可知模臺(tái)利用率與成本近似線性關(guān)系,成本隨著模臺(tái)利用率的增加而下降。
圖8 成本與模臺(tái)利用率關(guān)系
3.1.6 分析討論
從上述結(jié)果中可以看出,構(gòu)件成本變化趨勢(shì)與工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)一致,且與歷史成本數(shù)據(jù)基本吻合,工廠在生產(chǎn)管理中也是以降低含鋼量、流水節(jié)拍,提高滿載率、模臺(tái)利用率、模具重復(fù)使用次數(shù)來控制生產(chǎn)成本。因此,可以采用此量化分析方案進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)方案比選。
在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案比選時(shí),有可能出現(xiàn)單個(gè)差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)變化,也有可能出現(xiàn)多個(gè)差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)同時(shí)變化。接下來進(jìn)行三種情況的設(shè)計(jì)方案比選量化分析驗(yàn)證,一是不同的結(jié)構(gòu)配筋方案比選,二是不同的拆分設(shè)計(jì)方案比選,三是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)比選。
3.2.1 不同的配筋方案比選
以實(shí)際高層住宅項(xiàng)目的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層為例,選取了五種疊合樓板設(shè)計(jì)方案,分別為:
(1)單向板+預(yù)應(yīng)力抗裂鋼筋+CRB600H 底筋。
(2)單向板+桁架鋼筋+CRB600H 底筋。
(3)雙向板+桁架鋼筋+CRB600H 底筋。
(4)單向板+桁架鋼筋+HRB400 底筋。
(5)雙向板+桁架鋼筋+HRB400 底筋。
上述設(shè)計(jì)方案在相同板厚且均滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算及規(guī)范要求,差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)為含鋼量,分別為89、97、111、125、163,輸出結(jié)果如圖9 所示。
圖9 五種配筋方案成本對(duì)比
從圖9 可以看出,單向板+預(yù)應(yīng)力抗裂鋼筋+CRB 600H 底筋的配筋設(shè)計(jì)方案成本最優(yōu),主要原因如下。
(1)單向板優(yōu)于雙向板,減少了伸出拼縫的搭接鋼筋。
(2)預(yù)應(yīng)力筋+馬鐙筋組合替代桁架鋼筋,同樣起到了增加預(yù)制疊合板剛度、強(qiáng)度、疊合面抗剪的作用,含鋼量明顯下降,說明預(yù)應(yīng)力效率高。
(3)CRB600H 替代HRB400 鋼筋,構(gòu)造配筋控制時(shí)的最小配筋率限值變小,當(dāng)采用HRB400 時(shí)為0.179%,采用CRB600H 時(shí)為0.15%;計(jì)算配筋時(shí),HRB400 鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa,CRB600H 鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為430MPa,有明顯提升,因而用鋼量降低,直接材料費(fèi)相應(yīng)降低。
3.2.2 不同的拆分設(shè)計(jì)方案比選
疊合樓板拆分設(shè)計(jì)方案有多種方法,需要綜合考慮流水模臺(tái)尺寸、構(gòu)件運(yùn)輸車尺寸、吊裝操作、結(jié)構(gòu)受力情況等因素,可以拆分成單塊或者多塊拼接。較大板格拆分較常用的一種拆分方法是采用均分法,以6000寬為例,單向板設(shè)計(jì)時(shí)均分為三塊,即2000×3;也有的采用固定一種標(biāo)志寬度拆分方法,比如固定寬度2400,上述板拆分為2400+2400+1200;筑友設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)板組合拆分方法,即選取一定數(shù)量的固定寬度的板型,通過排列組合方式拼裝。
以高層住宅項(xiàng)目為例,分別采用上述三種拆分設(shè)計(jì)方案后,各差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)如表2 所示,輸出結(jié)果如圖10 所示。
表2 不同拆分方法差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)
圖10 三種拆分方案成本對(duì)比
從圖10 可以看出,采用標(biāo)準(zhǔn)板組合拆分設(shè)計(jì)方法的成本最優(yōu),主要是兩方面原因:①標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格通用板的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了大量的后續(xù)項(xiàng)目均能通用模具,延長了產(chǎn)線模具切換時(shí)間,提高了產(chǎn)能,因此制造費(fèi)、人工費(fèi)、折舊攤銷費(fèi)、期間費(fèi)降低,同時(shí)模具費(fèi)用也相應(yīng)降低。②通用板的規(guī)格是考慮了流水模臺(tái)尺寸、構(gòu)件運(yùn)輸車尺寸,基于最優(yōu)模臺(tái)利用率、最優(yōu)滿載率的目標(biāo)經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測(cè)算總結(jié)得出的較優(yōu)值,多個(gè)項(xiàng)目測(cè)算結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)+組合的方法與另外兩種拆分方法相比,以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層計(jì),預(yù)制板所用模臺(tái)數(shù)量可以減少1~2 張,運(yùn)輸車可減少1 個(gè)車次,因此降低了制造費(fèi)、人工費(fèi)、折舊攤銷費(fèi)、期間費(fèi)、物流費(fèi)。
3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案比選
預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)分為3 個(gè)層次:①建筑規(guī)劃方案設(shè)計(jì)階段的戶型標(biāo)準(zhǔn)化。②裝配式專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)階段的拆分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。③預(yù)制構(gòu)件詳圖深化設(shè)計(jì)階段的構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。以高層住宅項(xiàng)目為例,選取了四種設(shè)計(jì)方案,分別為:
(1)戶型標(biāo)準(zhǔn)化+拆分標(biāo)準(zhǔn)化+構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。
(2)戶型非標(biāo)+拆分標(biāo)準(zhǔn)化+構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。
(3)戶型非標(biāo)+拆分非標(biāo)+構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。
(4)戶型非標(biāo)+拆分非標(biāo)+構(gòu)件非標(biāo)。
各差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)如表3 所示,輸出結(jié)果如圖11所示。
表3 標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)差異項(xiàng)輸入?yún)?shù)
從圖11 可以看出,戶型標(biāo)準(zhǔn)化+拆分標(biāo)準(zhǔn)化+構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案成本最優(yōu),主要原因如下:
圖11 四種設(shè)計(jì)方案成本對(duì)比
(1)戶型標(biāo)準(zhǔn)化是指在規(guī)劃方案設(shè)計(jì)時(shí),大量復(fù)用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)戶型。比如一個(gè)高層住宅項(xiàng)目有5 棟裝配式建筑,5 棟樓都采用同一個(gè)戶型明顯優(yōu)于分別采用5個(gè)不同的戶型。主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:①可以用高效流水節(jié)拍生產(chǎn),5 棟樓共用同一組模具,共用同一組模臺(tái),作業(yè)人員每天重復(fù)一樣的操作,熟練度高,效率非常高,因此大幅提升產(chǎn)能。②流水生產(chǎn)節(jié)拍與流水施工節(jié)奏契合程度高,現(xiàn)場(chǎng)施工周期大多5~6d 一層,而工廠生產(chǎn)節(jié)奏是一天一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,5 天剛好可以生產(chǎn)5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,正好吻合施工進(jìn)度要求,因此,同一標(biāo)準(zhǔn)層的生產(chǎn)模臺(tái)可以長時(shí)間連續(xù)生產(chǎn),產(chǎn)線切換模具時(shí)間大大拉長,產(chǎn)能得到顯著提升,制造費(fèi)、人工費(fèi)、折舊攤銷費(fèi)、期間費(fèi)降低。③所有樓棟標(biāo)準(zhǔn)層相同,模具能完全共用,因此模具費(fèi)用降低。
(2)拆分標(biāo)準(zhǔn)化是指在疊合樓板拆分設(shè)計(jì)時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格通用板+組合拼裝的設(shè)計(jì)方法,通過對(duì)常見住宅戶型的梳理與統(tǒng)計(jì)分析,選定了一系列出現(xiàn)頻度較高的板格尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格通用板,標(biāo)準(zhǔn)板的標(biāo)志寬度尺寸為1100、1300、1600、1700、2100、2200、2400、2500、2600,經(jīng)過測(cè)算分析,任意寬度大于3000 需要拆分的板格都可以從上述9 種標(biāo)準(zhǔn)板中組合拼裝而成,比如以3600 板格為例,雙向板設(shè)計(jì)時(shí)可以拆分成1700 標(biāo)準(zhǔn)板+1600 標(biāo)準(zhǔn)板+300 寬拼縫,也可以拆分成2200 標(biāo)準(zhǔn)板+1100 標(biāo)準(zhǔn)板+300 寬拼縫,實(shí)現(xiàn)任意板格的標(biāo)準(zhǔn)化組合。
(3)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化是指在疊合樓板生產(chǎn)詳圖設(shè)計(jì)時(shí),通過統(tǒng)一細(xì)部構(gòu)造、出筋間距、鋼筋網(wǎng)格形成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①細(xì)部構(gòu)造、出筋間距統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以后,實(shí)現(xiàn)了模具通用復(fù)用,模具費(fèi)降低。②鋼筋網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化可以采用智能網(wǎng)片機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn),取代傳統(tǒng)直條鋼筋人工綁扎方式,鋼筋制作及安裝效率大大提升,流水節(jié)拍大幅縮短。
從上述研究分析可得出結(jié)論:本研究提供了一種有效的設(shè)計(jì)方案比選量化分析方法,可用于預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行多組方案比選,解決了當(dāng)前成本測(cè)算的滯后問題,實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)方案階段就測(cè)算預(yù)制構(gòu)件成本,直接通過評(píng)價(jià)計(jì)算出來的成本指標(biāo)來選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí),在應(yīng)用本研究提供方法分析時(shí),需要收集和處理大量的數(shù)據(jù)信息,也需要采集眾多的歷年樣本,如果采用傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)與計(jì)算方式,工作量巨大;因此,建議采用編寫智能計(jì)算機(jī)程序輔助進(jìn)行處理,可取得更高的效率和更精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果[4]。
誠然,本研究還需要進(jìn)一步完善與改進(jìn),本文只研究了疊合樓板這一類預(yù)制構(gòu)件,預(yù)制樓梯、預(yù)制剪力墻、預(yù)制非承重墻、預(yù)制陽臺(tái)、預(yù)制柱、預(yù)制梁等各類構(gòu)件有待下一步深入研究;另外,本研究提供的方法需要用到大量生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù),海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新以及保證數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性,也是后續(xù)需要深度思考與研究的事情;最后,本研究提供的方法與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)方式、運(yùn)輸方式、施工方式密切相關(guān),隨著相關(guān)作業(yè)方法的升級(jí)或改變,測(cè)算方法也需要相應(yīng)改進(jìn)與完善,后續(xù)將會(huì)持續(xù)深入地開展相關(guān)研究工作。