浅谈预制混凝土装配式建筑在国内的应用与发展
浅谈预制混凝土装配式建筑在国内的应用与发展
装配式建筑是指由预制构件通过可靠的方式进行连接建造的建筑。装配式建筑拥有两个重要特点：一是构成建筑的主要构件为预制的，尤其是结构构件；二是连接构件的方式必须可靠。
预制混凝土装配式建筑（以下简称PC建筑）是低能耗绿色建筑的代表之一，在节约资源、减少能耗方面较传统的现浇混凝土建筑具有较大优势。就PC建筑设计而言，其主要特点体现在流程精细化、设计模数化、配合一体化、成本精准化，技术信息化五个方面。本文将综合分析PC建筑在国内市场的现状、前景和应用，以及有可能存在的挑战和问题。
一、我国PC建筑发展的SWOT分析
PC建筑的优势（S-Strengths）
1.提高建筑质量：PC较之于现浇不仅是工艺的变化，其核心是建筑体系和运作方式的变革。
要求在设计阶段实现精细化、协同化，由此提高设计质量和建筑品质。
提高建筑精度。相较于现浇混凝土施工误差以厘米计，PＣ构件误差在毫米级，从而使现场后浇混凝土部分的精度提高。例如：PC墙板反打瓷砖的建筑，可以实现在100米高的外墙面，砖缝笔直整齐，误差控制在2mm内。
提高混凝土质量。PＣ构件主要是在工厂预制生产，在浇筑阶段，模具组装可以严丝合缝，振捣效果较好，之后一般采用蒸汽的养护方式，养护的温度变化速度与恒温的保持都是由电脑控制，所以成品混凝土构件质量远好于现场浇筑。
保证防火性能。PＣ建筑外墙可采用夹芯保温方式，工艺安全性和可靠性高，外保温层不会脱落。
实现建筑自动化和智能化，减少人为误差对工程质量影响。
PＣ化会将传统层层竖向的转包模式变为扁平化分包。将建筑质量责任从流动性极强的零散劳动力转向专业化预制构件工厂。
2.提高工作效率
PＣ化是一种集约型生产方式，构件制作流程可以实现机械化、自动化及智能化，从而使生产效率得到提高。
PＣ化可以让许多高处作业的任务在工厂得以实现，免受外部气象条件的限制。
3.节约建筑材料
减少模具材料的消耗。
预制构件表面平整光洁，可以取消找平层和抹灰层。
项目不再需要满搭脚手架，减少脚手架材料的消耗。
减少现浇工艺对商品混凝土的需求，避免运输途中和混凝土罐车内的混凝土浪费。
精细化与集成化的特点可减少工程中材料和能源的消耗，尤其在围护、保温与装饰等环节。
4.节能减排环保
节约原材料，降低能源消耗，减少碳排放量。
大幅度减少建筑垃圾。
运输环节，减少混凝土搅拌产生的多余能耗。
工地浇筑、振捣作业的减少也会减轻施工噪音污染。
工地减少扬尘。PC化内外墙无需抹灰。
5.节省劳动力
预制率高，工地工人、模板工和脚手架工人的数量减少，部分劳动力会转移到PC工厂。
工厂的构件生产过程在逐步实现智能化、自动化，节约劳动力。
随着PＣ构件模数化和标准化，生产工艺自动化程度也会逐步提高。
PＣ化可以较多地使用设备和工具，降低工人的劳动强度。
6.缩短建筑工期：预制率高，现浇量小，可大幅缩短总工期。
7.有利于安全生产
工地作业人员大幅减少，高处、高空和脚手架的作业人员减少。
工厂作业的环境和安全管理的便利性优于工地。
PＣ建筑的不足（W-Weaknesses）
1.PＣ建筑与个性化、复杂化的建筑形式的冲突：由于ＰＣ化是建立在规格化、模数化和标准化的基础上，在实现建筑个性化和复杂化方面，实施有难度且不经济。
2.PＣ建筑要求建筑规模和建筑体量：PC工厂成本高，设备投入大，因此PＣ化依赖一定的规模和体量才能发展生存。
3.PＣ企业前期场地、厂房、设备投入巨大：以年产5万立方构件的PＣ工程为例，PＣ工厂投资约在几千万元甚至过亿元；而PＣ安装的施工企业需要购置大吨位的长吊臂塔式起重机。
PＣ建筑的机遇（O-Opportunities）
1.国家政策导向
2017年《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》，计划用十年左右时间，实现装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。假设建筑业产值以9%的速度增长（近三年平均值），预计2020年PＣ建筑产值将达到2.83万亿元。国家与各级政府大力宣传国内外先进建筑方式的同时，提出多项优惠鼓励措施，如扶持建筑工业化基地建设、对装配式项目进行激励等。
2.人力资源要求
建筑业的主要人力资源成本上涨。相比传统建筑模式招工面临的巨大缺口，装配式建筑对传统劳动力数量的需求较少。
3.产学研结合趋势
很多企业选择和高校形成良好的研究合作模式，共同依据我国现有的工程实际情况与管理模式，探索与研究适合我国国情的装配式建筑。同时也在结合国外先进成功的工程技术，加强了装配式建筑的本土化进程。
4.整体式家装兴起
在国家政策对于装配式建筑的市场刺激下，整体式家装产业会逐步兴起。整体式家装可以实现全部部品工厂的精细化配给与施工，工厂干法施工，结构化组装。其最大优势在于安装效率高，工序简单。以整体式卫浴为例，4-8小时即可完成一套整体式卫浴的安装，拥有保温缓冲层的卫浴间不易冷凝，保持雨季依然干爽洁净，消除传统卫生间渗漏隐患。
PC建筑的挑战（T-Threats）
1.标准规范体系待完善
各地方针对实际工程需求出台制定了预制装配式施工规范细则各有不同。亟待加快编制国家标准和行业标准，加强技术创新，促进关键技术和成套技术研究成果转化为标准版规范，强化建筑材料标准、部品部件标准、工程标准之间的衔接，逐步建立完善覆盖设计、生产、施工和使用维护全过程的装配式建筑标准规范体系。如由国家住建部发起、中国建筑标准设计研究院主编的《装配式建筑体系标准应用实施指南（2016）》。
2.提升装配施工水平
现场施工一直以来是我国工程的主流形式，装配式施工方式给建筑行业及企业管理水平带来新的挑战。PＣ建筑要求预制构件工程、技术人员和运输团队以及安装机械设备的专业性较高。在施工企业方面，需要建设强有力的产业工人队伍，打造完善的专业化装配式建筑服务平台。施工方需要提高装配施工技能，实现技术工艺、组织管理、技能队伍的转变。
3.节点的延性和防水等关键装配式技术亟待解决
PＣ建筑存在较多的连接节点，因此节点的质量安全是ＰＣ建筑的关键。就目前的技术条件而言，节点技术可以较好实现承载力与刚度的要求，但延性仍然是重难点，常常难以满足工程需要。同时由于ＰＣ本身建筑特点，在构件连接节点往往容易发生渗漏的问题，这也要求建筑单位在构造处理方面对防水要采取更有效的方式，来确保建筑的使用性能。
4.前期投资高﹐建筑企业需要转变观念
预制装配式的施工流程发生转变，从大规模的现场施工转变为构件工厂施工。因此前期构件预制工厂的一次性投入很大，包括购买模具、构件养护、运输与专业安装。对中小型企业来说，当劳动力成本没有上涨到一定程度，采用传统的现浇施工方式会具有较大经济优势。不过在政府倡导和规范下，越来越多企业将会参与到装配式建筑的实践中。
二、PＣ建筑的成本简析及与BIM技术的结合
PＣ建筑与传统现浇混凝土结构建筑相比较，在设计、制作、运输、施工和业主项目管理各个环节，成本都发生了变化。依照国外经验，分别在设计环节、制作环节成本会提高，运输成本基本差别不大，但在施工环节与业主项目管理环节成本会降低。现阶段，我国ＰＣ建筑成本高于现浇混凝土结构建筑，究其原因大致有四点：
一是PＣ建筑处于起始阶段；二是PＣ建筑带来建筑质量提升和功能改善所引起的费用；三是结构形式与习惯向PＣ建筑转型需要一个过程；四是劳动力成本较发达国家低，企业基于成本导向，优先选择传统建筑方式。
降低设计成本最行之有效的途径是BIM系统的运用。装配式建筑需要全面深入地协调各个专业的设计、制作、施工等环节，协调工作在其中至关重要。运用BIM可以有效避免或减少衔接环节的错误；优化设计、制作、施工等各个环节的管理；保证质量、降低成本、提高效率、缩短工期，有助于实现建筑产业向自动化、智能化方向发展（图3）。在ＰＣ建筑的实际施工中，其装配式的特性特别强调各个环节、各个部件之间的协调性，BIM的应用会为ＰＣ设计、制作和安装带来极大便利，减少乃至避免出现“错漏碰缺”和“设计变更”。由于工程项目中各专业环节之间信息零碎化，工程信息无法整合与共享，往往会带来各类“错漏碰缺”的情况，一个可以共同合作交流的交互平台能避免信息封闭与传递错误。现浇混凝土在现场还能采取一定补救措施来弥补，但ＰＣ构件都是工厂预制的，只有到现场才发现问题，往往会造成很大的损失（图4）。而BIM技术可以改变这一局面，由于建筑、结构、水暖各个专业之间会在同一个模型信息下，来完成设计、制作和安装的工作，检查、发现和解决各专业各环节存在的冲突会变得更加直观和容易，能及早发现问题，防患于未然。
三、结语
随着建筑工业化进程的不断推进，装配式混凝土建筑将逐步发挥举足轻重的作用。面对机遇与挑战，在建筑行业的参与者需要结合自身和区域的实际情况，研究推进装配式建筑的发展，研究新材料、新技术，培育专业化人才梯队。装配式建筑目前在国内正处于起步发展阶段，逐步规范我国装配式混凝土建筑的建设，运用好BIM等新型技术，对推动我国建筑行业向精细化和集约化方向发展有着极为重要的意义。
预制混凝土装配式建筑（以下简称PC建筑）是低能耗绿色建筑的代表之一，在节约资源、减少能耗方面较传统的现浇混凝土建筑具有较大优势。就PC建筑设计而言，其主要特点体现在流程精细化、设计模数化、配合一体化、成本精准化，技术信息化五个方面。本文将综合分析PC建筑在国内市场的现状、前景和应用，以及有可能存在的挑战和问题。
一、我国PC建筑发展的SWOT分析
PC建筑的优势（S-Strengths）
1.提高建筑质量：PC较之于现浇不仅是工艺的变化，其核心是建筑体系和运作方式的变革。
要求在设计阶段实现精细化、协同化，由此提高设计质量和建筑品质。
提高建筑精度。相较于现浇混凝土施工误差以厘米计，PＣ构件误差在毫米级，从而使现场后浇混凝土部分的精度提高。例如：PC墙板反打瓷砖的建筑，可以实现在100米高的外墙面，砖缝笔直整齐，误差控制在2mm内。
提高混凝土质量。PＣ构件主要是在工厂预制生产，在浇筑阶段，模具组装可以严丝合缝，振捣效果较好，之后一般采用蒸汽的养护方式，养护的温度变化速度与恒温的保持都是由电脑控制，所以成品混凝土构件质量远好于现场浇筑。
保证防火性能。PＣ建筑外墙可采用夹芯保温方式，工艺安全性和可靠性高，外保温层不会脱落。
实现建筑自动化和智能化，减少人为误差对工程质量影响。
PＣ化会将传统层层竖向的转包模式变为扁平化分包。将建筑质量责任从流动性极强的零散劳动力转向专业化预制构件工厂。
2.提高工作效率
PＣ化是一种集约型生产方式，构件制作流程可以实现机械化、自动化及智能化，从而使生产效率得到提高。
PＣ化可以让许多高处作业的任务在工厂得以实现，免受外部气象条件的限制。
3.节约建筑材料
减少模具材料的消耗。
预制构件表面平整光洁，可以取消找平层和抹灰层。
项目不再需要满搭脚手架，减少脚手架材料的消耗。
减少现浇工艺对商品混凝土的需求，避免运输途中和混凝土罐车内的混凝土浪费。
精细化与集成化的特点可减少工程中材料和能源的消耗，尤其在围护、保温与装饰等环节。
4.节能减排环保
节约原材料，降低能源消耗，减少碳排放量。
大幅度减少建筑垃圾。
运输环节，减少混凝土搅拌产生的多余能耗。
工地浇筑、振捣作业的减少也会减轻施工噪音污染。
工地减少扬尘。PC化内外墙无需抹灰。
5.节省劳动力
预制率高，工地工人、模板工和脚手架工人的数量减少，部分劳动力会转移到PC工厂。
工厂的构件生产过程在逐步实现智能化、自动化，节约劳动力。
随着PＣ构件模数化和标准化，生产工艺自动化程度也会逐步提高。
PＣ化可以较多地使用设备和工具，降低工人的劳动强度。
6.缩短建筑工期：预制率高，现浇量小，可大幅缩短总工期。
7.有利于安全生产
工地作业人员大幅减少，高处、高空和脚手架的作业人员减少。
工厂作业的环境和安全管理的便利性优于工地。
PＣ建筑的不足（W-Weaknesses）
1.PＣ建筑与个性化、复杂化的建筑形式的冲突：由于ＰＣ化是建立在规格化、模数化和标准化的基础上，在实现建筑个性化和复杂化方面，实施有难度且不经济。
2.PＣ建筑要求建筑规模和建筑体量：PC工厂成本高，设备投入大，因此PＣ化依赖一定的规模和体量才能发展生存。
3.PＣ企业前期场地、厂房、设备投入巨大：以年产5万立方构件的PＣ工程为例，PＣ工厂投资约在几千万元甚至过亿元；而PＣ安装的施工企业需要购置大吨位的长吊臂塔式起重机。
PＣ建筑的机遇（O-Opportunities）
1.国家政策导向
2017年《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》，计划用十年左右时间，实现装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。假设建筑业产值以9%的速度增长（近三年平均值），预计2020年PＣ建筑产值将达到2.83万亿元。国家与各级政府大力宣传国内外先进建筑方式的同时，提出多项优惠鼓励措施，如扶持建筑工业化基地建设、对装配式项目进行激励等。
2.人力资源要求
建筑业的主要人力资源成本上涨。相比传统建筑模式招工面临的巨大缺口，装配式建筑对传统劳动力数量的需求较少。
3.产学研结合趋势
很多企业选择和高校形成良好的研究合作模式，共同依据我国现有的工程实际情况与管理模式，探索与研究适合我国国情的装配式建筑。同时也在结合国外先进成功的工程技术，加强了装配式建筑的本土化进程。
4.整体式家装兴起
在国家政策对于装配式建筑的市场刺激下，整体式家装产业会逐步兴起。整体式家装可以实现全部部品工厂的精细化配给与施工，工厂干法施工，结构化组装。其最大优势在于安装效率高，工序简单。以整体式卫浴为例，4-8小时即可完成一套整体式卫浴的安装，拥有保温缓冲层的卫浴间不易冷凝，保持雨季依然干爽洁净，消除传统卫生间渗漏隐患。
PC建筑的挑战（T-Threats）
1.标准规范体系待完善
各地方针对实际工程需求出台制定了预制装配式施工规范细则各有不同。亟待加快编制国家标准和行业标准，加强技术创新，促进关键技术和成套技术研究成果转化为标准版规范，强化建筑材料标准、部品部件标准、工程标准之间的衔接，逐步建立完善覆盖设计、生产、施工和使用维护全过程的装配式建筑标准规范体系。如由国家住建部发起、中国建筑标准设计研究院主编的《装配式建筑体系标准应用实施指南（2016）》。
2.提升装配施工水平
现场施工一直以来是我国工程的主流形式，装配式施工方式给建筑行业及企业管理水平带来新的挑战。PＣ建筑要求预制构件工程、技术人员和运输团队以及安装机械设备的专业性较高。在施工企业方面，需要建设强有力的产业工人队伍，打造完善的专业化装配式建筑服务平台。施工方需要提高装配施工技能，实现技术工艺、组织管理、技能队伍的转变。
3.节点的延性和防水等关键装配式技术亟待解决
PＣ建筑存在较多的连接节点，因此节点的质量安全是ＰＣ建筑的关键。就目前的技术条件而言，节点技术可以较好实现承载力与刚度的要求，但延性仍然是重难点，常常难以满足工程需要。同时由于ＰＣ本身建筑特点，在构件连接节点往往容易发生渗漏的问题，这也要求建筑单位在构造处理方面对防水要采取更有效的方式，来确保建筑的使用性能。
4.前期投资高﹐建筑企业需要转变观念
预制装配式的施工流程发生转变，从大规模的现场施工转变为构件工厂施工。因此前期构件预制工厂的一次性投入很大，包括购买模具、构件养护、运输与专业安装。对中小型企业来说，当劳动力成本没有上涨到一定程度，采用传统的现浇施工方式会具有较大经济优势。不过在政府倡导和规范下，越来越多企业将会参与到装配式建筑的实践中。
二、PＣ建筑的成本简析及与BIM技术的结合
PＣ建筑与传统现浇混凝土结构建筑相比较，在设计、制作、运输、施工和业主项目管理各个环节，成本都发生了变化。依照国外经验，分别在设计环节、制作环节成本会提高，运输成本基本差别不大，但在施工环节与业主项目管理环节成本会降低。现阶段，我国ＰＣ建筑成本高于现浇混凝土结构建筑，究其原因大致有四点：
一是PＣ建筑处于起始阶段；二是PＣ建筑带来建筑质量提升和功能改善所引起的费用；三是结构形式与习惯向PＣ建筑转型需要一个过程；四是劳动力成本较发达国家低，企业基于成本导向，优先选择传统建筑方式。
降低设计成本最行之有效的途径是BIM系统的运用。装配式建筑需要全面深入地协调各个专业的设计、制作、施工等环节，协调工作在其中至关重要。运用BIM可以有效避免或减少衔接环节的错误；优化设计、制作、施工等各个环节的管理；保证质量、降低成本、提高效率、缩短工期，有助于实现建筑产业向自动化、智能化方向发展（图3）。在ＰＣ建筑的实际施工中，其装配式的特性特别强调各个环节、各个部件之间的协调性，BIM的应用会为ＰＣ设计、制作和安装带来极大便利，减少乃至避免出现“错漏碰缺”和“设计变更”。由于工程项目中各专业环节之间信息零碎化，工程信息无法整合与共享，往往会带来各类“错漏碰缺”的情况，一个可以共同合作交流的交互平台能避免信息封闭与传递错误。现浇混凝土在现场还能采取一定补救措施来弥补，但ＰＣ构件都是工厂预制的，只有到现场才发现问题，往往会造成很大的损失（图4）。而BIM技术可以改变这一局面，由于建筑、结构、水暖各个专业之间会在同一个模型信息下，来完成设计、制作和安装的工作，检查、发现和解决各专业各环节存在的冲突会变得更加直观和容易，能及早发现问题，防患于未然。
三、结语
随着建筑工业化进程的不断推进，装配式混凝土建筑将逐步发挥举足轻重的作用。面对机遇与挑战，在建筑行业的参与者需要结合自身和区域的实际情况，研究推进装配式建筑的发展，研究新材料、新技术，培育专业化人才梯队。装配式建筑目前在国内正处于起步发展阶段，逐步规范我国装配式混凝土建筑的建设，运用好BIM等新型技术，对推动我国建筑行业向精细化和集约化方向发展有着极为重要的意义。