装配式建筑设计与建造技术发展概述

文章摘要

大力提升装配式建筑设计、建造与信息化管理技术水平是未来我国建筑工业化发展的重中之重，也是建筑业节能减排和产业升级的必经之路。文章首先对国内外装配式建筑的设计方法、建造技术和相关BIM软件工具技术的发展状况进行综述研究。其次，针对我国装配式建筑发展过程中存在的问题和技术应用特点，分析现阶段装配式建筑发展中的技术进步和制约因素。最后，对基于建造、性能和智能的装配式建筑设计方法的发展提出优化建议。

张宏、黑赏罡、叶红雨、赵亮 / 东南大学建筑学院

宗德新 / 重庆大学建筑城规学院

建筑的物质本体是由建筑材料生产制作的构件及其系统，构件系统限定围合成不同的活动空间，空间进而组合构成各种功能类型的建筑。装配式建筑强调构件生产工厂化，即在工厂生产制作建筑构件和配件，转运到建筑施工现场，通过机械和工具、连接组装构件及其系统，并通过信息化技术管理建筑建造的全过程。近年来，我国建筑工业化、智能化、信息化发展的相关研究主要以单项建筑实践研究为主，可分为四个主要方向：①行业、政策视角下装配式建筑发展路径分析与研究；②装配式建筑环境效益与可持续建设相关技术方法研究；③基于BIM技术的装配式建筑全生命周期协同设计、施工、运维管理技术和方法相关研究；④装配式建筑性能、质量、成本、碳排放控制等相关技术方法研究。本文从建筑设计、建造及信息化管理技术和方法的角度，对该领域文献进行综述研究。针对装配式设计建造特征和现阶段装配式建筑发展问题，整理分析了装配式建筑设计理论方法、建造技术以及BIM软件技术三个方面的相关研究成果，并在此基础上对装配式建筑建造、性能和智能的建筑设计方法的发展进行展望。

1　装配式建筑设计技术和方法研究现状

装配式建筑设计理论、技术和方法研究可归纳为以下方面：①基于装配式建筑本体构成的理论体系和技术方法研究；②基于单项技术和建筑产品化设计应用研究；③基于装配式建筑场景专门化应用研究；④基于BIM技术软件研发和全生命周期各阶段BIM应用研究。在以上四项研究中，基于装配式建筑本体的设计理论和方法是基础研究，尤为重要。

1.1　理论体系和模式方法

回顾装配式建筑设计发展历程，其设计理论与模式方法大体分为两类：以开放建筑（Open Building）理论为核心的体系研究和以智能精益建造与标准化理念为核心的方法研究。国外部分学者分析了建筑开放理论的实际工程应用情况，建立了开放信息架构框架以支持该理论与相关技术融合应用。日本工业化建筑的研究和实践在SAR（Stiching Architecten Research）理论和开放建筑理论的影响下，经过NPS（New Plan System）、KEP（Kodan Experimental Housing Project）、CHS（Century Housing System）百年住宅体系的探索，逐渐形成较为成熟的SI（Skeleton and Infill）和KSI（Kodan Skeleton and Infill）工业化住宅体系。我国对开放建筑理论的研究起步较晚，从20世纪80年代起，陆续有学者对理论进行了引进和实践。刘东卫等中国学者，结合国内建筑工业化研究方向，分析了开放性建筑理论特点和日本建筑工业化发展历程，对SI和开放建筑体系进行了革新，在实践中产生了LC（Life Cycle Housing）、CSI（China SI）、VSI（VANKE SI）三个开放建筑体系，提出了符合中国国情的百年住宅理论。吴昊等系统分析了开放建筑的理论发展过程和分层控制特点，并结合装配式建筑空间变化的实际需求，对开放建筑理论和装配式建筑设计之间的契合度进行了案例分析。

智能精益建造和标准化定量设计是另一类促进建筑工业化发展的重要理论和设计方法，在国内外装配式建筑工程实践应用中发挥了重要作用，并取得了一定的预期效果。东南大学建筑学院建筑工业化装配式建筑设计团队提出了基于构件法的装配式建筑优化设计方法，将建筑设计的起始点放在建筑物质构成部分——建筑构件及其系统，通过对构件的生产、运送、定位、连接、成型、使用和再利用等状态的研究，从底层着手，以微观到宏观的构件控制方式构建起建筑设计与精益建造的关联性，开展了绿色技术和产品设计协同应用模式的新型装配式建筑实践研究。纵斌等指出应在方案设计和深化阶段，将施工易建性作为重要评价指标，改变了目前仅关注预制率和预制构件应用比例的单一评价现状，提出了适合于装配式建筑的易建性理论。樊则森通过对装配式建筑溯源，结合标准化建筑设计，阐述了装配式建筑从设计到建成的主要过程，提出了集成设计模式的设计要点与具体应用方案。同时有些学者提出定量化设计理论和技术方法，对装配式建筑设计过程进行早期优化，如王海宁等提出了构件标准化率指标，并开发了相对应的智能优化设计插件对装配式建筑的成本、建造难度和进度控制进行早期优化。刘凯等建立了基于灰色模型故障树（Fault Tree Analysis，FTA）的装配式建筑设计阶段风险管控模型，用以对设计结果进行定量评估，为装配式建筑设计单位的风险管理提供了新思路。孙晓峰等从设计标准化、立面造型多样化及技术创新应用等多角度梳理了新加坡装配式建筑技术特点及发展趋势。

1.2　产品化设计与技术迭代应用

诸多学者对装配式建筑产品化设计方法进行了深入分析。张宏、罗申等分析了产品模式建筑的特点及其基本设计原理、设计方法和建造方法，并在“C-House”绿色低碳产能房屋中体现了新型光伏与建筑一体化（BIPV）产能建筑产品化设计与技术迭代应用。林正豪基于建筑学视角，从建构效率、空间适应、性能表现三个维度较为系统地研究了装配式轻钢结构体系建筑发展和设计方法的革新历程。吕大力等基于实际工程项目总结了GRC（Glass Fiber Reinforced Cement）装饰构件在装配式建筑产品中的设计应用方法。邓广等人分析了非线性参数化UHPC（Ultra High Performance Concrete）轻型构件应用于表皮的设计建造方法，弥补了混凝土预制构件造型的局限性。王妍提出了竹材作为低碳环保产品在适老性装配式建筑设计中的应用方法，顺应了社会可持续发展理念，推进了绿色建筑产业链发展。谭峥等从可分解结构、拆卸顺序、可拆卸节点等角度分析了可拆卸设计在装配式建筑全生命周期能耗评估中所发挥的节能优势和潜力，有效降低了装配式建筑产品拆除过程对环境及经济的影响。

1.3　项目类型专门化设计和场景应用

臧倩在前期设计阶段通过方案生成、建筑内部空间组织、功能分配、层高调整及风貌协调等方面的分析，介绍了城市公共文化空间装配式建筑设计的理论与方法，并对其进行了装配率的计算和评价。马立等以西安交通大学人居环境与建筑工程学院科研楼为例，结合开放建筑理论、模度理论，提出了科研办公类建筑的装配式建筑设计优化方法。史建等以普达措国家公园为例，从建设成本、施工工期、人工投入和生态环境影响等方面分析了轻钢结构装配式建筑产品在自然保护地建筑中应用的优势及相应的建筑设计要求，为该类工程设计提供借鉴经验。汤群总结了火神山医院实现特殊情况下的快速建造所应用的标准化、模块化设计策略。麦向优从平、立面设计和建筑内外装修方面阐述了装配式建筑设计在高电压等级变电站中的应用。潘文佳等分别从乡村和城市两个方面阐述了养老建筑与装配式建筑设计之间的融合。张宏等均立足于装配式农房，分别针对超低能耗、节能环保猪舍、定点扶贫农宅和低温严寒农宅等不同类型的装配式建筑设计展开研究，这些研究体现出了专门化设计和场景应用特点。

1.4　 BIM软件工具技术

与传统建筑施工模式相比，装配式建筑实现了设计、制造和建造一体化的生产方式和建造模式的转变。这种转变不仅需要与之对应的装配式建筑设计与建造方法的支持，还需要设计、生产、转运、装配、运维等建造全过程一体化协同工作平台BIM（Building Information Modeling）软件管理技术的支持。该技术核心是通过三维模型，动态建立和储存丰富的建设数据信息——如描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，和非构件对象状态信息（如空间和位置关系等）——大大提高了装配式建筑信息集成化程度，实现了建设全过程人、机、料、工程管理方法和环境控制五大基本要素之间的数据关联、交互和共享，为项目建设全过程相关利益方提供工程信息交换和共享平台。BIM 技术在建设工程全生命周期各阶段中已得到广泛应用。尽管BIM软件种类繁多，但目前国内使用的软件基本由国外公司研发或基于国外软件平台研发，较少具有自主知识产权且性能上有待提升，未来需要不断努力改进这一状况。

▲ 装配式建筑BIM软件分类

2　装配式建筑建造技术和方法研究现状

近年来，以高强度劳动为特征的建筑行业面临用工荒的挑战，劳动生产效率和施工质量已成为决定企业生存能力的核心因素。随着环保观念深入人心，低碳可持续发展成为制约建筑企业发展的重要外部因素。下文通过对装配式建造技术和方法的文献进行综述，分析影响我国装配式建筑健康发展的主要因素。

2.1　建造特征

由于工厂生产的预制构件形态多样，占据一定空间体积，普通建材转运方式不能满足预制构件转运要求，需要转运装置和技术方法的辅助，配合吊车、叉车等机械设备将预制构件装车运至施工现场，再由辅助机器卸载或直接吊装，因此预制构件运输的“转运”环节也需要加入到装配式建筑建造过程中。此时现场施工已经不能准确地表述装配式建筑的物化过程，“建造”才是更合适的表述。传统的“施工”过程变成了“建造”过程，该过程包括构件的生产、转运和装配三个阶段。因此，装配式建筑工业化建造方式主要特征是构件标准化、装备和工具通用化以及组织管理信息化。此外，利用BIM技术、物联网、大数据和云计算等新兴信息技术，不断提高劳动生产率，加快建设速度，降低工程成本，提高工程质量，也是其重要特征。

2.2　建造技术

根据构件生产地点的不同，工业化建造方式可分为现场建造和工厂化建造，其中工厂化建造又被称为“非现场建造”。也有学者将现场建造与工厂化建造方式结合作为第三种建造方式。

2.2.1　现场建造技术

钢筋混凝土结构现场建造是指利用工具式模板和支撑定位架、装配式钢筋笼，以及现场浇筑为主的施工方法，且现场建造过程仍采用工厂通用装备工具（如铝合金模板系统）和生产管理标准。现场建造方式相较于工厂化建造方式有两个突出优势：一方面，施工环境适应性强，一次性投资少，节约转运费用；另一方面，结构整体性、可靠性强，结构刚度大、变形小。但工程受季节时令影响较大，因此，这种建造方式需要从技术构成的角度出发，采取有效措施将生产方式向工序定型化和装备通用化方面发展，以提高现场建造对季节时令的适应性。

2.2.2　工厂化建造技术

非现场制造住宅也被称为“预制装配式”住宅，是指在最终安装位置以外的地点对构件进行制造（其中30%～90%的建造过程在工厂里完成），可实现建筑现场快速建造的住宅建筑。其主要有以下三种类型：盒式装配式建筑系统、装配整体式建筑系统，以及钢结构或木结构框架和剪力墙装配式建筑系统。

（1）盒式装配式建筑系统　20世纪50年代，盒式建筑结构体系在瑞士逐渐形成。1973年，匈牙利曾举行盒式建筑国际讨论会。该体系也称为“模块化”建筑，其建筑构件在工厂生产并在现场连接装配。盒式系统建筑由盒子构件组成，是装配化程度最高的建筑形式之一，预制装配程度可达90%。盒式构件大小以房间为单位，盒子内部的水、电、暖、卫设备及内部装修在工厂内完成，现场只需进行平整场地、基础及施工装配等工作，因而受气候影响小，有利于工业化、规模化生产。该建筑体系每平米用工量较传统建筑节约2/3以上，施工工期较其他施工方法缩短约1/2。

（2）装配整体式建筑系统　不同于传统非现场建造模式建筑，装配整体式建筑体系显著特征是在建筑体系建造中采用叠合构件（superposed member）。该构件指经预制混凝土构件和后浇混凝土两阶段成型的整体受力结构构件。叠合构件可以减轻装配构件重量，降低装配难度。通过钢筋、连接件或施加预应力加以连接，并现浇混凝土的构造方式，使得装配整体式混凝土体系的建筑在结构形式上“等同于现浇”，增强了结构整体性。装配整体式建筑目前有四种结构：混凝土框架结构、混凝土剪力墙结构、混凝土框架-现浇剪力墙结构、混凝土部分框支-现浇剪力墙结构。

（3）钢结构或木结构框架和剪力墙装配式建筑系统　钢结构建筑技术日渐成熟，已普遍应用于高层建筑、大型场馆、工业建筑等领域。随着国家政策的推动和技术的进步，结构体系、围护系统、设备与管线系统、内装系统的整体集成化，使得钢结构建筑从单一结构体系向装配式专用体系过渡，并促进了其在住宅建筑领域的推广应用。目前，我国木结构建筑主要集中在农村地区，木材主要应用在屋顶构架方面。城市地区木结构在景观建筑中使用广泛。此外，在体现宗教文化方面，木结构建筑也得到了适当应用。高层木结构技术还不够成熟，实践案例不多。加拿大温哥华某高校公寓项目共18层，总高度53 m，木结构部分采用高度预制化交错层压木材（Cross-laminated timber，CLT）建筑构件，完成了木结构部分快速施工，这为木结构在高层建筑中的应用提供了实践案例。由亨宁·拉森建筑事务所（Henning Larsen）和丹麦安博公司（Ramboll）合作设计的马莫莫伦（Marmormolen）项目位于哥本哈根北港，是丹麦较大体量的木结构建筑之一，包括办公、零售及商业设施。该项目用木材代替混凝土结构，减少了建筑建造过程的隐含碳排放，表现出较好的节能减排潜力。姆约萨湖之塔项目位于挪威小城市布鲁蒙德达尔，是一座高18层的混合用途塔楼，建筑高度经世界高层建筑与都市人居学会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH）确认为目前世界上已建成的木结构建筑第一高楼。其沿立面的大型胶合木桁架及内部柱子和梁组成主要承重结构体系，电梯和楼梯间墙体由CLT构成，承担二次荷载。

综上所述，高层木构建筑可采用不同的建筑结构形式。一部分采用全木结构框架核心筒结构体系，利用CLT建造核心筒来承担水平荷载。也有些采用大型框架结构体系，利用布置在建筑外墙和内部的大型木桁架承担水平荷载。其中，多数高层木构建筑采用木混合框架核心筒结构体系，建筑的梁、柱通常都为木结构，只有少数采用钢木混合或预制混凝土梁。

3　装配式建筑设计技术和方法展望

随着装配式建筑技术的规模化应用，装配式建筑逐渐在抗震、质量、造价控制等方面暴露出问题。其中，由于建筑设计方法与建造技术不匹配所导致的质量问题占据相当大比例。为从设计源头解决上述问题，笔者结合信息化、智能化、低碳化技术提出以下三个方面的优化建议。

▲ 装配式建筑设计理论、技术与方法逻辑框架

3.1　基于建造的装配式建筑设计优化

装配式建筑设计需要符合装配式建筑技术特性，建立支持预制构件生产和装配式建造的标准化设计方法和定量指标体系，如预制率、装配率、建筑和空间边数率等；但应该避免盲目提高预制率指标。基于建造的设计强调对于建造全过程的控制——包括材料制备、构件生产、转运、现场装配阶段的设计协同与效率优化，同时建立提升装配式性能和效率的正向设计技术方法并将其规模化应用。

3.2　基于性能的装配式建筑设计优化

将建筑物理性能模拟与设计软件结合，建立基于性能优化的装配式定量建筑设计技术方法，改变对装配式建筑保温隔热性能不足、安全储备不足、建筑耐久性不够等方面的认识，实现装配式建筑物理性能、热工性能、全生命周期低碳性能、健康性能等各方面的优化提升。

3.3　基于智能的装配式建筑设计优化

计算软件、智能建筑、建筑信息模型等技术的发展，为建筑设计提供了智能定量优化技术基础，提高了多专业、全流程装配式建筑协同设计工作效率。建立基于智能的装配式建筑设计方法，通过基于网络技术的信息化协同管理平台和性能优化设计工具软件的研发。在设计阶段，提高建筑设计优化迭代效率和生成设计准确率；在运维阶段，通过数据自动采集、分析和决策，提高基于信息模型的智能管理覆盖率。

4　结语

本文从装配式建筑设计方法、建造技术和信息化管理技术方面进行了综述研究。结果表明，现有理论和方法需要进一步发展，应建立适合装配式建筑设计、建造一体化协同设计的理论和技术体系，以适应我国建筑工业化、数字化、智能化的发展要求。此外，在装配式建筑BIM软件工具方面，虽然国内研发团队在本土化过程中做出了一定努力和技术突破，但知识产权绝大部分仍归国外软件研发团队所有，国内研发团队创新能力还有待进一步提高。一方面，我国装配式建筑体系类型较多，且大部分设计师仍停留在平面二维方式绘制图纸的传统建筑设计阶段，导致国外BIM软件适用范围有限；另一方面，国产BIM软件技术受国外底层软件技术限制，缺乏对相关图形引擎和核心算法的研究与研发。总而言之，在工业化装配式建筑向信息化、智能化设计建造和管理方向发展过程中，仍需不断探索国产性能优化软件和BIM软件的研发，以设计工具的性能提升和全流程协同应用，促进装配式建筑设计智能化和协同化水平的提高，进而推动建筑设计理论、技术和方法量化研究的进步和发展。 n