绿色装配式建筑发展现状及策略
发布时间：2021-02-23
[摘要]建筑业在促进我国经济持续健康发展、提高城镇化水平过程中起着重要作用，而巨大的资源、环境压力阻碍了传统建筑行业的可持续发展。近年来，作为建筑产业现代化核心的装配式混凝土结构体系，是一种典型的绿色建筑模式。装配式建筑是推动建筑业转型升级、绿色发展的关键，对建筑工业化建设有着重要意义。本文梳理装配式建筑的发展历程，阐述其发展现状，从绿色建筑的角度，分析其发展过程中存在的问题，包括：政策支持力度不够，顶层设计落后;技术标准体系不健全，标准化程度低;产业不成熟，产业管理不完善;建筑工程成本高，前期投入大。基于此，提出以下创新策略:制定、完善国家相关政策;构建完善的技术标准体系;加强行业管理，优化产业管理模式;抓重点扩规模，降低以下装配式建筑成本。
[关键词]装配式建筑;现状;问题;策略
一、引言
长期以来，传统建筑行业在发展过程中面临诸多矛盾及难题，如环境污染严重、建设周期长、生产效率低下、安全隐患众多、质量监管力度不足、管理难度大等。随着BIM等先进技术的迅速发展，“一带一路”倡议的推进，传统的建造方式已经不能适应建筑行业可持续发展的要求。基于此，要实现建筑行业可持续健康发展，促进其快速转型升级，大力发展绿色装配式建筑就是极其重要的手段[1]。
20世纪60年代，人们开始关注装配式建筑，法国、英国等欧洲国家做了先期尝试，积累了一定的经验。20世纪80年代，随着中国人口基数的增加及城镇化进程的加快，人们对住房的要求也进一步提高，装配式建筑应运而生。2016年9月14日，国务院总理李克强主持国务院常务会议，强调要大力发展装配式建筑，服务于产业结构转型升级[2]。同年9月27日，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》。2017年2月，《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》出台，明确大力发展装配式建筑，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2018年1月，住建部强调，要因地制宜、稳步推进装配式建筑协调、有序发展。2018年12月25日，全国住房城乡建设工作会议明确把大力发展装配式建筑作为2019年的重点任务和总体要求。作为一种新型建造方式，装配式建筑具有生产速度快、效率高、减少劳动力资源、绿色环保等优点，但也存在不少弊端，比如：建筑成本偏高、构件搭接处质量问题，以及整体抗震性能低等。在装配式建筑的推广过程中，要清晰认识其基本内涵、种类及特征，发现其优点，指出其不足，积累、学习优秀先进经验，引导绿色装配式建筑健康发展。可以说，绿色装配式建筑的推广、应用，是一段时期内建设行政主管部门的一项重要工作，而如何把装配式建筑效能发挥到最大，促进行业可持续发展，是当前建设领域面临的一项重大难题。
二、研究综述
关于装配式建筑结构体系，国外学者进行了大量研究。二战以后，欧美国家大量采用装配式结构体系。在美国，装配式工业建筑有着明显的经济优势，主要体现在：原材料批量采购，节约材料成本;标准化设计，效率高、质量可靠，减少了生产费用;工期缩短，降低了时间成本[3]。他们的住宅产业化处于比较成熟阶段，尤其是在预制装配式混凝土主体结构理论研究、实践应用研究方面取得了突出成就，如EdwardK.Ricel对装配式混凝土多层结构构件连接问题进行了深入研究，总结了锚固方法;WilliamLBrown对装配式结构墙体技术进行了科学总结;MelvinZimmernian对装配式墙体结构进行了创新研究。在英国，把预制装配式方式称为非现场施工方式，其发展过程障碍较大，成本高。在德国，装配式建筑成本也很高，主要体现为人工费用方面;建筑构件标准化、模数化程度较高，钢材使用量大，大体量的预制构件工厂预制率较低，运输成本明显偏高。20世纪80年代，欧美国家针对装配式结构形成了许多专利，包括设计、施工及关键连接部位的力学性能等领域。
从经济性角度出发，著名学者DavidArditi(2000)和GulPolat(2008)对装配式工业化建筑进行了广泛调查、研究，认为只有各环节、各工种相互配合、相互交流，才可能实现装配式的经济优势[4]。以色列AbrahamWarszawski、DavidCarmel(1984)通过对传统建造方式、装配式建造方式直接成本比较认为，成本不受现浇、预制等施工方案的影响[5]。而Payan(1996)、Mecalco则认为，与传统的建筑体系相比，装配式工业化结构体系具有明显的经济优势。
在成本对策研究方面，美国学者AhmedElSayed、MustafaAlSaudi(2007)对装配式结构体系进行了评价比较发现，当到达一定规模，成本会明显下降。新加坡学者AlirezaKhalili(2013)提出了标准化、规模化的思想，以降低构件成本。经济成本高，是预制装配式结构发展初期大多数国家面临的困境。
除此之外，安全性、稳定性以及充分的抗震性，也是很多国家在建筑工业化、装配式过程中的又一难题。前南斯拉夫Brankozezely教授经过多年研究，构建了整体预应力预制装配式板柱体系——IMS受力体系，并成功用于工程实践，其建造产品抗震性能好，先后承受了1969年、1981年两次强烈地震的考验。针对强地震的新西兰，著名学者SevketOzden、Ertas，Onur等人，大胆创新，对螺栓节点、焊接节点、后浇带整体部位以及现浇节点进行了低周、反复荷载实验，得出“螺栓节点和后波整体部位的安全性、抗震性与现波节点相同”的结论。同时，发展了多种预制装配式结构连接方式，广泛用于民用住宅，其中最有代表性的是双十字型节点构件以及预制T型构件，其表现出强大的抗震性能。AliEmreKarahan和KasimArmaganKorkmaz等学者，对预制装配式结构的抗震性也进行了大量研究，认为在减轻地震方面填充墙起着重要作用，且经济实惠，并被广泛用于土耳其的建筑市场。
在国内，很多大型企业(主要包括万科集团、长沙远大等)对装配式技术进行了创新尝试，普遍反映装配式体系成本高。著名学者付超(2015)通过典型案例研究发现，装配式结构成本增加的原因主要在建造安装环节[6];李颖(2016)对传统结构体系与装配式结构体系成本进行了比较;同样，齐宝库、马博等人(2016)也认为装配式结构体系比传统建筑体系减少了现浇施工量，但构件生产、安装成本明显增加[7]。尹珺(2015)以郑州市住宅为例，分析得知装配式实际建造成本明显高于现浇建筑成本，其原因主要为缺乏规模效益。李丽红、付欣等人(2014)重点分析了预制装配式结构的土建成本，得出“土建成本偏高是PC构件、现场安装成本高导致”的结论。
还有，从装配式建筑预制率的角度，国内许多著名学者也对装配式住宅的成本进行了分析。刘春梅、张程程(2015)分析认为，预制构件的预制率、生产成本、运输成本等是影响装配式建筑造价的主要原因。李丽红、陈思琪等人(2015)以沈阳市多个装配式工程为典型案例，综合分析其技术经济性，得出最佳的预制装配率应该为50%-65%。赵福顺(2015)采用五栋结构相似的装配式住宅，进行成本分析，发现钢筋混凝土工程的成本主要取决于预制构件部分的用量，预制率与造价的高低成正比。
在预制装配式结构体系的安全性、抗震性能方面，国内学者也进行了大量研究。李晓明(2011)强调装配式混凝土技术先进，只要设计合理，具有很强的抗震性能，可以广泛用于高层和超高层建筑中。农宝世(2008)经过反复验算，认为抗震设防7度以下可以大范围使用装配式建筑[8]。孟宪宏、刘伟等人(2015)通过对装配式墙梁节点反复加载抗震实验，设计出不同的剪力墙与梁连接试件，得出装配式构件的最佳配筋及尺寸。郭正兴、朱张峰等人(2012)通过对预制装配式中间层边节点进行抗震研究，证明装配式构件与现浇试件抗震性能相当，只是钢筋用量有所增加，主要体现在节点连接处。从抗震性能方面分析预制装配式建筑，对推广住宅产业化具有重大意义。
综上，国内外学者已对装配式建筑结构体系经济性、抗震性、安全性进行了较为深入研究，这将有利于我们进一步分析装配式结构体系理论，同时对制定降低成本、提高抗震策略有着引导作用。但是，当前研究也有一定局限性，对装配式建筑发展历程研究不够;大多强调装配式结构体系成本高，对存在的问题缺乏系统分析，和绿色建筑、绿色发展的结合也有限。为此，本文将结合相关研究基础，从绿色建筑的角度，重点研究装配式建筑发展存在的问题，提出相应策略，这对推动绿色装配式建筑发展具有重要意义。
三、绿色装配式建筑的发展历程
(一)国外的发展历程
1.初期阶段：建立建筑工业化生产体系。19世纪，欧洲开始出现工业化预制技术;20世纪初，社会逐步重视，欧洲、日本、美国逐步发展。工业革命的开展，使得大批农民流向城市，城市化运动迅速发展，城市居住条件极为恶劣。城市居住的需求促使了当时预制建筑的发展。第二次世界大战后，城市住宅破坏严重，而且劳动力严重不足，为了解决这一问题，20世纪50年代，欧洲一些发达国家大力发展预制装配式建筑，建筑工业化得到较大的发展。采用工业化的装配式手法大批量建造住宅，成为当时的重要做法，不少标准的、完整的、系列化建筑住宅体系初步形成，并延续至今。法国的建筑大师勒·柯布西耶就是当时建筑工业化的典型代表。
2.发展阶段：提高预制装配式产品质量。20世纪80年代，住宅产业化发展有了新的变化，开始注意住宅产品多样化、功能化，美国、日本、丹麦，法国是当时的典型代表。美国的结构学家巴克敏斯特·富勒极力推动构件工业化生产，先后发明了轻质金属房屋、第一代、第二代、第三代多边最大限度利用能源住宅;成功设计出用轻质构件制造穹顶，主张在“城市中建满这种房子”[9]。在这种背景下，美国的建筑工业化迅速发展，预制装配式住宅产品社会化、商品化、专业化程度都很高，深深影响着国民经济各领域。高层钢结构住宅达到通用化、标准化、干作业;独立的木结构、钢结构在工厂生产、现场组装，总体实现干作业，具有种类丰富、功能多样的室内外装修材料及设备设施，建筑材料品种齐全，使用说明书规范。住宅质量有保证、工业化程度高，是当时美国装配式的重要特点。同时，亚洲的新加坡也积极发展装配式住宅，其建屋发展局开发的组屋体系都采用装配式技术，可建15-28层的高层住宅。
法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一，先后创立了“第一代建筑工业”“第二代建筑工业化”体系，实现了由“全装配大板，配合工具式模板现浇工艺”向“通用构件制品及设备”过渡，大力发展“通用体系”，积极推广“构造体系”，努力实现向“通用建筑体系”的快速转变。
3.成熟阶段：降低物耗，提倡环保，实现低碳化、个性化。在这阶段，各国大力开发大型混凝土板预制装配式体系，形成以通用部件为基础的装配体系，逐步探索实现装配低碳化、个性化、绿色化。瑞典在新建住宅中，通用部件使用率达82%;单位建筑面积能耗较传统住宅节约25%以上。在丹麦，其将建筑模数法制化，鼓励标准化构件，降低消耗。在日本，政府大力支持装配式建筑发展，解决其住宅人均资源和能源贫乏的问题，积极学习欧洲先进国家的PC技术经验，实现“PC技术产业化、规模化建立”“PC技术新型工业化的开发”向“迎接新挑战，PC深化发展”的过渡。20世纪80年代，日本又将预制装配式住宅向精细化、寿命持久化方面发展，构建了“百年住宅建设系统(CHS)”[10]。在美国，预制混凝土协会(PCI)积极研究、推广预制建筑,相关标准、规范非常完善，尤其在结构预制构件和建筑预制外墙，实现预制构建大型化和预应力相结合，优化主体结构配筋及构件连接，使制作、安装工程量大大减少，减少了消耗，加快了建造进度，推动了预制装配式标准化、工业化和技术经济化。目前，新西兰、日本、美国等国都形成了完善的预制装配式技术规程，美国的工业化住宅建设和安全标准HUD就是典型代表之一，在政府的政府支持下，众多专家学者努力研究，预制装配式各项技术逐步完善，装配式建筑日益实现低碳环保、绿色发展。
(二)国内的发展历程
1.学习起步阶段(1953-1975年)。国内的装配式建筑起步来源于苏联建造经验。第一至第五个“五年计划”期间，提出向苏联学习装配式建筑的构想。当时生产力低下，国家提出工业复兴计划，建筑行业推行标准化，发展预制构件，大量建造工业厂房。小型的建筑构件、砖混结构是当时的重要特征，限于计划经济体制，未能提出“建筑产业化”的概念，当时只能称之为“建筑工业化”。而且受技术、管理水平影响，建筑技术水平普遍低下，工业化范围非常小，仅仅追求主体结构预制装配化，产品规格单调，缺乏灵活性，而且成本较高，从而导致劳动生产率提高非常有限，建筑工业化的综合效率不明显。同时，外墙的防渗、防水技术落后，业内对预制技术缺乏积极研究，装配式建筑发展十分缓慢。
2.积极探索阶段(1976-1995年)。20世纪70-80年代，高层住宅楼装配式试点工作在北京展开，主体结构采用现浇混凝土和预制装配相结合，其他细部构件采用预制结构，如外墙板、内隔墙等。试点项目竣工后，一定程度上影响着建筑工业化，为装配式建筑在各大城市推广积累了宝贵经验。
3.逐步发展阶段(1996-现在)。20世纪90年代，装配式建筑有了一定的发展，但受运输不便、成本偏高影响，加上安全、防水、抗震等先天不足，这些问题未能很好解决，制约着装配式建筑的推广[11]。直到2015年，随着建筑技术的不断发展，在国家政策的大力支持下，加上国外先进人才的涌入以及成功经验的交流，装配式建筑在北京、深圳、上海等特大城市开始发展起来，逐步占据一定市场比例。
当前，我国装配式建筑虽然发展迅速，但与西方发达国家相比，仍处于起步阶段，新建建筑中装配式市场占有率仍不足5%(见图1)。2016年11月，住建部明确提出：到2020年，我国装配式建筑占新建建筑的比例要达20%以上;到2025年，要达到50%以上。有政策的支持以及技术的保证，我国的装配式建筑市场必将进入快速工业化时代。
四、绿色装配式建筑发展现状及问题
(一)发展现状
1.国外发展现状
在国外一些发达国家，工业化进程较快，预制装配式建筑发展迅速，其建筑体系较为成熟，在设计、生产、构建运输、施工安装等整个过程都有十分完善的技术标准和安全质量体系。在美国，住宅建设有独特的发展路径，重点以低层木结构、轻型钢结构模式为主，强调多样化特征;充分发挥市场机制的主导作用，同时政府积极推动，出台了一系列方针政策，支持装配式建筑发展。在瑞典，装配式建筑技术体系比较完善，预制装配式构件的标准化已逐步纳入国家工业标准。政府在政策、资金方面，给装配式建筑产品工业化通用体系、专用体系建设巨大支持，在建筑模数协调的基础上，构建了“瑞典工业标准SIS”体系，实现部件规格、尺寸、连接方式的通用化、标准化，减少资源浪费。在日本，政府积极推动，制定了系列鼓励政策，构建装配式住宅性能认定制度。建筑产品工团和民间企业，是日本装配式建筑的两类主导机构。前者主要研究预制产品标准化技术，钢结构、木结构以及混凝土结构建筑产品的研制试验，机械化施工工法等;后者则主要包括大成建设、大和房屋等，主要负责预制装配式工程的具体建设。随着技术体系不断成熟，日本形成了“都市再生机构骨架+填充住宅建筑体系”(KSI)装配式建筑体系[12]。
除此以外，新加坡，法国和英国等发达国家也非常重视预制装配式建筑发展，形成了各自独特的技术体系及规范标准，广泛用于工业与民用建筑。据相关资料统计，截至2018年底，美国预制装配式结构占混凝土结构总量的比例为52%;日本的预制装配技术及管理处于世界领先水平，其预制装配式结构占混凝土结构总量的比例为78%;瑞典预制装配式结构占市场总量的比例76%;新加坡、法国、丹麦、英国分别为47%，49%，51%，45%，具体见图2。
2.国内发展现状
1999年，国务院首次提出建筑工业化;2013年初，国务院转发了住房和城乡建设部、国家发改委《绿色建筑行动方案》，将推动新型建筑工业化作为一项重要内容;2014年4月，国务院出台了《国家新型城镇化发展规划》，明确提出了“强力推进建筑工业化”的要求;2016年9月，国务院出台了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》;2017年2月，李克强总理强调，深化建筑业“房管服”，推广装配式建筑。这些政策、文件的出台，为装配式建筑的发展指明了方向。
在地方层面，北京、深圳、上海、浙江、江西等30多个省市区先后出台政策，从金融、税收等方面支持、促进绿色装配式建筑发展。其主要体现在以下五个方面：一是各种财政补贴方式，包括科技创新专项资金扶持，利用节能专项资金扶持，减免城市建设配套服务等;二是在土地出让环节明确建筑项目产业化面积比例;三是通过税收政策给予扶持，包括将构件生产企业纳入高新技术企业，享受相关财税优惠政策，给予信贷扶持政策等;四是在住宅建设领域，大力推进新建住宅装修完备，鼓励产品交付;五是重点以政府投资项目为主，大力推进产业化项目建设。
试点带动效果越来越明显，相关技术标准越来越完善。为响应国务院要求，住房和城乡建设部设立国家住宅产业现代化综合试点城市，也成立了住宅产业化促进中心。同时，装配式混凝土结构技术、施工技术、生产工艺日趋成熟，相应规范、标准先后出台，比如：《装配式混凝土结构技术规程》《装配整体式混凝土公共建筑设计规程》《整体预应力装配式板柱结构技术规程》等，这一系列技术标准形成了装配式混凝土结构建筑的标准体系，指导着装配式建筑持续发展[13]。——论文作者：廖礼平
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