国外装配式建筑研究综述

徐 伟 武春杨

内蒙古科技大学土木工程学院

0 引言

我国工业化、城镇化速度的加快和人民生活水平的提高，建筑工业化、信息化也快速发展。近年来，我国政府大力推广装配式建筑，以此来弥补传统建造方式的不足。在此之前，发达国家在这领域已开展了大量的工作。

1 国内外装配式建筑发展现状

早在20世纪20年代的欧洲，德国就提出建筑工业化理念，1933年在住宅区进行大规模的推广应用，目前，装配式小型住宅在德国市场上最受欢迎。法国建筑的装配率已达到75%，俄罗斯采用预制混凝土结构率达50%，欧洲其余各国为35%—40%[1]。上世纪30年代，伴随快速的城市化进程带来需求，美国国内大力推进建筑工业化发展。1971年，美国编制的《PCI设计手册》在国际上引起广泛的影响，对世界装配式产业的全过程具有指导性意义。1968年，日本提出装配式住宅的概念，通过立法保证了构件质量，并在一系列政策和标准的背景下形成了统一的模数标准，实现了装配式建筑标准化、批量化、多样化的发展[2]。2008年，日本采用装配式建设技术建造的东京塔，高达58层，标志着其预制装配式结构的高质量发展。同时，东京塔先后在几次地震中都经受住了考验，验证了装配式建筑结构的可靠性、稳定性。

国内建筑工业化推行较晚。2003年，建设部发布《工程建设标准体系》推动了建筑产业标准化的初期发展。2015年，住建部正式发布《工业化建筑评价标准》，首次明确“工业化建筑”、“装配率”和“建筑部品”等专业术语，进一步完善了我国工业化建筑基础理论，对我国建筑工业化发展起到促进作用。2017年，《工业化建筑评价标准》进一步修订并更名为《装配式建筑评价标准》。

2 国外装配式建筑研究综述

国外装配式建筑发展较早，建筑体系趋于完善，相关研究较国内成熟。在一些发达国家，装配式住宅是建筑工业化的主要表现形式。与国内相比，国外装配式研究对象更加多元化、研究层次更加细化。

2.1 研究对象多元化

木材与传统建筑材料相比，由于其绿色资质和缩短总工期的能力，深受建筑施工青睐。

Tavares等评估了预制木结构等不同装配式建筑的能源消耗、温室气体排放，为不同情况背景下预制结构的选择布局提供理论依据。从材料的生产到现场的最终组装，对装配式建筑进行了全过程的能源消耗与温室气体排放的计算。结果表明，材料生产阶段耗能较大，能源消耗、温室气体分别占全过程的64%～90%、59%～87%。从材质结构而言，轻钢框架和木结构对环境影响最低[3]。

Skullestad等对建筑物结构框架（钢筋混凝土、木材框架）分类，并对不同楼层高度进行了生命周期环境影响比较分析。基于不同假设和情景结构，发现采用木框架结构的建筑比采用混凝土框架的建筑对环境影响更低[4]。

Adekunle等研究了预制木结构的舒适度和过热风险。他们对英国东南部的两栋预制木结构房屋分别进行了入住后评估、热舒适性调查、环境监测，发现在监测期间67%的空间会出现极端夏季过热现象[5]。Vesna等探究了预制木结构能耗问题。他们通过现有研究结果总结出影响建筑物能量性能的重要参数，利用PHPP软件分析了可变参数对供热和制冷能耗的影响。他们对欧洲6种不同热性能外墙构件的玻璃与墙体面积比进行了参数分析，得到了确定预制木框建筑的最佳玻璃窗区域比例的方法[6]。

使用工业化技术建造的学校是现代教育建筑的典范，它们的建筑技术有其独特的特点，减少资源消耗的同时，减少了废弃物的产生。Pons和Wadel对西班牙的装配式结构校园(混凝土结构、钢结构和木结构)与非预制学校进行了比较，结论是装配式结构校园对环境产生的影响小，而且可以进一步降低对环境的影响。在校园建造过程中，钢、混凝土结构在材料开采和制造阶段耗能较大，木材、钢在运输和维护阶段对环境影响较大[7]。

预制具有简单、快速和经济的优点，但对设计的变化却缺乏灵活性，这是其在建筑业市场份额有限的主要原因。为解决这一缺陷，Kasperzyk等提出了一种机器人预制系统(RPS)，可以自动拆卸装配式结构并将其按新结构设计进行改造，从而实现原结构的拆卸并重新制造到新的设计中。在两个实验室规模的预制结构上的验证试验表明，该系统成功地生成了所需的再制造序列，并以可接受的安装精度执行了所有装配操作[8]。

根据欧盟的指示，能源效率的下一步是改善和提高现有建筑物的能源性能。特别是建于60年代、70年代的建筑，这些建筑物的外墙需要经常翻新，有极大改进的潜力。Passer等利用生命周期评估(LCA)确定环境影响最小的翻新方案，并评估了该方案对未来气候稳定性的影响。结果表明，使用预制立面结构、太阳能集热器系统和光伏板是最佳的翻新类型。从生命周期的角度看，预制对环境的影响是最低的，此外，对改变地区供暖的能源供应是非常有益[9]。建筑翻新同时，面临降低成本的问题。Bystedt等针对翻新业务模式发展的需要，对市场和流程优化进行了研究，并提出了信息化管理方面的建议，分解了业务参与者的风险，澄清潜在的共同利益，提出了一种由承包商对客户负全部责任的合同模式[10]。

2.2 研究层次细化

建筑物在生命周期内会消耗大量的资源、能源，据统计，世界上大约60%的原材料开采与土木工程和建筑建设活动有关。不同的材料可以实现类似的功能，但是相关的一次能源和气候影响可能有很大不同。Tettey等探讨了不同建筑材料体系的多层住宅在生命周期内一次能源消耗情况。建筑结构材料主要有预制混凝土、交叉叠层木材(CLT)和预制木材模块(模块化)。结果表明，CLT与混凝土相比，可降低一次能源的使用，并提高生物质的残留量。CLT建筑生产阶段可回收生物质残余物的热值明显大于其生产所需的一次能源。CLT和装配式建筑的总生命周期一次能源使用分别比使用热电联产供暖的混凝土建筑低20%～37%和9%～17%[11]。Takano等研究了三种构件（结构框架、表面组件和内部构件）材料的选择对一次能源的影响。计算建筑模型在生命周期内一次能源使用情况，发现结构材料的选择比其他两类构件有更大的影响，外保温材料的选择对其表面和内部构件性能的影响相对较大。其中，木塑产品的能量回收效益对建筑的生命周期能量平衡有着重要的影响[12]。

使用建筑预制件有许多好处，包括提高施工过程效率和减少废弃物、生命周期内减少对环境影响。目前，建筑预制件还不清楚实现碳减少的程度。

Bonamente等通过调研意大利预制建筑部门，用生命周期评价法对预制建筑的碳足迹、能源足迹进行分析，收集了一家在全国范围内经营多家设施的大型公司的数据，对温室气体排放和能源消耗进行参数化分析。结果表明，建筑保温对建筑环境足迹有重大影响，在高保温情况下，碳足迹总效应减少11%，能源足迹减少9%[13]。

Aye等评估了可重复使用的装配式建筑模块在整个生命周期内温室气体排放量和能源消耗量。为了确定装配式建筑是否有效改善了传统施工方案的环境性能，他们量化了预制构件的具体能量。在装配式钢结构体系中，材料的再利用潜力很大，可节约81%的能源和51%的材料[14]。

Teng等以影响装配式建筑生命周期碳排放（LCCa）的12个变量为系统框架，采用系统分析和综合分析法，为装配式建筑可以减少碳排放提供依据。研究发现，预制与传统的基本情况相比，平均实现了15.6%的碳减排量。然而，个别的预制建筑实际碳排放有所增加，说明不同变量对装配式建筑LCCa的影响是不一样的。作者提出了七个改进点，为装配式建筑LCCa提供了一个更清晰、更关键的理解，并为未来的研究方向提出建议[15]。

木结构是世界上许多国家建筑业的重要组成部分，木构墙单元是预制木结构单层、多层建筑的主要竖向承重构件。预制木框墙体的水平承载能力主要取决于其相对较低的抗拉强度和由此产生的裂缝。Silih等人对单纤维石膏板（FPB）护套预制木框架墙体单元的水平承重阻力进行了数值分析[16]。Oktavianus等研究装配式建筑中封闭式复合板材（CPCT）墙系统。材料的主要化学材料性能已通过测试，主要对系统进行了压缩试验、有限元分析，为全面了解影响系统轴向阻抗的敏感参数，进行了包括材料、钉的大小和排列、钉的间距和粘结剂等类型的参数化研究[17]。

混合结构体系对高层建筑行业具有战略意义，特别是混合木材建筑系统的出现，使人们对研究实用、可持续、节能环保的解决方案产生了兴趣，实现了与传统材料使用最广泛的结构系统之间的竞争。Piazza等针对组合式装配式建筑的发展进行了研究，并论述了一种新型的多功能钢与木材混合结构体系及其可持续性方面的潜力。主要构件是将木材和钢结构结合起来，通过创新连接测试以及结构部件的数值分析保证了结构可靠性，为建筑工业化提供了轻型现代抗震建筑构造[18]。He等提出了一种由混凝土框架和木隔板组合而成的混合结构。在这种混合结构中，钢筋混凝土被用来建造框架，提供水平和横向荷载的阻力，而木隔板为地板系统。由于木膜片的轻量化，可以最大限度地减少了静载和横向地震荷载。同时，木材由于是一种环保建筑材料，这种混合结构可以降低建筑材料的碳排放[19]。

建筑及其相关技术对环境都有至关重要的影响。Navarro-Rubio等对预制结构的生态效率和建筑优化潜力进行研究。在不同耐久性和重复使用的条件下，他们运用数值模型分析了结构响应，从材料表、建筑进度和经济成本三方面反映其优化潜力，并通过生命周期评估得到其对环境的影响，较其它方案工期减少约80%，耐久性与寿命直接相关，重复使用会使经济成本直接降低[20]。

绿色屋顶是用于开发环保可持续建筑、增强视觉吸引力的绿色技术之一。Saiz等人评价了3种不同的屋顶系统，普通平顶、和绿色屋顶对一座多层住宅建筑生命周期环境的影响。经实证研究发现，绿色屋顶每年节约能源约1%，夏季冷却负荷减少6%[21]。

建筑构件预制化的发展，机械、电气和管道(MEP)系统的模块化预制在过去十年中变得越来越普遍，然而，它目前只用于较小的系统。Samarasinghe等根据装配式成本和机械、电气、管道模块化处理成本，采用模糊逻辑、依赖结构矩阵和层次聚类结合的方法，实现了最小安装成本，确定最优模块数和模块划分点。其中，系统最优模块化程度高度依赖于模块尺寸和模块划分点，为供暖、通风和空调及其它建筑服务提供有效的模块化方法[22]。

3 结论及建议

我国建筑业面临的主要挑战是推行工业化，提高预制率，以降低成本及对环境的影响。相对国外而言，国内装配式建筑的绝大部分研究还局限于经济效益评价，研究对象大多为混凝土结构，以及基于BIM的信息化管理，总体呈现单一性、片面性。为了推动我国装配式建筑健康、高速的发展，进一步扩大应用范围，国内有必要采取科学的方法对装配式建筑进行多元化、细致化的研究，为装配式建筑的发展提供扎实的理论依据。同时，采取有效措施最大限度地降低能源消耗量、污染物排放量，实现建筑生态一体化。