國(guó)外裝配式建筑研究

前言：想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了國(guó)外裝配式建筑研究范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；發(fā)展現(xiàn)狀；研究綜述

1國(guó)內(nèi)外裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)20年代的歐洲，德國(guó)就提出建筑工業(yè)化理念，1933年在住宅區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，目前，裝配式小型住宅在德國(guó)市場(chǎng)上最受歡迎。法國(guó)建筑的裝配率已達(dá)到75%，俄羅斯采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)率達(dá)50%，歐洲其余各國(guó)為35%—40%[1]。上世紀(jì)30年代，伴隨快速的城市化進(jìn)程帶來(lái)需求，美國(guó)國(guó)內(nèi)大力推進(jìn)建筑工業(yè)化發(fā)展。1971年，美國(guó)編制的《PCI設(shè)計(jì)手冊(cè)》在國(guó)際上引起廣泛的影響，對(duì)世界裝配式產(chǎn)業(yè)的全過(guò)程具有指導(dǎo)性意義。1968年，日本提出裝配式住宅的概念，通過(guò)立法保證了構(gòu)件質(zhì)量，并在一系列政策和標(biāo)準(zhǔn)的背景下形成了統(tǒng)一的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、多樣化的發(fā)展[2]。2008年，日本采用裝配式建設(shè)技術(shù)建造的東京塔，高達(dá)58層，標(biāo)志著其預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)，東京塔先后在幾次地震中都經(jīng)受住了考驗(yàn)，驗(yàn)證了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)建筑工業(yè)化推行較晚。2003年，建設(shè)部《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系》推動(dòng)了建筑產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的初期發(fā)展。2015年，住建部正式《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，首次明確“工業(yè)化建筑”、“裝配率”和“建筑部品”等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，進(jìn)一步完善了我國(guó)工業(yè)化建筑基礎(chǔ)理論，對(duì)我國(guó)建筑工業(yè)化發(fā)展起到促進(jìn)作用。2017年，《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)一步修訂并更名為《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。

2國(guó)外裝配式建筑研究綜述

國(guó)外裝配式建筑發(fā)展較早，建筑體系趨于完善，相關(guān)研究較國(guó)內(nèi)成熟。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，裝配式住宅是建筑工業(yè)化的主要表現(xiàn)形式。與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外裝配式研究對(duì)象更加多元化、研究層次更加細(xì)化。

2.1研究對(duì)象多元化

木材與傳統(tǒng)建筑材料相比，由于其綠色資質(zhì)和縮短總工期的能力，深受建筑施工青睞。Tavares等評(píng)估了預(yù)制木結(jié)構(gòu)等不同裝配式建筑的能源消耗、溫室氣體排放，為不同情況背景下預(yù)制結(jié)構(gòu)的選擇布局提供理論依據(jù)。從材料的生產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)的最終組裝，對(duì)裝配式建筑進(jìn)行了全過(guò)程的能源消耗與溫室氣體排放的計(jì)算。結(jié)果表明，材料生產(chǎn)階段耗能較大，能源消耗、溫室氣體分別占全過(guò)程的64%~90%、59%~87%。從材質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，輕鋼框架和木結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境影響最低[3]。Skulestad等對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)框架（鋼筋混凝土、木材框架）分類(lèi)，并對(duì)不同樓層高度進(jìn)行了生命周期環(huán)境影響比較分析?；诓煌僭O(shè)和情景結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)采用木框架結(jié)構(gòu)的建筑比采用混凝土框架的建筑對(duì)環(huán)境影響更低[4]。Adekunle等研究了預(yù)制木結(jié)構(gòu)的舒適度和過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。他們對(duì)英國(guó)東南部的兩棟預(yù)制木結(jié)構(gòu)房屋分別進(jìn)行了入住后評(píng)估、熱舒適性調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)期間67%的空間會(huì)出現(xiàn)極端夏季過(guò)熱現(xiàn)象[5]。Vesna等探究了預(yù)制木結(jié)構(gòu)能耗問(wèn)題。他們通過(guò)現(xiàn)有研究結(jié)果總結(jié)出影響建筑物能量性能的重要參數(shù)，利用PHPP軟件分析了可變參數(shù)對(duì)供熱和制冷能耗的影響。他們對(duì)歐洲6種不同熱性能外墻構(gòu)件的玻璃與墻體面積比進(jìn)行了參數(shù)分析，得到了確定預(yù)制木框建筑的最佳玻璃窗區(qū)域比例的方法[6]。使用工業(yè)化技術(shù)建造的學(xué)校是現(xiàn)代教育建筑的典范，它們的建筑技術(shù)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，減少資源消耗的同時(shí)，減少了廢棄物的產(chǎn)生。Pons和Wadel對(duì)西班牙的裝配式結(jié)構(gòu)校園(混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu))與非預(yù)制學(xué)校進(jìn)行了比較，結(jié)論是裝配式結(jié)構(gòu)校園對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響小，而且可以進(jìn)一步降低對(duì)環(huán)境的影響。在校園建造過(guò)程中，鋼、混凝土結(jié)構(gòu)在材料開(kāi)采和制造階段耗能較大，木材、鋼在運(yùn)輸和維護(hù)階段對(duì)環(huán)境影響較大[7]。預(yù)制具有簡(jiǎn)單、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)設(shè)計(jì)的變化卻缺乏靈活性，這是其在建筑業(yè)市場(chǎng)份額有限的主要原因。為解決這一缺陷，Kasperzyk等提出了一種機(jī)器人預(yù)制系統(tǒng)(RPS)，可以自動(dòng)拆卸裝配式結(jié)構(gòu)并將其按新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)的拆卸并重新制造到新的設(shè)計(jì)中。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的預(yù)制結(jié)構(gòu)上的驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成功地生成了所需的再制造序列，并以可接受的安裝精度執(zhí)行了所有裝配操作[8]。根據(jù)歐盟的指示，能源效率的下一步是改善和提高現(xiàn)有建筑物的能源性能。特別是建于60年代、70年代的建筑，這些建筑物的外墻需要經(jīng)常翻新，有極大改進(jìn)的潛力。Passer等利用生命周期評(píng)估(LCA)確定環(huán)境影響最小的翻新方案，并評(píng)估了該方案對(duì)未來(lái)氣候穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，使用預(yù)制立面結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)和光伏板是最佳的翻新類(lèi)型。從生命周期的角度看，預(yù)制對(duì)環(huán)境的影響是最低的，此外，對(duì)改變地區(qū)供暖的能源供應(yīng)是非常有益[9]。建筑翻新同時(shí)，面臨降低成本的問(wèn)題。Bystedt等針對(duì)翻新業(yè)務(wù)模式發(fā)展的需要，對(duì)市場(chǎng)和流程優(yōu)化進(jìn)行了研究，并提出了信息化管理方面的建議，分解了業(yè)務(wù)參與者的風(fēng)險(xiǎn)，澄清潛在的共同利益，提出了一種由承包商對(duì)客戶負(fù)全部責(zé)任的合同模式[10]。

2.2研究層次細(xì)化

建筑物在生命周期內(nèi)會(huì)消耗大量的資源、能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大約60%的原材料開(kāi)采與土木工程和建筑建設(shè)活動(dòng)有關(guān)。不同的材料可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能，但是相關(guān)的一次能源和氣候影響可能有很大不同。Tettey等探討了不同建筑材料體系的多層住宅在生命周期內(nèi)一次能源消耗情況。建筑結(jié)構(gòu)材料主要有預(yù)制混凝土、交叉疊層木材(CLT)和預(yù)制木材模塊(模塊化)。結(jié)果表明，CLT與混凝土相比，可降低一次能源的使用，并提高生物質(zhì)的殘留量。CLT建筑生產(chǎn)階段可回收生物質(zhì)殘余物的熱值明顯大于其生產(chǎn)所需的一次能源。CLT和裝配式建筑的總生命周期一次能源使用分別比使用熱電聯(lián)產(chǎn)供暖的混凝土建筑低20%~37%和9%~17%[11]。Takano等研究了三種構(gòu)件（結(jié)構(gòu)框架、表面組件和內(nèi)部構(gòu)件）材料的選擇對(duì)一次能源的影響。計(jì)算建筑模型在生命周期內(nèi)一次能源使用情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料的選擇比其他兩類(lèi)構(gòu)件有更大的影響，外保溫材料的選擇對(duì)其表面和內(nèi)部構(gòu)件性能的影響相對(duì)較大。其中，木塑產(chǎn)品的能量回收效益對(duì)建筑的生命周期能量平衡有著重要的影響[12]。使用建筑預(yù)制件有許多好處，包括提高施工過(guò)程效率和減少?gòu)U棄物、生命周期內(nèi)減少對(duì)環(huán)境影響。目前，建筑預(yù)制件還不清楚實(shí)現(xiàn)碳減少的程度。Bonamente等通過(guò)調(diào)研意大利預(yù)制建筑部門(mén)，用生命周期評(píng)價(jià)法對(duì)預(yù)制建筑的碳足跡、能源足跡進(jìn)行分析，收集了一家在全國(guó)范圍內(nèi)經(jīng)營(yíng)多家設(shè)施的大型公司的數(shù)據(jù)，對(duì)溫室氣體排放和能源消耗進(jìn)行參數(shù)化分析。結(jié)果表明，建筑保溫對(duì)建筑環(huán)境足跡有重大影響，在高保溫情況下，碳足跡總效應(yīng)減少11%，能源足跡減少9%[13]。Aye等評(píng)估了可重復(fù)使用的裝配式建筑模塊在整個(gè)生命周期內(nèi)溫室氣體排放量和能源消耗量。為了確定裝配式建筑是否有效改善了傳統(tǒng)施工方案的環(huán)境性能，他們量化了預(yù)制構(gòu)件的具體能量。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，材料的再利用潛力很大，可節(jié)約81%的能源和51%的材料[14]。Teng等以影響裝配式建筑生命周期碳排放（LCCa）的12個(gè)變量為系統(tǒng)框架，采用系統(tǒng)分析和綜合分析法，為裝配式建筑可以減少碳排放提供依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制與傳統(tǒng)的基本情況相比，平均實(shí)現(xiàn)了15.6%的碳減排量。然而，個(gè)別的預(yù)制建筑實(shí)際碳排放有所增加，說(shuō)明不同變量對(duì)裝配式建筑LCCa的影響是不一樣的。作者提出了七個(gè)改進(jìn)點(diǎn)，為裝配式建筑LCCa提供了一個(gè)更清晰、更關(guān)鍵的理解，并為未來(lái)的研究方向提出建議[15]。木結(jié)構(gòu)是世界上許多國(guó)家建筑業(yè)的重要組成部分，木構(gòu)墻單元是預(yù)制木結(jié)構(gòu)單層、多層建筑的主要豎向承重構(gòu)件。預(yù)制木框墻體的水平承載能力主要取決于其相對(duì)較低的抗拉強(qiáng)度和由此產(chǎn)生的裂縫。Silih等人對(duì)單纖維石膏板（FPB）護(hù)套預(yù)制木框架墻體單元的水平承重阻力進(jìn)行了數(shù)值分析[16]。Oktavianus等研究裝配式建筑中封閉式復(fù)合板材（CPCT）墻系統(tǒng)。材料的主要化學(xué)材料性能已通過(guò)測(cè)試，主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)、有限元分析，為全面了解影響系統(tǒng)軸向阻抗的敏感參數(shù)，進(jìn)行了包括材料、釘?shù)拇笮『团帕?、釘?shù)拈g距和粘結(jié)劑等類(lèi)型的參數(shù)化研究[17]。混合結(jié)構(gòu)體系對(duì)高層建筑行業(yè)具有戰(zhàn)略意義，特別是混合木材建筑系統(tǒng)的出現(xiàn)，使人們對(duì)研究實(shí)用、可持續(xù)、節(jié)能環(huán)保的解決方案產(chǎn)生了興趣，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料使用最廣泛的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的競(jìng)爭(zhēng)。Piazza等針對(duì)組合式裝配式建筑的發(fā)展進(jìn)行了研究，并論述了一種新型的多功能鋼與木材混合結(jié)構(gòu)體系及其可持續(xù)性方面的潛力。主要構(gòu)件是將木材和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)創(chuàng)新連接測(cè)試以及結(jié)構(gòu)部件的數(shù)值分析保證了結(jié)構(gòu)可靠性，為建筑工業(yè)化提供了輕型現(xiàn)代抗震建筑構(gòu)造[18]。He等提出了一種由混凝土框架和木隔板組合而成的混合結(jié)構(gòu)。在這種混合結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土被用來(lái)建造框架，提供水平和橫向荷載的阻力，而木隔板為地板系統(tǒng)。由于木膜片的輕量化，可以最大限度地減少了靜載和橫向地震荷載。同時(shí)，木材由于是一種環(huán)保建筑材料，這種混合結(jié)構(gòu)可以降低建筑材料的碳排放[19]。建筑及其相關(guān)技術(shù)對(duì)環(huán)境都有至關(guān)重要的影響。Navarro-Rubio等對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)的生態(tài)效率和建筑優(yōu)化潛力進(jìn)行研究。在不同耐久性和重復(fù)使用的條件下，他們運(yùn)用數(shù)值模型分析了結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從材料表、建筑進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)成本三方面反映其優(yōu)化潛力，并通過(guò)生命周期評(píng)估得到其對(duì)環(huán)境的影響，較其它方案工期減少約80%，耐久性與壽命直接相關(guān)，重復(fù)使用會(huì)使經(jīng)濟(jì)成本直接降低[20]。綠色屋頂是用于開(kāi)發(fā)環(huán)?？沙掷m(xù)建筑、增強(qiáng)視覺(jué)吸引力的綠色技術(shù)之一。Saiz等人評(píng)價(jià)了3種不同的屋頂系統(tǒng)，普通平頂、和綠色屋頂對(duì)一座多層住宅建筑生命周期環(huán)境的影響。經(jīng)實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂每年節(jié)約能源約1%，夏季冷卻負(fù)荷減少6%[21]。建筑構(gòu)件預(yù)制化的發(fā)展，機(jī)械、電氣和管道(MEP)系統(tǒng)的模塊化預(yù)制在過(guò)去十年中變得越來(lái)越普遍，然而，它目前只用于較小的系統(tǒng)。Samarasinghe等根據(jù)裝配式成本和機(jī)械、電氣、管道模塊化處理成本，采用模糊邏輯、依賴(lài)結(jié)構(gòu)矩陣和層次聚類(lèi)結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了最小安裝成本，確定最優(yōu)模塊數(shù)和模塊劃分點(diǎn)。其中，系統(tǒng)最優(yōu)模塊化程度高度依賴(lài)于模塊尺寸和模塊劃分點(diǎn)，為供暖、通風(fēng)和空調(diào)及其它建筑服務(wù)提供有效的模塊化方法[22]。

3結(jié)論及建議

我國(guó)建筑業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是推行工業(yè)化，提高預(yù)制率，以降低成本及對(duì)環(huán)境的影響。相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)裝配式建筑的絕大部分研究還局限于經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，研究對(duì)象大多為混凝土結(jié)構(gòu)，以及基于BIM的信息化管理，總體呈現(xiàn)單一性、片面性。為了推動(dòng)我國(guó)裝配式建筑健康、高速的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，國(guó)內(nèi)有必要采取科學(xué)的方法對(duì)裝配式建筑進(jìn)行多元化、細(xì)致化的研究，為裝配式建筑的發(fā)展提供扎實(shí)的理論依據(jù)。同時(shí)，采取有效措施最大限度地降低能源消耗量、污染物排放量，實(shí)現(xiàn)建筑生態(tài)一體化。

作者：徐偉 武春楊 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)