【装配式建筑】发展前景和案例

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【装配式建筑】发展前景和案例

Original 建筑手帐C 建筑手帐C 2021-07-06

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#建筑

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预制

装配式

建筑

发展前景及案例

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前言

此次瘟疫，火神山等医院能够迅速建成，与装配式钢构建造密不可分。成熟的预制生产线和有条不紊的现场管理是此次时间控制成功的关键。装配式建筑的话题作为建筑界的一大热门话题，也是建筑学朝着工业化科技化发展的重要方向。装配式建筑的成品性、批量化、易操作、工期短、可复制等等优点让其在高迅速发展的城市化建设进程中颇受青睐～

其实，建筑业目前的工业化程度还远远不足，现在很多尝试的工业手段都是来自其他行业的降维打击。比如，很多建筑学院研究的机械臂或者无人机制造代替人工，这些技术在机械设计中已经运用较为广泛。而大量的预制化和工业化建造方式在桥梁、道路等市政工程其实已经大规模采用，这也是中国能够快速基建的核心科技之一。装配式、预制化可以结合这些先进科技经验，期望到达的是将让建筑不是“built”（建造）而是“manufactured”（机械化制造）

http://www.constructionworld.org/6-ways-robotics-transforming-construction-industry/

另一方面，因为建筑的技术核心虽然存在部分可复制性（比如建筑结构、立面幕墙），但其艺术核心却无法直接批量复刻。而建筑艺术成分则需要模块的多样化和弹性设计、设计要素的大数据拓扑、建筑形制的参数化控制、客户喜好需求统计、建筑标准化样本归纳、流体行为的模拟等等的研究控制。因此，装配式的发展依然还任重道远。

本期，我们将探讨装配式建筑的国内外应用与发展前景。

第一章

装配式建筑运用

火神山的施工是装配式钢结构建筑一次重要实践。工厂预制化生产的病房模块可以在车间就进行大规模生产，而在现场进行最后的快速拼装。所有工作流程简单明了、施工操作容易、人员调度方便。

这次事件也体现了预制化建筑的诸多优点。对于可复制性高、标准化程度大、功能需求优先的建筑来说，预制装配式建筑可能是最好的选择。通常，预制化建筑在工厂批量化生产各个结构预制元件，然后在现场进行组装，这也让整个过程变得更加高效。

当然中国这么快建成一栋建筑并非首次，之前Broad Sustainable Building (BSB) company 就做过。他们用19天完成了一座57层的建筑。每天3层的速度，建成了可容纳4000人的办公楼。

总而言之，装配式建造因为以下的优点而在世界范围内得以大量的进行实践和发展。

环境保护

模块化建筑是节省能源和可持续性的建造方式。传统的施工往往会造成许多额外的材料浪费。而工厂预制化的方式则可以更加精准地确定生产数量，而额外的材料也会被当场回收并等待再次利用。这可以大大节省将施工废料运往垃圾场的人力物力消耗。同时，工厂预制可以让节点更加结识、施工组件更加精准、空气过滤更加完善。这些都可以提升能源利用效率。

经济节省

另一个重要的优势是预制式建筑可以做到节省财力。即便客户定制化的组件看上去会很昂贵，但模块化的思路也能解决这个问题。模块化施工是将全方面地平衡预算和花费点，从而创造一个可承担的选择。预制化厂家因为大量定制某些材料可以从材料商那里拿到折扣。同时，模块化施工也能避免不可靠的合同和没有生产力的员工。而施工时间的节省也能很大地减少财政消耗。

https://thebimhub.com/2016/04/14/offsite-construction-and-prefabrication-in-civil-e/#.Xjqv1tMgBdY

可变性和适应性

模块化施工可以被容易拆卸并组装在不同的场地。这会减少原材料的需求，降低能源和时间消耗。另一方面，模块化本身解构了建筑形体，使得不同的组装方式可以应对不同的设计需求。这些模块单元保持着中立的美学价值，可以适用于不同的建筑形式。

保证质量

预制化生产是在可控制的机械化制造环境里，有特定的标准，因此每一个组块可以保持连贯的质量。相比之下，传统的在地施工，需要考验施工员的不同技能水平以及独立事件因子对工期的影响。而在预制化模式下，所有组件都来自于经验丰富的工程员监督与特定程序编制；并且这些组件在温度适宜的工厂进行生产可以有效防御环境影响。

http://arquitectura.estudioquagliata.com/tag/united-states/page/118

减少场地破坏

因为大部分的组成件都来自于工厂，这将大量减少工地的卡车运输、器材和材料堆积，并降低传统施工所导致的场地破坏（噪音、污染、废弃物等影响）。相反，生产线的方式可以为生产提供更好、更有效率的环境；同时可以减少不必要的传统工地的干扰和影响。

http://www.modular.org

简短工期

易于运输移动的施工可以减少在地建设的时间。在很多案例里，预制化可以减少一半左右的时间。这归功于更好的施工管理计划、减轻的场地气候影响、减少的承包商工期拖延以及更快的制造时间（不同原件可以同时制造）。这也可以让建设公司可以同时开展多个项目，刺激经济更快周转。

http://www.modular.org

安全

因为大部分的原件可以在工厂控制，因此很多和湿度、环境影响、污染有关的问题可以被避免。而在地组装迅速，可以让工人更少地暴露在外部环境影响里。而大部分机械操作可以减少事故、增加可靠性。

第二章

发展方向

装配式和预制化并非是一个新鲜词。实际上，在战后就涌现了一大批的装配式建筑构想。对于战后亟待恢复元气的城市来说，现代主义所提倡的集中式住宅就被大规模生产。而在着百废俱兴的土地上，建筑师们开始了大量的构想，希望建筑变得更具适应性，并期望建造也更加迅速。

而技术的革新让装配式有了生长的土壤。框架结构的发展，让建筑其他组成部分变得更加灵活，让建筑存在装配式的可能性。但革命性的进展并非经常出现，实际上每次建筑行业的技术进步都是社会其他技术共同发展推动的结果。可生产的建筑（manufacturing buildings）也是从夸张的乌托邦构思和科幻的巨构思考之后重新回归现实。

一方面，计算机技术的进步，带动了制造业的发展。新的组装式建筑得以有精准的编程作为有效支持。增材制造、3D打印、CNC控制、机械臂、清场时候采用的土层扫描等等，都为预制化提供了技术支撑。

另一方面，经济的快速发展也让装配式更加具有吸引力。在人口爆炸、经济周转、城市更新换代迅速的今天，施工准确性和效率非常重要。其次，目前大部分的年轻人不愿意从事施工工作，工地平均年龄逼近50，也意味着工地也会进入老龄化；未来很大可能将出现施工人力不足，人力成本增加。这种情况下，预制化生产将成为新的趋势。

况且，很多建筑都适合预制化和模块化生产，只要具备以下一些特点，那么预制化就会成为更好的选择。

建筑含有多种类似的单元体或者是比较复杂的设计难以在地完成（特别是钢结构或幕墙元素）

施工场地比较远，或者在高密度的城市地区

有高效的场外生产工厂

场地的施工计划过于复杂（有多个股东或限制的场地及时间）

施工场地只有非常短的易于施工季节，受气候影响较大

Modular construction at the Corrections Corporation of America’s detention facility in Otay Mesa, California (Image © Sundt Construction, Incorporated)

从80年代开始，世界已经积累了许多的预制化经验。比如楼梯、幕墙、墙体、楼板、厨房和厕所已经有着足够的知识体系。不过还是存在着许多缺陷，比如，预制化元素在建筑信息化模型过程和设计信息传导给制造商的转换体系还不够明确。理想状态，技术图纸应该通过信息化模型直接提供给制造商进行相应制造，但实际上很多的信息处理需要人工组织，这种过程会造成人力浪费和传递误解。再者，不同客户对于模板有着不同的要求，这也会导致生产出现误差。另外，不足的组装管理也非常影响最后的施工质量。特别是在存在堆砌大型元件困难的场地，场地管理就显得非常重要。

Li, Xiao & Shen, Geoffrey & Wu, Peng & Yue, Teng. (2019). Integrating Building Information Modeling and Prefabrication Housing Production. Automation in Construction. 100. 46-60. 10.1016/j.autcon.2018.12.024.

除此之外，虽然预制化可以满足大规模生产，但建筑这门技术与艺术结合的学科也需要多样性和艺术性。而设计的多样性，往往来自于客户的需求、场地的限制、以及建筑师的自身经验与美学修养。

我们可以将这些看作为输入的设计变量，而加快设计施工进程则是在不同里寻找设计的不变量，从而实现可量产可复制的设计标准。大量的形态拓扑学和形制抽象实际上就是在提取设计要素里的演变基准。

参数化设计可以看作是其中一种尝试，其根本是寻找可变和不变的参数，将建筑语言编译为程序语言，将建筑要素抽象为参数因子的过程。

Finch can create plans that are adapted to the parameters of the site

比如，Studio Bark就设计了一种可以自我建造的系统，提供不同的设计尺寸，以满足装配式的可变性。

Studio Bark's flat-pack U-build system lets anyone self-build

因此，预制化在实现了可复制性后，需要在兼顾多样性上多下功夫。一是提供更多的组件选择和拼装方式选择，二是将大组件化小为小组件集合，在成本控制基础上利用材料长宽不同形成不同的形态。三是将顾客定制单元化繁为简，提取出能够实现批量生产的元件。

第三章

案例

居住类

居住类实际上是最容易实现模块化需求的。因为大多数都有着较为明确的设计标准，形态容易复制，模块容易拼装。

Image Credit: Waugh Thisleton

比如，纽约的nArchitects设计了一种模块化的住宅。其中包含了55个单元，是用钢结构和混凝土楼板进行组装。

Image courtesy of Field Condition

单元建筑的室内通过设计能够保证更好的空间感受。同时，即便是有着标准化的单元模块，公共空间还是有着精心的设计。可见，即便是装配式的建筑，通过设计师的搭配和组装，也可以创造有差异化的设计作品。

Images courtesy of Pablo Enriquez

很多人提及装配式觉得装配式的建筑很容易落入俗套，成为规格一致的集中式住宅，不过其实装配式本身可以进行很多变化。比如对于基础单元的设计、建筑表皮的设计、公共空间的设计、单元组成方式的设计等等都可以让预制式建筑展现其多样性。

BIG's prefabricated timber housing in Stockholm

BBGK Architekci

装配式住宅对于人口密集地区来说又是一种社会协调手段。比如，在伦敦的东南，一些POP-UP公寓用来提供给无家可归的人们。在日益增长的伦敦租金和消耗中，为因此而被逐出城市的人提供安家之所。

Photograph: Martin Godwin/The Guardian

这些单元住宅可以有60年左右的寿命，并且可以由政府的需要进行移动。按照设计者的说法，他们并不是提供临时的空间去等待城市更新，而是将这种模块化的手法当作城市更新的手段。

除了偏向于固定永久的建筑（Permanent Modular Construction），另一种居住类是移动式的便携住所（Relocatable Buildings）。与前面提及的集中住宅公寓不同，这一类往往满足不同人群的定制需求。比如，Muji设计了一种可以置地于乡村的预制式建筑。在日本，乡村有大量的低收入人群。通过预制式的模块可以降低建造成本，减少人力需求。

@muji

而对于一些酒店商场来说，便携式的居住单元可以提供不同的体验，成为一些特属的风景。比如奥地利的酒店Hotel Daniel就在自己的楼上放了一个单独的观景套房。

景观及展示类

展览类建筑构思精巧，所以采用预制式装配更多地是追求其结构的精准度或者展览的零时性。比如设计鬼才Thomas Heatherwick 在纽约设计的标志性楼梯建筑就采用了预制化的钢结构，然后现场进行吊装。这个建筑对于结构受力有着比较大的要求，因此预制化在这里起到的作用是更加精准地完成每个元件以及它们的组装。

The Vessel, designed by Thomas Heatherwick, under construction. Photo: Michael Lee / Getty Images

而对于更多的展览建筑来说，建成框架后，预制化的建造代表着可灵活拆卸，以应对不同的展览需求。很多零时的POP-UP展览建筑正是利用了装配式的灵活性去满足多样的功能需求以及易装易卸的特征。

BWM Architekten & Partner: Genussregal Exhibition. (Image: BWM Architekten & Partner)

幕墙类

建筑的幕墙和围护结构是建筑美学重要组成部分。而幕墙也是建筑里比较容易实现批量化生产的元素。通过几个特定模板就可以组合出不同的幕墙形态，适用于工业化预制生产。同时，表皮的韵律性和重复性又属于建筑美学特征，可以快速为建筑形态锦上添花。

Colombia's EDU Headquarters

例如，位于哥伦比亚的Medellin就通过预制化技术生产幕墙。过参数化测算，该建筑幕墙能有效地控制节能、日照等因素，展现幕墙系统对于环境因子的反馈。

Colombia's EDU Headquarters

另外，如果建筑师想要更多的变化，别忘了多个结构组合的组件也可能成为可复制的要素。伦敦大学学院（UCL）新医院的幕墙系统就结合了手工砖、铝板、玻璃幕墙和预制混凝土作为一个可复制的结合体。

这种结合体体现了文化风格和现代风格的混合，同时又能很好的进行组装。将幕墙分解为这样尺度的元件更利于材料生产和施工。

@New University College London Hospitals centre

后记