建筑业是我国国民经济的支柱产业, 经过30多年的改革发展, 建筑业的建造能力不断增强, 产业规模不断扩大。截至2016年, 全国建筑业总产值达19.35万亿元, 建筑业增加值达4.95万亿元, 占国内生产总值的6.66%。建筑业还吸纳了大量农村转移劳动力, 占农村进城务工人员总数的五分之一以上, 并带动了50多个关联产业发展, 对经济社会发展、城乡建设和民生改善作出重要贡献。但我国建筑行业现状仍不容乐观, 建筑行业劳动生产率总体偏低, 资源与能源消耗严重, 建筑环境污染问题突出, 建筑施工人员素质不高, 建筑寿命短, 建筑工程质量与安全存在诸多问题, 生产方式落后是导致我国建筑行业出现问题的主要原因。建筑业亟需新型建筑工业化的生产建造方式改变目前现状。而建筑工业化生产方式与传统建筑生产方式相比有明显优势。

2017年2月国务院办公厅印发《关于促进建筑业持续健康发展的意见》 (国办发[2017]19号) , 这是建筑业改革发展的顶层设计, 对推进建筑产业现代化, 促进建筑业持续健康发展具有重要意义。推进建筑产业现代化, 大力发展建筑工业化是我国未来建筑业发展的重中之重, 是我国建筑业节能减排、结构优化、产业升级和重大产业创新的必经之路。“十八大”报告、《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年) 》《国家“十二五”科学和技术发展规划》《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》 (国办发[2016]71号) 和《“十三五”装配式建筑行动方案》等共同指出深入发展新型工业化、产业化、信息化、城镇化等社会可持续发展的国家战略。为响应国家政策, 各地方政府也积极出台政策文件支持新型建筑工业化发展, 推进装配式建筑建设。建筑产业化的核心是生产工业化。建筑工业化是随西方工业革命的爆发, 从而在建筑领域兴起。当代建筑工业化是指通过现代化大工业生产方式代替传统建筑业中分散、低水平、低效率的生产方式。在工业发达国家, 建筑生产工业化程度相当高, 而且建筑工业化的前沿理论动态与技术发展研究非常系统, 其研究对建筑产业化转型升级与理念转变、模式转型和路径创新具有极其关键的作用。

发达国家注重采用工业化生产的新思路, 加紧建筑体系和相关集成技术的研发工作, 建筑建设实现从数量到质量阶段的剧变。纵观国外建筑工业化成熟的国家, 从国家层面无本推行能够被行业内认知的建筑通用体系。如日本从20世纪70年代以KEP住宅部品合成设计方式实现灵活可变居住空间、NPS多样化住宅标准体系建立, 到20世纪80年代CHS百年住宅体系形成, 逐步构建了住宅工业化建设体系 (见图1) 。

20世纪60年代, 欧洲住宅逐渐采用建筑设计标准化, 建造了一批完整的标准化、系列化建筑住宅体系。法国在20世纪80年代编制《构件逻辑系统》, 20世纪90年代又编制了住宅通用软件G5软件系统。丹麦是世界上第一个将模数法制化的国家, 以发展“产品目录设计”为中心推动通用体系发展。

国外预制装配式混凝土建筑在西欧、北美、澳大利亚应用较为广泛, 研究也较为成熟和深入;在亚洲, 日本处于领先地位。近20年来, 材料工业发展和加工机具进步使预制装配式混凝土技术得以持续发展, 如高强钢筋大大改进了预制构件性能, 纤维复合筋和环氧涂层钢筋等可有效提高结构的极限承载力, 改善结构耐久性等。

日本住宅全装修始于20世纪60年代初期, 住宅全装修产业化与住宅产业化同步发展。20世纪70年代, 住宅装修改造、节能建筑技术进一步推广, 日本住宅产业进入成熟时期。设立工业化住宅性能认证制度以保证工业化住宅的质量和功能。20世纪80年代中期, 设立优良住宅部品认证制度。到20世纪90年代, 开始采用工业化方式生产住宅通用部品, 其中1418类部品取得“优良住宅部品认证”。日本所有在售住宅都是全装修房。

Lauris Koskela在1992年提出要将制造业的生产原则包括精益生产等应用到建筑业, 并于1993年在IGLC (International Group of Lean Construction) 大会上首次提出“精益制造” (L e a n Construction) 概念。通过精益制造理论倡导者10多年的不懈努力, 精益制造理论日益丰富, 主要应用在建筑生产计划和控制、建筑产品开发和设计、项目供应链管理和工业化预制构件以及开放型工程项目实施中。

在施工工艺与工法方面, 发达国家很早就认识到重大工程建设中施工工艺与工法研究的重要性, 并在基础理论与应用技术方面展开研究, 利用新颖的施工技术与工艺, 顺利组织实施了一大批著名工程。

在建筑生产领域, 建造建筑整体的体系称为总体系, 局部的体系称为子体系。不是为特定的建筑, 而是任何建筑都可使用的子体系称为子体系的通用化, 将通用化子体系集成构成的总体系称为通用体系。将子体系通用化的主要目标是抽取多数共通的子体系, 使之工业化, 各建筑通过选择子体系, 可获得低造价和多样化。通用体系对象是所有建筑, 但建筑中需求量最大的是住宅, 因此首先考虑住宅领域。在住宅工业化发展方面, 通用体系是以通用构配件为基础, 进行多样化房屋组合的一种体系, 设计易于实现多样化, 且构配件使用量大, 便于组织专业化大批量生产。

OB (Open Building) 开放建筑理论被认为是建筑工业化发展的重要理论基础, 是涉及设计理念、体系构建、技术集成等方面的综合性建筑体系, 与建筑相关的科学、技术、经济和社会等诸多领域相关联。其独特性在于以工业化的建造方式解决多样化的居住需求, 即在工业化住宅建设过程中, 提倡居住者参与, 体现了将理性思维 (严密的逻辑体系) 与感性设计 (居住者参与) 相协调, 活用工业化技术, 形成一种开放式建设模式。SI (Skeleton and Infill) 建筑体系是日本在OB基础上, 将支撑体和填充体分离体系与集成技术开发应用发展到一个新的层次, 对当代建筑工业化发展产生深远影响。

标准化是建筑生产工业化的前提条件, 包括建筑设计标准化、建筑体系定型化、建筑部品通用化和系列化。建筑标准化就是在设计中按照一定模数标准规范构件和产品, 形成标准化、系列化部品, 减少设计随意性, 并简化施工手段, 以便于建筑产品能够进行成批生产。建筑标准化是建筑产业现代化的基础。

主体工业化包括预制装配整体式混凝土 (PC) 结构、钢结构、钢筋混凝土组合结构、木 (钢木) 结构技术等。主体工业化通常是指主体结构构件采用预制方法, 在现场进行装配式施工。其主要特征为:工厂化批量预制、机械化施工, 现场湿作业少, 具有施工快、质量好、节省材料和人工的优点。主体工业化建造方式能提供高品质、高耐久、节能环保的建筑成品, 解决建筑业长期以来存在的各种寿命与质量问题。由于工厂生产可按照一定的作业流程和严格的工艺标准控制产品生产质量, 易满足质量标准要求, 现场吊装和少量节点连接作业可大大降低现场工人工作量和劳动强度, 为保证施工质量创造良好条件。

内装工业化主要体现在工业化装修和内装部品化2方面。以内装工业化整合住宅内装部品体系, 住宅部品的集成进一步使住宅生产达到工业化。内装工业化具有多方面优势: (1) 部品在工厂制作, 现场采用干式作业, 可全面保证产品质量和性能; (2) 提高劳动生产率, 缩短建设周期, 节省大量人工和管理费用, 降低住宅生产成本, 综合效益明显; (3) 采用集成部品装配化生产, 有效解决施工生产误差和模数接口问题, 可推动产业化技术发展与工业化生产和管理; (4) 便于维护, 降低后期运营维护难度, 为部品全寿命期更新创造可能; (5) 节能环保, 减少原材料浪费, 施工噪声、粉尘和建筑垃圾等环境污染也大为减少。

在当前我国建筑产业化背景下, 建筑部品体系是实现建筑产业化的关键, 建筑部品标准化是推进建筑产业化的基础。做好部品标准化建设、实现部品通用化, 以及生产、供应的社会化, 才能保证建筑工业化的实现。

精益制造技术将“精益思想”在建筑业加以改造和应用, 彻底消除建筑施工过程中的浪费和不确定性, 最大限度满足顾客要求, 从而实现建筑企业利润最大化。相比制造业, 建筑业产品质量和生产率均较低, 为适应新型建筑工业化技术发展需要, 需要精益制造技术这一新型工程项目管理理论, 从工程项目全局出发, 对工程项目实施全过程进行科学、系统管理, 克服以往项目管理理论存在的缺陷。精益制造是适应于新型建筑工业化生产的创新建造模式。

施工集约化既能使目前已形成的钢筋混凝土现浇体系的质量安全和效益得到提升, 又是推进建筑生产工业化的前提。它在标准化设计和定型化建筑中间投入产品的生产、运输、安装, 运用机械化、自动化生产方式完成, 从而达到降低劳动强度、有效缩短工期的目的。随着经济全球化, 建筑工业化的生产作业机械化必须将国际化与本土化、专业化进行有机融合, 将建筑产品生产过程中各环节通过统一、科学的组织管理加以综合协调, 以项目利益相关者满意为标志, 达到提高投资效益的目的。同时, 随着建筑业科技含量的提高, 繁重的体力劳动将逐步减少, 复杂的技能型操作工序将大幅增加, 对项目管理人员和操作工人的技术能力也提出更高要求。

借助于信息技术手段, 用整体综合集成的方法将工程建设的全部过程组织起来, 使设计、采购、施工、机械设备和劳动力实现资源配置优化组合, 采用工程总承包的组织管理模式, 在有限时间内发挥最有效的作用, 提高资源利用效率, 创造更大的效用价值。要实现对基于BIM的工业化建筑全寿命信息化管理, 首先需要进行信息分类存储。在建筑信息模型 (BIM) 中, 部件部品不仅具有几何属性, 还具有一些非几何属性, 如材料的耐火等级、传热系数, 部件部品造价、采购信息、重量、受力状况等。部件部品的参数有3D描述参数、空间位置参数、物理量参数、标识参数和材质参数等, 以数据库的形式储存, 可贯穿整个项目周期。建筑空间关系、部件部品信息包括构件的材料供应商信息等, 不同的参与方能够方便地从中提取所需信息。

面对资源和环境的挑战, 世界建筑工业化水平较高的国家通过开发适合本国国情的体系, 实现建造方式的转型升级。由于历史背景的不同, 各国的发展道路呈现不同特点: (1) 从简单追求建设量到注重建筑长远品质和可持续发展基本理念的顶层设计深入人心; (2) 建筑体系论及其技术推广发展; (3) 设计建造论及其技术逐渐普及; (4) 生产集成论及其技术全面呈现。

从国际建筑工业化发展历程看, 发展我国建筑产业化需要将基于当代建筑工业化前沿理论的建筑体系论、设计建造论和生产集成论相契合, 才能突破建筑工业化发展瓶颈, 为建筑产业化转型升级和住宅工业化建设在更广阔的范围内提供有力支撑。以建筑工业化设计建造理念变革和建筑科学技术创新为先导, 优化建筑业生产方式和产业结构, 从战略性角度配置建筑产业资源, 合理调整和协调产业链各环节内容, 从而建设符合时代可持续发展与市场需求的高质量建筑。