我国经济发展进入新常态,传统建筑业粗放型的发展模式显现出一些弊端,建筑业需要主动适应,变革生产方式,用可持续的理念实现转型升级。装配式建筑具有缩短工期、保证质量、提高生产效率、保护环境等优势,同时也符合国家节能、低碳、节约经济的发展要求,是建筑业转型升级的方向之一。装配式建筑有钢结构、木结构和混凝土结构三种,木结构由于资源限制和稳定性问题,不适合我国住宅市场应用,钢结构建筑多应用在公共建筑。考虑到我国加速城镇化和保障房推广的发展背景,装配式混凝土建筑还是主流的应用方向。

装配式混凝土建筑和传统现浇建筑相比,有生产效率高、工人劳动强度低、节约资源和保护环境的优势,但目前市场整体规模有限,分析其推广受阻的主要原因是装配式建筑相比于传统现浇建筑建造成本增加,市场接受度低,整体发展速度缓慢。因此,研究装配式混凝土建筑成本控制的难点问题,有效控制成本,对促进装配式混凝土建筑的发展具有实际意义。

装配式混凝土建筑设计比传统项目增加了构件加工图设计环节,一般是由预制厂和设计单位共同完成,设计取费则是根据构件设计工程量和设计难度市场自由定价。设计阶段对建造成本的影响主要体现在设计预制率高低和设计的标准化程度:预制率越高,进度越快,从缩短工期的角度考虑可以降低人工、机械和管理等费用,但也会直接导致预制构件的生产、运输和吊装安装费用增加,因此需要根据实际需求确定一个平衡的比例范围。标准化程度更多体现在构件生产和运输成本,标准化程度越高,构件种类减少,生产模具和设备利用就越充分,成本效益越明显;反之,异形构件太多,会降低运输效率,增加运输架的使用成本。

装配式混凝土建筑生产环节成本主要是指预制构件生产费,包括材料费(混凝土、钢筋、预埋件、套筒、保温连接件)、人工费(工厂员工工资、管理费等)、生产机械费(设备、燃料动力)、措施费(模具、蒸汽养护)、工厂土地、厂房和设备的摊销费、管理费、专利费和税金(按工业产品性质缴税)等。有些预制厂承担运输工作,所以PC价格还包含运输费。

预制构件运输成本则包括:装车成本和配送运输成本,与运输距离和运输效率密切相关,具体内容见图1。

施工阶段的成本通常指构件起吊、安装费用和施工措施项目费:(1)现场起吊费用包括预制构件的垂直运输费、吊装机械费、安装人工费、专用工具摊销等费用,由于预制构件尺寸、体量较大,对大型起吊机械的个性化需求间接提高了设备的租赁成本;(2)施工措施费项目费中,装配式施工受现场环境制约程度低,安全文明施工费、临时设施费、夜间施工费、冬雨季施工费等施工组织措施费明显降低,但施工道路、构件堆场、地下室顶板加固等技术措施费用会因施工方式的改变而有所提升。

我国装配式混凝土建筑起步较晚,设计单位经验不足,主流设计思路还是基于现浇方式设计,再拆分构件,进行构件深化加工图设计。这种做法容易造成设计标准化程度低,拆分后的构件造型差异大、种类繁多,间接增加生产、运输和施工环节的工作量,提高成本。预制构件的标准化程度低,通用性与互换性差,需要生产过程中投入大量不同型号的模具,模具周转次数达不到寿命设计,摊销在每个构件上的模具费增加,且异形预构件在运输装载过程中也会降低空间使用效率,增加运输成本。

构件加工图设计内容综合了建筑、结构、机电、暖通、装修等专业,但具体设计时,由于设计人员专业水平限制并不能全面考虑到多专业协调的问题,容易在不同功能需求之间发生冲突。例如,构件模具设计时,忽略结构施工的预埋件定位,仅考虑构件的外形和尺寸,影响后续工作;预制墙板设计时,缺乏机电安装经验,统一采用铁质线盒,造成功能浪费,成本增加。预制件的生产是按照设计来的,设计冲突可能会造成生产环节选材不当或质量不合格,浪费材料、人工,增加不必要的成本。

现阶段预制件生产机械化水平较低、操作工人工艺水平有限,生产过程中常出现构件尺寸偏差大、弯曲、翘曲及平整度偏差大等问题。这些协调失误和质量问题都会导致生产的构件在安装环节误差太大而不能使用,还需回厂返工,情况严重的直接报废,增加不必要的生产成本。另外,构件脱模过早、养护不足或保护层厚度不够也会导致强度降低,容易在构件运输、堆放和吊装过程中发生破损,增加返工、报废的可能性。

模数化设计可以提高预制构件的通用性,是装配式建筑发展的基础。我国的装配式建筑基本上遵循从设计到拆分,再到加工制作的过程,预制构件基本为本项目量身定制,这就造成了预制构件厂需要根据构件设计图定制模具,模具的通用性不强,不能在不同项目间流转,周转次数少,增加了模具的摊销成本。在预制构件浇筑成型后的拆除过程中,人工敲打和拖拽也会造成模具不同程度的损坏,影响模具的精度,损坏达到一定程度,则模具报废,使用寿命较短,这些损耗间接增加了装配式建筑的构件成本。

国外的预制混凝土构件已实现储存运输一体化的方式,流水线上生产出的构件块码放在储存架上,即配合运输车使用的专用货架,减少运输过程和装卸过程,避免构件多次装卸造成的损坏。与国外相比,我国预制构件的标准化较低、规格尺寸多,被迫采用散装运输,运载工具以重型半挂式牵引车为主,运输方式以一车一挂为主。此外,市场上的预制生产厂家规模小、数量少,距离项目现场路途远。落后的运输工具和方式运输效率低,以及市场规模限制的长运输距离,都阻碍了运输成本的控制。

在构件运输过程中,由于装车放置不合理、固定措施不到位、运输道路路况差等问题,容易使得运输途中因构件受力不均而造成磕碰、破损。现场装卸时,构件的体积和重量都很大,装运顺序混乱会造成卸车时重复倒运,影响施工效率且反复倒运还容易损坏构件。这些原因导致的构件损耗率高,都会额外增加运输成本和生产成本。

施工环节影响成本控制的难点是安装精度控制不到位,安装尺寸偏差较大,主要原因是工人施工精度控制意识低、现场管理水平差。例如,在墙板拼接接缝处理超出规范要求,装配式墙板之间的接缝上下不通顺、宽窄不均、甚至错台;厨房、卫生间降板处标高误差等。安装误差过大会影响建筑部位使用功能,甚至会影响下一步工序的施工。影响严重的,需要重新拆卸、返工,降低工程质量、增加工序、延迟工期,人、材、机和措施费都会有所增加。

总结分析,归纳装配式混凝土建筑建造成本控制的难点及对应原因见图2。

装配式混凝土建筑的设计工作是整个建造过程成本控制的关键,必须有一套完整、科学的技术标准体系来依托。我国目前的设计标准规范或文件多以省份出台,生产设计的装配式建筑部品部件通用化、标准化程度不够,限制规模经济效益发挥。对此,全国应先完善现行的技术标准体系,编制通用的建筑设计模数、产业化标准图集和标准设计方案等内容,保障设计、生产的构件系列化、配套化和统一化,从而提高后续建造过程的运作效率。

装配式建筑在发展初期由于规模限制,无法发挥出规模效益,建设成本高,市场接受度不高,因此容易恶性循环,进一步限制市场规模扩大。对此,政府可以出台相应优惠政策和激励措施来缓解初期高成本,包括预制构件生产企业税率优惠、商品房优先拿地、减税和面积补偿、科研财政支持、金融贷款支持等,调动企业经营者参与建设装配式建筑的热情,从而扩大规模,发挥规模效益。

虽然我国装配式混凝土建筑产业已具备雏形,但各环节的衔接性还不够完善,设计、生产、运输和施工各板块沟通联系不足,互相渗透度低;相关配套企业的支撑和衔接缺失,如生产环节缺少流水线控制软件供应商、运输环节缺少特殊物流工具及运输物流公司、施工安装环节缺少节点施工辅助工具供应商等。这些问题直接或间接地导致了生产效率低下和管理脱节,进而造成各环节产生的资源、成本浪费现象。

对此,行业要整合资源,大力扶持和鼓励发展配套协作企业,特别是预制件深化设计单位、原材料和半成品的辅助供应、构配件和建筑部品中间商、专业运输物流公司、管理软件开发商等,形成以主导企业和配套企业为链核的完整的产业链结构。在产业链结构完整的基础上,以试点示范工程为依托,加强产业链上各单位间的沟通、协作关系,以扩大PC构件的生产规模,提高生产运输和施工环节效率,减少前后流程冲突和资源浪费。

装配式混凝土建筑与传统现浇建筑在建造方式上发生的转变,对各阶段从业人员的职业技能和素养提出了新的要求,例如设计人员在前期要充分考虑预制率和装配率对构件生产、运输和安装的影响,合理确定预制率和构件模块种类,降低成本和生产施工难度;施工安装工人要严格遵循技术流程,对现场构建的堆放、吊装和节点安装精度都提出了更高的操作标准,提高施工安装效率。因此,行业要加快、加大对产业从业人员的技能培训,根据装配式建造各环节的业务需求,落实到相关责任主体部门,切实对从业人员进行技能、理念等内容培训,建立起全产业链系统的人员培养机制,保障各环节的建造水平和成本控制。

成熟的建造技术体系是装配式建筑建设的基本保障,目前我国的设计水平离生产和施工的要求还有一定差距,应尽快发展设计单位建筑方案设计、结构设计、预制构件深化设计的专业能力,建立起完整高效的设计流程,如图3所示,从而在前期就做好成本控制。其中,重点关注:

采用适当的预制率,既要保证建筑的预制率水平,有一定的预制生产规模,也要综合考虑预制率过高带来的运输、安装等辅材成本的变化。加强主体结构、装修和设备管线的集成设计,减少平面交叉,厨房和卫生间的尺寸满足标准化整体橱柜和卫浴的要求。

根据项目特点、预制装配率和选定的结构体系合理拆分,优先考虑水平构件,减少施工时的脚手架和模板措施费增加;提高拆分构件重复率,进而节省模具摊销费;控制拆分构件的重量和体积大小,避免物流运输过程和塔吊配置的费用增加。

在保证建筑使用性能和工程质量的前提下,优化设计预制构件之间、预制构件与现浇混凝土结构之间的节点连接,节约连接使用的钢筋、预埋件、套筒等连接件,降低成本,简化施工过程,提高施工效率。

随着装配式建筑规模的逐步扩大,预制件生产需求的增加,预制件生产单位应加强机械化生产程度,引入先进的自动化流水线和智能控制系统,打造数字化的生产车间,进一步扩大产能和提高生产效率。例如,可扩展组合式预制构件数字化生产线通过增加模台和轨道、灵活组合关键设备等方式,就可以达到提高生产率、扩充产能的效果,且初期投资较少,具有良好的经济性。

设计单位可以利用BIM技术建立标准化的预制构件库、优化构件拆分方案、检查专业协调冲突问题等,提高前期设计效率。施工单位可以将施工进度计划写入BIM信息模型,提前模拟施工安排以便及时调整,对复杂部位和关键施工节点进行预演,提高工人对施工环节和措施的熟悉度,从而提高施工效率。

随着国家保障性住房、雄安新区建设等新建需求的增长,在可持续发展和节能降耗的大环境下,装配式建造方式将是今后新建建筑的主流方向,研究装配式混凝土建筑建造成本控制难点及对应控制措施对降低建造成本、促进装配式建筑实践应用具有重要意义。在未来装配式混凝土建筑建造过程中,政府、行业、企业三方要相互协调配合,为装配式建筑的建造过程营造良好市场环境、提高各方参与水平,从而做好成本控制工作。