装配式建筑正在全国大力推广。与传统建筑相比,装配式建筑具有绿色环保、生产效率高、建造周期快的优势,体现了新型工业化、信息化和绿色化要求,是我国建造方式改革的必然趋势。虽然近年来在国务院、住建部和各地方政府部门的大力推进下,全国掀起了装配式建筑的热潮,但是推行过程中也遇到了较多的问题,如产业链不完善,结构构件拆分忽视社会经济性,建造组织模式不协调,生产组织协同度不高等,最终都表现为建造成本居高不下,与推广装配式建筑的预期存在较大差距。由此可见,装配式建筑的推广是一项系统工程,需要各种环境条件的配合。具体到成本问题,其解决途径需要经历两个阶段,一是方案的成本测量,二是方案与成本的协同优化,而测量是优化的基础。决定装配式建筑生产成本的主要因素在于拆分方案的经济合理。但目前拆分方案大多只关注结构的安全性,不关注经济性,同时由于目前装配式建筑的生产组织模式,还是沿用传统的以平行发包为主的承包方式,各承包商之间技术沟通困难,设计、生产、运输、施工安装、运维相互之间处于脱节状态,所以在设计阶段,客观上也难以基于拆分方案确定后续各生产阶段的全流程成本(缺乏后续阶段的技术细节和成本信息),也就更加难以进行拆分方案与全流程成本的协同优化。

国内外也有不少研究学者对装配式建筑成本进行分析,Greg Kats等对装配式建筑的成本构成做出详细分析,在此基础上对装配式建筑成本内容进行分类并归纳各类成本的组成内容。Ed Bartlett,Nigel Howard则通过搜集已完工项目的相关数据,分析装配式建筑全过程成本及其对环境的影响。Girmscheid等从新的角度出发,分析装配式建筑生产资料的成本与建造利润之间的关系。Norman Murray等认为将BIM技术和装配式建筑结合起来可以更好地对装配式建筑的建造进行控制,并能够有效降低建造成本。Li Heng等人提出了将宜家模型运用到装配式建筑的建造过程,说明了装配式建筑的成本问题。Norman Murray,Terrence Femando等人研究了英国如何应用电脑建模技术和信息化手段减少装配式建筑的缺陷以及如何节约成本。Wei Pan,Robert Sidwell结合具体的项目数据,提出了降低预制混凝土结构成本的措施。以上研究工作都站在不同的视角对装配式建筑成本与效益进行了深入研究,取得了有价值的成果。但这些研究成果少有从旧有生产组织模式对装配式建筑生产成本的影响这一角度研究成本问题,而在装配式建筑在我国刚刚开始大规模推广之际,旧有生产组织模式与装配式建筑生产特点的矛盾是发展初期的主要矛盾,这一矛盾造成了生产成本居高不下,应该深入研究加以解决。

本文基于装配式建筑生产供应链视角,研究基于装配式建筑构件拆分方案的全流程成本确定方法,实现在设计阶段整合生产、仓储、运输、施工安装各流程的成本影响因素,从而能够准确而快速地确定具体拆分方案从设计到施工全流程的成本,为下一步进行拆分方案和全流程成本的协同优化打下良好基础。

装配式建筑全流程成本的形成过程及相互之间的制约关系如图1所示。构件拆分方案直接影响后续的生产、运输、安装各环节的成本(如图1(a)所示),而如果生产、运输、安装各环节也能够根据各自的成本要素特点对拆分方案提出改进建议(如图1(b)所示),形成拆分方案与全流程成本的协同优化,则可望大大降低装配式建筑的生产成本。但现有的装配式建筑生产组织模式割裂了生产供应链,供应链上的各节点都以合同的方式完成了划分,没有形成上下贯穿的产业链,造成设计与构件生产脱节、部品构件生产与运输、施工脱节、设计生产全过程与运维管理脱节,参建各方仅关心自身合同范围内的工作。当前装配式建筑管理模式仅强调以技术诉求为责权利划分的唯一标准,设计院仅负责结构体系安全,结构构件拆分往往忽视社会经济性,没有追求项目建设总体的经济利益,造成装配式建筑建造总体成本过高。

拆分方案与全流程成本间的协同优化机制的缺失很大程度上导致了装配式建筑高成本。从各参建方的角度也可以总结高成本的原因与后果,具体如图2所示。传统的平行发包合同模式导致设计单位难以考虑(或没有必要考虑)下游参建单位超过设计合同范围以外的需求,建设单位协调难度大,生产组织模式的缺陷导致技术问题难以解决,使得装配式建筑生产成本居高不下,最终损害建设单位利益。

因此可将装配式建筑生产成本高的原因总结如下:

直接原因,装配式建筑构件拆分方案与全流程成本之间的协同优化机制缺失。目前装配式建筑构件拆分方案主要关注于结构的安全性,对装配式建筑的建设业务流程、经济效益研究分析较少,没有考虑经济性因素,没有从生产、运输、吊装全过程考虑整体成本优化。

深层次原因,能够形成协同优化机制的管理环境缺失。装配式建筑生产具有工业生产的供应链特征,但目前装配式建筑在实施过程中,过度重视从结构体系的角度建立管理组织体系,而很少关注组织模式的经济性问题,传统发包方式造成各参建单位以各自利益为中心,信息沟通不畅,不符合装配式建筑供应链生产模式的需求。

综上所述,建立装配式建筑构件拆分方案与全流程成本的协同优化机制是解决装配式建筑成本高的关键环节,而基于装配式建筑拆分方案的全流程成本确定则是完成协同优化的基础条件。因此必须首先营造能够获取全流程成本确定所需关键信息的生产组织模式,其次需要建立基于拆分方案的全流程成本确定方法。

在装配式建筑生产领域,国家正在积极推广工程总承包管理模式。工程总承包管理能够适应装配式建筑生产需求的主要原因在于,工程总承包管理的核心思想是集成项目管理,即这种管理模式有利于在项目建设各阶段都能有效集成项目全生命周期的需求,从项目全生命周期的视角尽可能使项目增值。

具体到装配式建筑拆分方案的全流程成本确定,则必须能够获取全流程中的关键成本要素,而要获取这些信息,适当的生产组织模式是基础条件。这是本文要解决的第一个关键问题。

其次,基于拆分方案所获取的全流程成本信息,迅速确定全流程生产成本。这是本文要解决的第二个关键问题。

因此本文的基本技术路径可简要阐述如下:

(1)提出能够集成生产各阶段关键成本要素的生产组织模式,以便获取各要素信息。

(2)分析生产流程及各成本要素,建立基于拆分方案的全流程成本确定模型。

本文的研究能够提供一种基于构件拆分方案的全流程成本确定的理论方法,有利于从经济性的角度分析优化构件的拆分方案,进而降低建造成本,在一定程度上缓解目前装配式建筑推广难的问题。

基于集成项目管理思想,工程总承包模式有利于提高装配式建筑的信息互用和协同水平,提高效率降低成本。在工程总承包模式下,装配式建筑生产各参建单位间的组织关系及工作分解结构如图3所示(箭头线条为组织关系,无箭头线条为工作分解)。

装配式建筑生产组织模式的主要参与方有建设单位、项目咨询单位、工程总承包单位、设计单位、构件生产单位、物流运输单位和施工安装单位。

所有工作由工程总承包单位组织和协调,建设单位和其委托的项目咨询单位主要负责关键节点的决策和决策咨询工作。由于项目从设计到施工安装由一家企业(工程总承包单位)总包,各专业分包由总包单位依据合同进行约束,因此可利用合理的分包合同条款定义各分包单位的信息互用和协同工作责任,实现所有参建单位的高度协同。只有在这种管理模式下,才能在设计阶段充分集成后续各阶段的技术细节和成本要素,快速确定具体拆分方案的全流程建造成本,进而能够实现拆分方案与全流程建造成本的协同优化。

在此管理模式下的工作流程如图4所示。

(1)项目开始之初,工程总承包单位应对建设单位、项目咨询单位、施工安装单位、构建生产单位等进行充分调研,综合并整理本项目的功能需求以及各阶段各专业的工作需求,形成完备的设计任务书,经建设单位审核后下达给设计单位。

(2)设计单位根据设计任务书完成项目的初步设计,并将成果提交给工程总承包单位。

(3)工程总承包单位组织建设单位、项目咨询单位对初步设计成果进行评审,评价其是否满足功能需求。

(4)初步设计成果通过评审后,由工程总承包单位编制深化设计任务书,并下达深化设计任务。

(5)设计单位应综合考虑构件生产单位、物流运输单位和施工安装单位的工作需求,建立科学合理的构件拆分方案,完成构件拆分和BIM建模,并进行施工安装的模拟仿真和建立每个构件的管理信息。

(6)工程总承包单位组织建设单位对深化设计成果进行评审。

(7)深化设计成果评审合格后,将进入构件生产阶段。但构件生产需首先确定施工安装计划,所以施工安装企业应预先编制好施工安装计划,由工程总承包单位组织参建各方进行评审,在满足各方工作需求的基础上优化施工安装计划。

(8)工程总承包单位根据经批准的施工安装计划向构件生产单位下达生产任务。

(9)构件生产单位以经批准的施工安装计划为目标,编制并优化自身的排产计划,按照计划进行生产。

(10)物流运输单位根据施工安装计划和构件生产计划安排运输计划并准备相应的运输设备,优化运输线路和时间。严格按照施工安装要求完成构件运输。

(11)施工安装单位按计划完成构件的施工安装。

(12)工程总承包单位组织所有参建单位在项目完工后进行竣工验收。

(13)工程总承包单位组织设计单位、构件生产单位和施工安装单位完成整个项目的信息成果整理入库工作,并最后交付建设单位,实现本项目信息成果复用。

合适的生产组织模式能够为拆分方案的全流程成本确定及时提供有效的成本数据。在前文提出的生产组织模式下,建立拆分方案的全流程成本确定模型。

装配式建筑构件生产成本中,模具具有固定成本性质,模具类型越少,单个模具生产构件数量越多,成本越低。因此,本文引入一种构件分组的思想,将模具作为一种重要的生产资源进行优化,与生产限制和施工需求相结合,体现模具利用率和周转次数在全流程成本确定中的作用。

构件分组的定义为,在一个生产周期内,一个特定模具所能生产多种类型结构构件的一个集合。传统装配式建筑生产拆分构件如图5(a)所示,单个构件制作简单,构件类型多样,数量多,综合考虑模具及生产成本、运输成本、吊装成本,在总体上并不一定是最优的。基于构件分组的拆分方法如图5(b)所示。

考虑到装配式建筑供应链上全生命周期成本包含的子项多,为了简化模型将实际问题数学化,对装配式建筑构件拆分成本分析优化模型做如下假设:

(1)装配式建筑项目供应链模型由一个构件生产商、一个运输方、一个施工总承包方组成的。

(2)装配式建筑供应链成本按全流程主要包含设计成本、构件生产成本、运输成本和装配成本。设计成本包含发生成本和影响成本,发生成本即单纯的设计费,其在整个工程费用中占比较少,模型不予考虑;影响成本指设计方案对生产、运输和装配阶段造成影响发生的成本。因此模型总成本主要考虑构件生产成本、运输成本和装配成本,将设计影响成本化整为零。

(3)对构件进行拆分时采用构件分组的思想,此时要将模具作为一种重要的资源进行规划。构件生产成本(MC)主要包含模具最初的预制成本(IMC)、模具使用和更换成本(MUC)、模具切换成本(MCC)和模具浪费惩罚成本(MWC)。

(4)为简化计算,结合考虑现场装配计划和工厂批量生产的经济性,假定每次生产4个相同构件,由一辆车进行运输,按构件个数简化计算运输费用,根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》,不同构件重量选取载重量合适的货车,每类车辆单次运输费用不同,假定构件车辆运输费用如表1所示。

(5)装配成本的核心问题在于吊装数量和单块构件重量之间的矛盾,为简化计算,选取吊装效率(数量、单片重量、接缝)、机械费(塔吊布局和选型)作为安装计算成本,吊装机械参数如表2所示。

以全流程成本最优为目标函数,包含构件生产、构件运输和构件装配三个阶段成本,目标函数如下:

Z=MC+TC+LC(1)

Z表示全流程总成本,MC表示构件生产成本,TC表示构件运输成本,LC表示构件装配成本。

其中构件生产、运输和装配三个阶段成本分别表示如下:

生产成本(MC)包含模具最初的预制成本(IMC)、模具使用和更换成本(MUC)、模具切换成本(MCC)和模具浪费惩罚成本(MWC),表示为:

MC=IMC+MUC+MCC+MWC(2)

模具最初预制成本(IMC)由每种模具类型i的l个实例预制总成本组成,i表示模具类型编号;l表示每个模具类型的实例个数;n表示拆分构件数;Z_i,l是二进制变量,表示使用i模具l号投入生产;MoldCost_i表示模具类型i的建造成本;故IMC表示为:

IMC=∑^I_i=1∑^nl_l=1Z_i,l×MoldCost_i(3)

模具使用和更换成本(MUC)为模具预制成本总和除以模具i使用和更换的次数,h表示构件分组;t表示建造周期;k表示生产和浇筑工作日;MUCC_i表示模具i使用和更换的次数;M_i,l,h,k,t是二进制变量,表示模具类型i的第l个实例在第t个生产周期的第k天生产构件分组h,根据具体生产计划确定;故MUC表示为:

确定一个建造周期的模具切换次数,如果h≠h^',发生模具切换。模具切换通常由构件分组的生产序列决定。为了获得模具切换时刻,定义一个二进制变量Y_i,l,h,h,k,t,表示在建造周期t内某个特定的模具实例(i,l)在第k天生产某一个构件分组h而在第k+1天生产构件分组h^';CH_h表示构件分组h的切换成本;则模具切换成本(MCC)为t个生产周期的k天的切换次数和切换成本的乘积,表示为:

MCC=∑^I_i=1∑^nl_l=0∑^H_h=1∑^H_h'≠h∑^K_k=1∑^T_t=1(Y_i,l,h,h',k,t×CH_h)(5)

模具浪费惩罚成本(MWC)为在t个生产周期的k天里生产每个构件分组h每种模具类型i的模具空闲指数乘以模具浪费惩罚系数成本,w_h表示构件分组h的模具空闲指数;WasteCost表示模具浪费惩罚系数;故MWC表示为:

MWC=∑^H_h=1[(∑^I_i=1∑^nl_l=0∑^K_k=1∑^T_t=1M_i,l,h,k,t)×w_h×

WasteCost_h] 　(6)

运输成本TC为单个构件装卸车的人工成本、机械成本、材料成本总和再加上每车运输成本总和,g₁表示单个构件装卸车的人工成本;g₂表示单个构件装卸车的机械成本;g₃表示单个构件装卸车的材料成本;D表示构件运输距离;g(m_i)表示根据构件重量m_i选取对应载重量车所需的运输单位成本;故TC表示如下:

TC=(g₁+g₂+g₃)n+∑^I_i=1D·g(m_i)(7)

装配成本LC为单个构件吊装的人工成本、材料预埋成本、接缝成本总和再加上根据构件重量m_i选取的塔吊费用,表示如下:

LC=(k₁+k₂+k₃)n+f[max(m₁,m₂,,m_n)](9)

k₁表示吊装人工成本;k₂表示吊装材料预埋成本;k₃表示吊装接缝成本;f(m_i)表示根据构件重量m_i选取的塔吊费用。

根据以上模型,可快速确定全流程成本。但为了深入研究不同拆分方案与全流程成本的协同优化机制,应考察关键成本要素对全流程成本的影响。在该模型的所有成本要素中,模具成本属于典型的固定成本,直接由构件种类决定。如果在不影响结构安全的前提下,减少模具种类,可望减少固定成本,进而降低总成本。以下通过案例比较不同拆分方案(模具类型数量不同)的全流程成本。

以横向3×6米,纵向2×6米,高3米,墙厚200毫米的两面预制外墙及梁柱为例,进行全流程成本的确定。预制墙成品如图7所示。

方案1采用传统预制方式,墙梁柱全部分开预制,以6米为一个单位拆分,如图6所示,因此会产生5个5600×2600×200的墙构件,5个5600×400×400的梁构件,5个400×400×3000的柱构件,需要墙梁柱各1套模具,共3套模具。方案2生产复杂预制结构构件,且允许模具生产构件分组,即将墙梁柱作为一个整体,以6米为一个单位,整体拆分,如图7所示,因此会产生5个6000×3000×400的组合构件,只需要1套模具,作为对比方案。两个方案主要参数对比如表3。

以预制外墙为例,计算确定方案1和方案2的全流程成本,对比计算结果如表4所示:传统的预制构件拆分(方案1)按照轴网间距划分,构件类型多,标准化程度不高,模具投入资金大,且很多模具未达到设计使用次数,造成模具利用率低;而对比拆分方案(方案2)则引入构件分组的思想,将模具作为一种重要的生产资源进行优化,与生产、运输和施工需求相结合,尽可能增大模具利用率和周转次数。方案2的模具数量较方案1少,所以方案2的总模具利用率和周转次数要大于方案1,而且模具生产总成本大大低于方案1,最终使得生产成本低于方案1。此外,方案2构件的尺寸和重量较大,增加了运输成本,但同时构件类型和数量的减少降低了吊装次数,从而降低了施工成本。因此,从全流程成本的角度,方案2更加经济合理。

建立拆分方案与全流程成本的协同优化机制是解决装配式建筑高成本的关键环节,而建立这种协同优化机制的基础包括建立能够准确获取全流程成本信息的“集成”项目管理模式及全流程成本确定方法。

具备较高“集成”度的管理模式能够提供全流程成本信息。这种“集成”要求在设计阶段能够较准确地获取构件生产、运输、施工安装的技术细节和成本要素,从而能够迅速确定构件拆分方案的全流程成本。以工程总承包模式为基础,能够建立满足这一需求的集成项目管理模式。

模具是一种重要的生产资源,在很大程度上影响了全流程成本水平。在不影响结构安全的前提下,调整传统拆分方案的拆分方式,将具备条件的若干构件进行组合生产,能够减少拆分方案的模具类型,减少运输装卸次数,减少施工安装时间,从而降低全流程生产成本。这是另一种“集成”思路,可作为指导拆分方案优化设计的原则之一。

后续研究可集中于建立构件拆分方案与全流程成本的协同优化机制。本文提出的是构件拆分方案的成本确定模型,但该模型中的所有参数都是依据已有拆分方案和生产计划确定的固定参数,无法为用户提供最接近理想状态的拆分方案和生产计划参数。以公式(1)的最小化为目标函数,寻找模型中相关参数的最优取值组合,获得理论最优解,需要进一步研究。