护岸是水域与陆域的交际线,对城市水体质量和景观美感均有一定的影响。传统的护岸包括钢筋混凝土护岸、块石护岸、生态护岸,这些护岸对雨水截留净化效果均不显著,且存在着人力资源成本大、建设进度缓慢、后期养护繁琐、难以满足海绵城市考核指标和不符合绿色发展理念等问题。装配式生态护岸采用装配式工艺建造,通过将其划分为不同模具构件,并在工厂生产,成批成套的制造,再将制作好的构件运到工地通过套筒灌浆连接、钢筋机械连接、浆锚搭接连接等方式装配安装而成,具有建造速度快,设计精细化程度高、生产效率高、质量好、信息化程度高等特点,且能较好地满足“四节一环保”绿色建筑设计和施工要求,可以有效解决传统护岸存在的一些缺陷。

相较于传统现浇建筑,装配式建筑造价偏高,但由于装配式建筑的构件可在工厂提前预制和生产,其工艺提高了生产效率,缩短养护时间,降低施工能耗,节省建筑材料。与现浇建筑相比,装配式建筑可将建设周期缩短25%～30%,甚至能在一定程度下对增加的成本进行抵消,所以装配式建筑的成本效益需要综合讨论。通过分析装配式生态护岸与传统护岸在建造周期内各阶段的成本差异,探讨其降本增效的途径,可为装配式生态护岸的设计和施工提供理论指导。

装配式生态护岸和传统护岸设计差异性体现在设计理念和施工工法两个方面。

传统护岸工程的设计理念遵循着最经济断面输送最大流量的原则,在结构选用上一般满足断面渠化和最小糙率两个要求并侧重于防洪固岸,但它破坏了河流的自然功能,使河流生态遭到一定破坏。为了解决生态问题,护岸逐渐由硬质化走向软质化,由传统混凝土护岸逐渐过渡为生态护岸。生态护岸以保护生态及自然景观为前提,并保证护岸具有一定的抗冲击强度,通过将植物与土木工程结合起来,形成一种新的护岸型式,最终达到适合生物生长的仿自然状态。但这些护岸也逐渐暴露出诸多问题,主要有以下几点:

1)护岸建设过程需占据大量时间成本、人力成本,建筑过程中产生大量扬尘、噪音、污水,不符合文明绿色施工的发展理念。

2)海绵城市考核指标侧重量化径流量的控制和面源污染的削减,而传统生态护岸建设未对漫流汇集的雨水设计收集装置,未预留监测设备的安装空间,导致考核指标难以量化,验收标准推行困难。

3)生态护岸养护方式粗放、难以监管,缺少智慧化的监控量测手段,易造成资源的浪费或不合理的分配。

为解决传统护岸建设弊端,积极发挥海绵设施在面源污染处理的作用,装配式生态护岸的设计理念是以保护生态及自然景观为前提,以面源污染治理为核心,文明绿色施工为支撑,将生态护岸与装配式技术有机的融合形成一种施工方便、具有环保效应和监测功能的智慧型护岸。

传统护岸施工方法为:基槽开挖→混凝土基础垫层→挡墙施工→护岸抛石回填→土方回填。针对传统生态护岸所暴露问题,并结合装配式技术的优点,将两者有机结合,形成装配式生态护岸,其施工顺序为:施工图设计→模具设计→构件生产→基槽开挖→混凝土基础垫层→构件安装→护岸抛石回填→土方回填。

与传统护岸相比,装配式生态护岸建造流程在设计阶段增加了模具设计而传统护岸的设计只需因地制宜得出相应传统方案。装配式生态护岸的建造增加了构件生产过程,提高了生产效率,减少了施工工期,但同时也增加了构件生产、运输和吊装费用。在施工阶段,传统生态护岸和装配式生态护岸施工不同之处在于装配式生态护岸减少了混凝土浇筑阶段,直接采用构件吊装、安装连接使工期缩短。装配式建筑把施工大部分工作量转移至构件的生产,使得现场施工人员大幅减少,但增加了现场人员的专业性的需求。

案例选用的护岸工程所在河道地域位于武汉市机场河与金山大道交界处,止于长青泵站,机场河水位标高17.5米。由于该地区明渠岸坡未进行休整,两侧未进行绿化。随着城市发展的需求,现对其进行治理,采用装配式生态护岸的建造方法改善该地明渠坡岸。

装配式生态护岸主要由三块L型装配式构件和一块I型装配式构件组成的处理单元框架装配而成的叠级护岸作为人工湿地的基础框架,内部由复合种植土层、过滤净化层、生物反应层、过滤织布组成,设计图纸如图1所示。处理单元内从上到下依次为出水层、滤水层和进水层;处理单元外部均为采用装配式施工技术制作的预制模具,采用C30混凝土浇筑。

装配式生态护岸体现了专业化分工生产和大规模生产的趋势,理念与技术具有先进性和时代性,随着装配式建筑的流行,讨论装配式建筑和传统建筑成本的差异很有必要,由于装配式生态护岸与传统护岸的施工差异主要来自于的设计,其余流程基本相同,所以下面主要分析两者关于设计以及施工方面的成本差异。

工程成本费用分为直接费用和间接费用。间接费用包括现场管理费、大型施工机械租赁费、工人生活费、固定资产折旧等。表1所示为装配式生态护岸与传统护岸成本对比。其中传统护岸投资估算来自于《海绵城市建设工程投资估算指标》(ZYA 1-02(01)-2018)。

从表1中可以看出装配式生态护岸单价为3690.89元/m³,传统护岸单价为1425.7元/m³,从整体看装配式生态护岸单价约为传统护岸价格的2.5倍,这源自装配式生态护岸直接成本明显高于传统护岸。直接成本有人工费、材料费、机械费构成,通过图2可以看出装配式生态护岸的材料费占据总费用的91.94%,而传统现浇式护岸材料费仅占总费用的45.95%。造成该差异的原因包括以下三点:

与传统建筑相比,装配式建筑多出预制构件拆分费、预制构件模具设计费、预制构件详图设计费、预制构件装配施工设计费,同时具有装配式建筑设计资质的企业较少,导致装配式生态护岸的设计费用相对昂贵。

装配式生态护岸直接成本增量大部分源于建筑工程,通过分析装配式生态护岸和传统护岸在建造方面差异可知,两者差异表现在装配式生态护岸的构件生产方面,装配式生态护岸构件的预制需要在工厂进行生产、加工、运输,再利用机械吊装至合适位置。期间产生的费用为两者差异的主要原因。

间接成本包括管理费和利润从表1看出装配式生态护岸的间接成本为163.22元/m³,传统护岸的间接成本为215.4元/m³。间接成本由现场管理费、办公费、机械租赁费、差旅费、生活费、固定资产费等组成,这些费用与项目工期呈正相关关系。由于施工期装配式生态护岸所需工期小于传统护岸,导致装配式生态护岸间接成本明显低于传统护岸。装配式生态护岸的间接成本约为传统护岸的3/4倍,由于间接费用与工期呈正比,所以可以预估相比传统护岸,该装配式生态护岸可缩短1/4的工期。

装配式生态护岸的工期和成本存在一种关系,通过研究这种关系,可以得出某种工时下的最低成本。

为了详细研究成本与工期的关系,将装配式构件生产分为三个部分,并建立工期与成本费用方程。

构件生产阶段包括模具的设计、生产以及构件的生产。

式中,y:材料费(元/m³);a:模具生产价格(元);O:设计费(元);x:单日生产构件个数;n:人工费(元/天);T:构件生产所需时间(天);k:每个构件所占工程量(m³);m:单个构件生产费用(元)。

将式(1)化简为式(2)和(3):

通过式(3)可以看出Q为定值,工程量较小时材料费与构件生产时间呈反比,生产构件时间的增加,材料费用逐渐降低,模具的设计和生产费占比逐渐减小,在理想情况下,不考虑模具的损耗,当生产时间增大,即工程量增大到一定程度,。

该部分包含人工现场安装费和机械费,其中机械费包含运输费和吊装费。

式中,t:施工工期(天);z:单日平均完成量(个);P:该阶段总费用(元/m³);b:人工安装效率费用系数(单日平均总人工费(元/m³)/单日平均完成量(个));c:构件运输及吊装效率费用系数(单日运输费(元/m³)/单日运输量(个))。

将式(5)带入式(4)可得:

P=(b+c)×tz (6)

由式(6)看出该阶段总费用与时间成正比,费用增大率与b、c、z取值有关。

间接费用包含两部分,分别为管理费和利润,该两项根据《建筑工程管理费、利润取费标准表》中计算所得分别为:

W=0.12P (7)

式中,W:利润(元/m³)。

M=0.25P (8)

式中,M:管理费(元/m³)。

最后可得:

式中,Y₁:直接费用(元/m³)。

Y₂=0.37(b+c)×tz (10)

式中,Y₂:间接费用(元/m³)。

Y=(a+o)/ktz+Q+1.37(b+c)×tz (11)

式中,Y:总费用(元/m³)。

对式(9)进行求导可以看出直接费用在项目前期主要来源于,费用随工期增加而减小,但到了项目中后期,直接费用趋于线性增长,其增长速率取决于b和c。式(10)反映的是项目整个阶段间接费用一直趋于线性增长。式(11)为总费用,通过求导得出在项目整个阶段总费用与工期变化也呈现“U型”变化趋势。

传统现浇建筑的成本与工期也有类似关系,但该关系只有当人为缩短工期,加大资源投入强度等原因时(b、c的改变),t₀才可存在。人为缩短工期,人力成本会大幅上升,所以传统建筑工期与成本关系应归结为合理的工期成本最低,但刻意的缩短工期会对施工人员造成损害,进而影响施工质量,而成本投入额会对工期长短造成影响。

装配式生态护岸并不是通过人为缩短工期,而是改进工艺、施工方法达到缩短工期的目的,直接费用中人力成本并不会因此增加。为了寻求装配式生态护岸最低成本所需条件可将式(1)求导即可得:

式(12)的分子代表前期设计费用及模具生产费用,分母则由运输吊装及施工效率所影响。这表明,在施工条件没有受外界影响下即式(12)分母保持不变,随着工程量的增加,每个构件所平摊初期设计费用比例减小,使工期达到t₀从而达到最低总费用。

本文从施工工艺,设计理念以及成本管控的角度分析传统护岸和装配式生态护岸在建设周期内的资源投入量,发现构件预制生产可有效的减少工期,降低施工成本,同时由于模块化生产,良品率的提升有效地避免了资源浪费和环境污染,所以装配式技术的降本增效作用也可弥补前期较为昂贵的模具设计费和构件吊装运输费。从建设的全周期来看,装配式生态护岸与传统护岸的工期-成本具有相同的“U型”变化趋势。与传统护岸不同的是,装配式生态护岸可通过改进工艺,施工方法而不用刻意增加人力成本降低产品质量来达到缩短工期的目的。

虽然装配式生态护岸直接成本高于传统护岸,但是装配式生态护岸也产生了一定的增量效益,装配式建筑不仅可以带来经济效益,还可以带来环境效益和社会效益。