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关于装配式住宅发展的思考

发布时间:2015-05-21

       摘要:住房和城乡建设部科技发展促进中心与北京大学,于2010~2012年合作开展了对我国绿色建筑项目的调研,较为全面地研究绿色建筑技术经济成本效益。本文是从有关报告《中国绿色建筑技术成本效益分析》的资料与内容,加上笔者近期的绿色建筑经济研究整理而成。首先对近年国内相关研究工作回顾综述,带出对建立统一绿色建筑的成本效益分析方法的必要性,把绿色建筑成本效益数据信息阳光化,使行业对于绿色建筑的经济效益有更加全面和确切的认识。本文再对研究成果中有关住宅绿色建筑的成本和效益分析方面做出表述,提出评估“经济效率”的概念,并对我国未来在绿色建筑激励政策发展提出建议。

  关键词:绿色住宅,成本效益分析,经济效率

  装配式住宅(尤其是钢筋混泥土装配式住宅),作为当前住宅建设的新型技术手段,其本身已涵盖了产业化、工业化、工厂化的内容,是促使传统的建设方式向集约、节约、绿色、环保、科技等现代化建设方式转变的有效途径,是绿色建筑的新载体,值得大力推广。

  纵观国内外装配式住宅的发展历程,按照结构体系可划分为混凝土结构体系(预应力混凝土装配式框架体系、预制装配式剪力墙体系、混凝土内浇外挂体系)、钢结构体系(型钢体系、轻钢体系)、木结构体系(土木、钢木、竹木等体系)等等。各个国家和地区根据经济、社会、工业化程度、自然条件的不同,装配式住宅结构体系类型、技术特点及发展趋势各不相同。一般来说,钢结构体系和木结构体系装配化率最高,技术、标准、规范比较成熟,在国内外都很流行。而混凝土结构体系的装配化率在国内才刚刚起步,很多技术重点、运行难点、政策盲点需要认真探索和突破。

  一、国外装配式住宅主要成就

  (一)装配式住宅起源

  国外装配式住宅的起源,主要有两方面的原因。一是工业革命带来大批农民向城市集中,导致城市化运动急速发展,住宅需求量大增,促使建设方式转变。第二个原因(也是最重要的原因)是第二次世界大战后城市住宅需求量的剧增。同时战争的破坏,导致住宅存量减少,因为军人大批复员,住宅供需矛盾更加激化。在这种情况下,受工业化影响的一批现代派建筑大师开始考虑以工业化的方式生产住宅。如法国的现代建筑大师勒·柯布西耶便提出“建筑是居住的机器”的口号,构想房子也能够像汽车底盘一样工业化成批生产。他的著作《走向新建筑》奠定了装配式住宅、居住机器等最前沿建筑理论的基础。日本丰田公司在二战以后从汽车行业涉足房屋制造业的时候,其领导人明确提出“要像造汽车一样造房子”。

  (二)国外装配式住宅主要成就

  西方发达国家的装配式住宅经过几十年甚至上百年的时间,已经发展到了相对成熟、完善的阶段。日本、美国、澳大利亚、法国、瑞典、丹麦是最具典型性的国家。但各国按照各自的特点,选择了不同的道路和方式。日本是率先在工厂中批量生产住宅的国家;美国注重住宅的舒适性、多样性、个性化:法国是世界上推行工业化建筑最早的国家之一;瑞典是世界上住宅装配化应用最广泛的国家,其80%的住宅采用以通用部件为基础的住宅通用体系;丹麦发展住宅通用体系化的方向是“产品目录设计”,它是世界上第一个将模数法制化的国家。近年来,新西兰、新加坡及香港地区也得到了大力发展,取得了显著成效,具体介绍如下:

  1、欧洲(法国、德国、瑞典、丹麦等)

  法国,1891年,巴黎Ed. Coigent公司首次在Biarritz的俱乐部建筑中使用预制混凝土梁。至今,预制混凝土结构的使用已经历了130余年的发展历程。二战结束后,预制混凝土结构首先在西欧发展起来,然后推广到美国、加拿大、中国、日本等国。20世纪末期,预制混凝土结构已经广泛用于工业与民用建筑、桥梁道路、水工建筑、大型容器等工程结构领域,已经在全世界普及。法国的特点是:构造体系以预制混凝土体系为主,钢、木结构体系为辅。在集合住宅中多用于独户住宅。多采用框架或者板柱体系,向大跨度发展,焊接、螺栓连接等干法作业流行,结构构件与设备、装修工程分开,减少预埋,生产和施工质量高。主要采用预应力混凝土装配式框架结构体系,装配率达到80%。

  图为法国S G E-C构造体系实例的现浇节点模板示意图:这是一种预制大板体系,适用于7层以下的住宅建筑。楼板为预制条形板:跨度4800以下采用160厚实心板,跨度4800以上采用预应力空心板。内外墙板统一规格,为实心板或多孔板,外墙做外保温加抹灰或混凝土装饰板,墙板之间的连接节点可预制、可现浇,墙板与楼板之间的连接节点可焊接或者现浇,楼板与楼板之间预留槽灌浆。

德国,装配式住宅主要采用叠合板混凝土剪力墙结构体系,剪力墙板、梁、柱、楼板、内隔墙板、外挂板、阳台板、空调板等构件采用构件预制与混凝土现浇相结合的建造方式。该国的此类建筑十分注重保温节能特性,目前已发展成功系列化、标准化的高质量节能的装配式住宅生产体系。

  瑞典、丹麦,从20世纪50年代开始在法国的影响下开始由民间企业开发了大型混凝土预制板的工业体系,以后大力发展以通用部件为基础的通用体系。目前瑞典的新建住宅中,采用通用部件的住宅占到了80%以上。丹麦虽然是一个仅有500万人口的小国。但却是世界上第一个将模数法制化的国家,国际标准化组织的ISO模数协调标准就是以丹麦标准为蓝本的。丹麦推行建筑工业化的途径是开发以采用“产品目录设计”为中心的通用体系,同时比较注意在通用化的基础上实现多样化。

  2、北美(美国、加拿大)

  美国的装配式住宅起源于20世纪30年代,盛行于20世纪70年代。1976年,美国国会通过了国家工业化住宅建造及安全法案,(National Manufactured Housing Construction and Safety Act),同年开始由HUD负责出台一系列严格的行业规范标准,一直沿用到今天。除了注重质量,现在的装配式住宅更加注重提升美观、舒适性及个性化。美国1997年新建住宅147.6万套,其中装配式住宅113万套,均为低层住宅,不过主要是木结构和钢结构住宅。其中木结构数量为99万套,其他的为钢结构。据美国工业化住宅协会统计,2001年,美国的装配式住宅已经达到了1000万套,占美国住宅总量的7%。2007年,美国的装配式住宅总值达到118亿美元。现每16个人中就有1个人居住的是装配式住宅。在美国,装配式住宅已成为非政府补贴的经济适用房的主要形式,在低收入人群、福利性购房者中,装配式住宅是住房的主要来源之一。在美国、加拿大,大城市住宅的结构类型以混凝土装配式和钢结构装配式住宅为主,在小城镇多以轻钢结构、木结构住宅体系为主。

  3、亚洲(日本、新加坡等)

  日本,于1968年就提出了装配式住宅的概念。经过多年的发展,1990年推出了采用部件化、工业化生产方式、高生产效率、住宅内部结构可变、适应居民多种不同需求的“中高层住宅生产体系”,住宅产业在满足住宅需求的同时,也完成了产业自身的规模化和产业化的结构调整。在这一进程中,住宅产业经历了从标准化、多样化、工业化到集约化、信息化的不断演变和完善过程。在此期间建造的预制混凝土结构经受了1998年阪神大地震的考验。通过分析日本的装配式住宅发展过程可以得到以下经验:日本装配式住宅的形成是建立在住宅商品化、市场化的前提下,并以市场的需求为导向的,但政府强有力的干预和支持对住宅产业的发展起到了十分重要的作用;通过立法来确保预制混凝土结构的质量;在住宅产业化、标准化的同时,坚持技术创新,制订了一系列住宅建设工业化的方针、政策,组织专家研究建立统一的模数标准,逐步实现标准化、部件化,解决了标准化、大批量生产和住宅多样化之间的矛盾,提高了建筑工业化水平与生产效率。

  新加坡建屋发展局(Housing&Development Board,简称HDB),HDB所开发的组屋一般为15-30层的单元式高层住宅,自上世纪90年代初开始尝试采用预制装配式住宅,至今已有20年的历史。现已发展较为成熟,预制构件包括梁、柱、剪力墙、楼板(叠合板)、楼梯、内隔墙、外墙(含窗户)、走廊、女儿墙、设备管井等,整个工程预制化率达到70%以上。

  发达国家和地区装配式住宅发展大致经历了三个阶段:第一阶段是工业化形成的初期阶段,解决的重点是建立工业化生产(建造)体系;第二阶段是工业化的发展期,解决的重点是提高产品(住宅)的质量和性价比;第三阶段是工业化发展的成熟期,解决的重点是进一步降低住宅的物耗和环境负荷,发展资源循环型住宅。发达国家的实践证明,利用工业化的生产手段是实现住宅建设低能耗、低污染,达到资源节约、提高品质和效率的根本途径。

  二、国外装配式住宅技术发展趋势

  预制混凝土结构在西欧、北美的应用相当广泛,在亚洲日本处于领先地位。目前,发达国家预制混凝土结构在土木工程中的应用比重为:美国35%,俄罗斯50%,欧洲为35%-40%。

  (一)发达国家装配式住宅总体发展趋势

  1、美国和加拿大:在20世纪,预制建筑主要用于低层非抗震设防地区,近年来非常重视在抗震地区和中高层预制结构工程的应用技术研究,出版了《预制混凝土结构抗震设计》一书,从理论和实践角度系统地分析了预制建筑的抗震设计问题,总结了许多预制结构抗震设计的最新科研成果,对指导预制结构设计和工程应用推广具有很强的指导意义。

  2、欧洲(法国):建筑工地的劳动力发生了变化。发明一些在工地上不再要求大量脏而笨重的体力劳动的新技术。在这方面,采用附加值高的建筑部件来建筑房屋是一条很有意义的路子。另一条路子是在工地上采用自动装置(机器人)。法国混凝土工业联合会和法国混凝土制品研究中心把全国近60个预制厂组织在一起,由它们提供产品的技术信息和经济信息。在吸收50~60年代法国推行建筑工业化经验的基础之上,经过多年的努力,编制出一套G5软件系统。这套软件系统把遵守同一模数协调规则、在安装上具有兼容性的建筑部件(主要是围护构件、内墙、楼板、柱和梁、楼梯和各种技术管道)汇集在产品目录之内,它告诉使用者有关选择的协调规则、各种类型部件的技术数据和尺寸数据、特定建筑部位的施工方法,其主要外形、部件之间的连接方法,设计上的经济性等。

  3、日本:独立住宅的比例越来越少,高层集合住宅逐渐增加。因早期的工业化住宅质量较差,实践证明装配式住宅应注重抗震质量的意识转变经历了30年。下图表明,在2002年的日本,集合公寓占到住宅总量的58.4%,已经超过了独户住宅的市场占有率。

  目前,日本85%以上的高层集合住宅都不同程度地使用了预制构件。如下图。  

日本建筑的层数越高,它的工厂化预制比例越高。9层以下的住宅,全部现浇,而不是用预制的方式来建造;层数在20层以下,会用半预制;如果超过20层的话,包括梁、柱在内的会全部预制。这样做的主要原因有两个:一是考虑模板的利用率和成本摊销;二是建筑的层数越高,泵送商品混凝土的难度越大,高空养护的难度和工作量也越大,所以减少现浇量对施工效率的提升是有价值的。

  装配式住宅体现在向更高的高度发展,已有部分预制装配式住宅超过200m,具有代表性的是日本2008年采用预制装配框架结构建成的两栋58层的东京塔。

  4、新加坡:预制化率已达70%以上,政府编制了详细的设计文件用于指导预制化住宅的设计和施工。同时将成熟的技术出口到香港和东南亚各地。

  随着全球环境及人口结构的变化,北美、欧洲等人少地多的国家也逐渐由独立式住宅、多层住宅等向中高层集合式住宅发展。欧洲和日本的集合住宅,新加坡的租屋,我国香港的公屋均是装配式技术的主要实践对象。

  (二)装配式住宅技术发展趋势

  目前,国外装配式住宅的技术发展趋势是从闭锁体系向开放体系转变,原来的闭锁体系强调标准设计、快速施工,但结构性方面非常有限,也没有推广模数化;从湿体系向干体系转变,装配模块运到工地,但是接口必须要现浇混凝土,湿体系的典型国家是法国,瑞典推行的是干体系,干体系就是螺丝螺帽的结合,其缺点是抗震性能较差,没有湿体系好;从只强调结构的装配式,向结构装配式和内装系统化、集成化发展;信息化的应用越来越广泛和深入,结构设计是多模式的,一是填充式,二是结构式,三是模块式,目前模块式发展相对比较快。

  1、从闭锁体系向开放体系发展。西方国家预制混凝土结构的发展,已从闭锁体(closedsystem),(其生产重点为标准化构件,并配合标准设计、快速施工,缺点是结构形式有限、设计缺乏灵活性)向开放体系(opensystem)转变,致力于发展标准化的功能块、设计上统一模数,这样易于统一又富于变化,方便了生产和施工,也给设计者带来更大自由。

  2、从湿体系向干体系发展,现在又广泛采用现浇和预制装配相结合的体系。湿体系(wetsystem)又称法国式。其标准较低,所需劳力较多,接头部分大都采用现浇混凝土,但防渗性能好。干体系(drysystem)又称瑞典式,其标准较高,接头部分大都不用现浇混凝土,防渗性能较差。

  3、从只强调结构预制向结构预制和内装系统化集成的方向发展。装配式住宅既是主体结构的产业化也是内装修部品的产业化,两者相辅相成,互为依托,片面强调其中任何一个方面均是错误的。

  4、更加强调信息化的管理。通过BIM信息化技术搭建住宅产业化的咨询、规划、设计、建造和管理各个环节中的信息交换平台,实现全产业链的信息平台支持,以“信息化”促进“产业化”,是实现住宅全生命周期和质量责任可追溯管理的重要手段。

  三、我国发展装配式住宅的思考与建议

  装配式住宅是利用标准化设计、工厂化生产、工业化施工和信息化管理等方法来建造、使用和管理建筑,是建筑(住宅)产业现代化发展的必然趋势,是加快推进绿色建筑发展、转变城镇化建设模式、全面提升建筑品质的有效途径。发展以住宅为重点的装配式建筑是建筑(住宅)产业现代化的一项重要工作,建筑(住宅)产业现代化的最终目标是提高品质,减少消耗;提高效率,减少投入。其根本标志是标准化、工业化和专业化,标准化是前提,工业化是根本,专业化是途径。

  回顾我国住宅工业化发展历程,在这方面有许多经验和教训。二十世纪七、八十年代,通过大规模引进欧、美、日本等技术与设备,建立起了建筑构件厂、门窗厂等产业门类齐全的住宅工业化生产体系。提出了住宅工业化的“三化一改”方针,即设计标准化、构件生产工厂化、施工机械化和墙体改革,重点发展了大型砌块住宅体系、大板(装配式)住宅体系、大模板(内浇外挂)住宅体系和框架轻板住宅体系等,推广住宅标准化设计图集,建造了一大批PC大板体系、预制装配式住宅。如:北京前三门大街大板体系高层住宅。但由于当时的经济、技术条件等因素,出现了外墙渗漏等一系列质量问题,对发展装配式住宅出现了分歧。近年来,由于城镇化的持续推进、人口结构不断变化、建设“两型社会”、节能减排迫切要求及巨大住房需求,发展装配式住宅又成为行业发展的关注点。国内一批大型企业进行积极的研究与探索,部分地区和项目建设实践也取得了一定的经验和初步成效。如万科建设的深圳保障性住房龙悦居(三期)项目实现“四化”:图纸标准化、施工工厂化、管理可视化、现场整洁化。施工全过程采用“四化”管理,生产效率与工程质量大大提升。长沙远大住工建设的长沙宁乡蓝色港湾项目具有五点优势:质量好、工期短、成本低、安全、环保。杭萧钢构建设的包头万郡大都项目一期工程已经竣工,北新房屋建设的成都青白江新农村等项目,都取得了成效。

  总结国外发达国家经验,结合我国人口众多、资源相对匮乏、地区差异性大的特点,推广应用装配式混凝土结构住宅体系、钢结构住宅体系(大中城市)和多层轻钢结构住宅体系等装配式住宅(新农村建设、小城镇)有一定积极意义。对转变住宅建设方式,促进住宅产业结构调整,提高资源利用率和居住水平将发挥重要作用。 

  但是,我国装配式住宅发展还处于初级阶段,尽管有许多企业进行研究探索并取得初步成效,但还存在诸多问题。

  一是技术标准滞后。装配式住宅的设计、生产、安装施工、验收评定等技术标准还尚未建立,尤其是不同类别的装配式住宅结构抗震性能评价标准等尚不健全,试点成果无法大规模推广。

  二是建造成本偏高。目前装配式住宅的建造成本比传统方式成本高500元/平方米左右。原因有:未形成大规模生产,规模效益无法体现;同时,工业化生产属生产企业,构件工业化生产产品要交纳17%的增值税,增加了生产成本;建设管理体制也是造成成本增加的原因之一。

  三是项目建设管理体制不利于装配式住宅发展。目前具备总承包资质的企业不具备专业化生产能力,尤其是装配式住宅生产、安装的能力,具有装配式生产能力的企业并不多,少数具备能力的企业又无承包项目资格,造成专业化公司还要挂靠,增加管理成本。同时,装配式住宅有利于建造成品住宅,成品住宅又增加企业税费,等等。

  为此提出如下思考和建议:

  (一)加大科研投入,突破关键技术,完善技术标准。

  装配式住宅是标准化设计、工业化生产、机械化安装、信息化管理的现代化建造方式。其优点是“SQSEE”,S-Speed(速度)、Q-Quality(质量)、S-Safty(安全)、E-Envirenment friendly(环境友好)、E-Economic(效益)。所以推行装配式住宅建造方式必须解决下列问题并完善相应的技术标准。

  一是建筑体系标准化。建筑体系标准化是实现工业化建造的基础。建筑体系主要是承重结构体系和围护结构体系。目前易形成标准化体系的结构形式有混凝土结构、钢结构(包括轻钢)、钢管混凝土结构等。在研究、试点的基础上,应逐步由专用体系走向通用体系。尤其是预制混泥土装配式住宅,预制部分与现浇部分连接方法、节点等一些涉及到主体结构安全的技术问题,要重点关注和加强质量控制。

  二是构件部品系列化。轻质墙板、复合墙板、保温装饰一体化墙体等相匹配的新型围护体系;整体厨卫、外遮阳技术、节能门窗;电力设备、电梯设备、供水设施设备、照明设备、空调与除湿设备、电气设备、散热设备、智能管理设备、空气净化设备及热回收通风技术与设备等门类齐全、节能高效的住宅节能设备等。

  三是技术系统成套化。保温、隔热、隔声装饰一体化装饰成套技术;供热系统的调节控制与热量计量技术、热转换技术、高效热传送技术、供暖运行智能管理、热、电、冷联产联供及新能源利用等成套技术。

  (二)建立统筹规划、经济支持与政策激励的运行机制,加快装配式住宅发展进程。

  目前,对预制装配式住宅缺乏统一规划和政府引导,导致一些企业盲目跟风,不管是否具备条件,都以装配式住宅为噱头,大有一哄而起之势。所以国家应制定装配式住宅发展的顶层设计。加强管理,正确引导,统一规划。将致力于工业化住宅研究的企业、科研院校进行资源整合,重点突破、分步实施,有序推进。建立研究开发、建筑设计、技术推广与运营管理一体化的生产模式。对从事技术研究的企业事业单位给予一定资金支持,同时,尤其对从事工业化住宅研究开发的企业在信贷、财税及试点项目建设收费等方面给予优惠。建立项目建设条件意见书制度,将装配式住宅要求在土地招牌挂或出让时纳入评价条件,并对符合绿色建筑标准的示范项目给予经济政策奖励。政府投资建设的保障房建设项目应率先推广试点。

  (三)加快项目建设体制改革,创造有利于装配式住宅发展的市场环境。

  要研究解决适应于工业化住宅研发、生产、推广应用的项目管理体制,鼓励大型企业集团从生产、设计、安装与管理一体化(如日本的大和、积水等)的社会化大生产模式发展。加快施工企业营业税改增值税进程,优化建筑企业结构,淘汰技术力量薄弱、挂靠、分包小队伍,促进建筑业结构调整。改革现有的以项目公司运做的房地开发管理体制,有利于开发企业统筹协调发展。

  (四)扶持和培育大型企业集团,激发市场主体推进住宅产业化的积极性、主动性和创造性。

  装配式住宅发展必须实现设计、施工、管理一体化。从项目策划、规划设计、建筑设计、生产加工、运输施工、设备设施安装、装饰装修及运营管理等全过程统筹协调,形成完整的一体化运行模式。目前,我国房地产开发企业以项目公司来运作,仅仅只是资金的运作者,也只能靠规模发展,不利于产业化的推进,无法实现生产方式的变革。同时,其他致力于推进住宅产业化的建筑企业及相关企业也应走以开发为龙头的集团化发展道路,有利统筹协调、减少中间环节、提高工效,也符合产业结构调整、做大做强、发挥规模优势的市场发展需要。

  (五)加强组织领导,建立和完善住宅产业现代化的推进机制。

  各级建设主管部门要将推进住宅预制装配式住宅作为推进住宅建设方式转变,促进绿色建筑发展,提高品质性能的重要工作,统筹规划、统一协调、有序推进,形成整体合力。

  推进以住宅为重点的建筑产业现代化是全面深化建设行业改革的重大课题。发展装配式住宅要根据各地区经济、技术及自然条件,在传统建造方式基础上,不断提高工业化生产水平,由点到面、由局部到整体,因地制宜、稳步发展,逐步探索出适应本地区的产业化发展之路。

  除了上述几点之外,促进我国的装配式住宅发展,还需要大量的科研投入。其次,需要加强建筑监管体系和激励机制建设。

  总之,目前我国装配式住宅发展潜力很大并且节能效果很好,而且在克服PM2.5空气污染方面也可发挥很大的作用,也是绿色建筑发展的新趋势之一,有条件也有必要整合各类资源使其快速发展。