國外裝配式建筑研究
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了國外裝配式建筑研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
關鍵詞：裝配式建筑；發展現狀；研究綜述
1國內外裝配式建筑發展現狀
早在20世紀20年代的歐洲，德國就提出建筑工業化理念，1933年在住宅區進行大規模的推廣應用，目前，裝配式小型住宅在德國市場上最受歡迎。法國建筑的裝配率已達到75%，俄羅斯采用預制混凝土結構率達50%，歐洲其余各國為35%—40%[1]。上世紀30年代，伴隨快速的城市化進程帶來需求，美國國內大力推進建筑工業化發展。1971年，美國編制的《PCI設計手冊》在國際上引起廣泛的影響，對世界裝配式產業的全過程具有指導性意義。1968年，日本提出裝配式住宅的概念，通過立法保證了構件質量，并在一系列政策和標準的背景下形成了統一的模數標準，實現了裝配式建筑標準化、批量化、多樣化的發展[2]。2008年，日本采用裝配式建設技術建造的東京塔，高達58層，標志著其預制裝配式結構的高質量發展。同時，東京塔先后在幾次地震中都經受住了考驗，驗證了裝配式建筑結構的可靠性、穩定性。國內建筑工業化推行較晚。2003年，建設部《工程建設標準體系》推動了建筑產業標準化的初期發展。2015年，住建部正式《工業化建筑評價標準》，首次明確“工業化建筑”、“裝配率”和“建筑部品”等專業術語，進一步完善了我國工業化建筑基礎理論，對我國建筑工業化發展起到促進作用。2017年，《工業化建筑評價標準》進一步修訂并更名為《裝配式建筑評價標準》。
國外裝配式建筑發展較早，建筑體系趨于完善，相關研究較國內成熟。在一些發達國家，裝配式住宅是建筑工業化的主要表現形式。與國內相比，國外裝配式研究對象更加多元化、研究層次更加細化。
2.1研究對象多元化
木材與傳統建筑材料相比，由于其綠色資質和縮短總工期的能力，深受建筑施工青睞。Tavares等評估了預制木結構等不同裝配式建筑的能源消耗、溫室氣體排放，為不同情況背景下預制結構的選擇布局提供理論依據。從材料的生產到現場的最終組裝，對裝配式建筑進行了全過程的能源消耗與溫室氣體排放的計算。結果表明，材料生產階段耗能較大，能源消耗、溫室氣體分別占全過程的64%~90%、59%~87%。從材質結構而言，輕鋼框架和木結構對環境影響最低[3]。Skulestad等對建筑物結構框架（鋼筋混凝土、木材框架）分類，并對不同樓層高度進行了生命周期環境影響比較分析。基于不同假設和情景結構，發現采用木框架結構的建筑比采用混凝土框架的建筑對環境影響更低[4]。Adekunle等研究了預制木結構的舒適度和過熱風險。他們對英國東南部的兩棟預制木結構房屋分別進行了入住后評估、熱舒適性調查、環境監測，發現在監測期間67%的空間會出現極端夏季過熱現象[5]。Vesna等探究了預制木結構能耗問題。他們通過現有研究結果總結出影響建筑物能量性能的重要參數，利用PHPP軟件分析了可變參數對供熱和制冷能耗的影響。他們對歐洲6種不同熱性能外墻構件的玻璃與墻體面積比進行了參數分析，得到了確定預制木框建筑的最佳玻璃窗區域比例的方法[6]。使用工業化技術建造的學校是現代教育建筑的典范，它們的建筑技術有其獨特的特點，減少資源消耗的同時，減少了廢棄物的產生。Pons和Wadel對西班牙的裝配式結構校園(混凝土結構、鋼結構和木結構)與非預制學校進行了比較，結論是裝配式結構校園對環境產生的影響小，而且可以進一步降低對環境的影響。在校園建造過程中，鋼、混凝土結構在材料開采和制造階段耗能較大，木材、鋼在運輸和維護階段對環境影響較大[7]。預制具有簡單、快速和經濟的優點，但對設計的變化卻缺乏靈活性，這是其在建筑業市場份額有限的主要原因。為解決這一缺陷，Kasperzyk等提出了一種機器人預制系統(RPS)，可以自動拆卸裝配式結構并將其按新結構設計進行改造，從而實現原結構的拆卸并重新制造到新的設計中。在兩個實驗室規模的預制結構上的驗證試驗表明，該系統成功地生成了所需的再制造序列，并以可接受的安裝精度執行了所有裝配操作[8]。根據歐盟的指示，能源效率的下一步是改善和提高現有建筑物的能源性能。特別是建于60年代、70年代的建筑，這些建筑物的外墻需要經常翻新，有極大改進的潛力。Passer等利用生命周期評估(LCA)確定環境影響最小的翻新方案，并評估了該方案對未來氣候穩定性的影響。結果表明，使用預制立面結構、太陽能集熱器系統和光伏板是最佳的翻新類型。從生命周期的角度看，預制對環境的影響是最低的，此外，對改變地區供暖的能源供應是非常有益[9]。建筑翻新同時，面臨降低成本的問題。Bystedt等針對翻新業務模式發展的需要，對市場和流程優化進行了研究，并提出了信息化管理方面的建議，分解了業務參與者的風險，澄清潛在的共同利益，提出了一種由承包商對客戶負全部責任的合同模式[10]。
2.2研究層次細化
建筑物在生命周期內會消耗大量的資源、能源，據統計，世界上大約60%的原材料開采與土木工程和建筑建設活動有關。不同的材料可以實現類似的功能，但是相關的一次能源和氣候影響可能有很大不同。Tettey等探討了不同建筑材料體系的多層住宅在生命周期內一次能源消耗情況。建筑結構材料主要有預制混凝土、交叉疊層木材(CLT)和預制木材模塊(模塊化)。結果表明，CLT與混凝土相比，可降低一次能源的使用，并提高生物質的殘留量。CLT建筑生產階段可回收生物質殘余物的熱值明顯大于其生產所需的一次能源。CLT和裝配式建筑的總生命周期一次能源使用分別比使用熱電聯產供暖的混凝土建筑低20%~37%和9%~17%[11]。Takano等研究了三種構件（結構框架、表面組件和內部構件）材料的選擇對一次能源的影響。計算建筑模型在生命周期內一次能源使用情況，發現結構材料的選擇比其他兩類構件有更大的影響，外保溫材料的選擇對其表面和內部構件性能的影響相對較大。其中，木塑產品的能量回收效益對建筑的生命周期能量平衡有著重要的影響[12]。使用建筑預制件有許多好處，包括提高施工過程效率和減少廢棄物、生命周期內減少對環境影響。目前，建筑預制件還不清楚實現碳減少的程度。Bonamente等通過調研意大利預制建筑部門，用生命周期評價法對預制建筑的碳足跡、能源足跡進行分析，收集了一家在全國范圍內經營多家設施的大型公司的數據，對溫室氣體排放和能源消耗進行參數化分析。結果表明，建筑保溫對建筑環境足跡有重大影響，在高保溫情況下，碳足跡總效應減少11%，能源足跡減少9%[13]。Aye等評估了可重復使用的裝配式建筑模塊在整個生命周期內溫室氣體排放量和能源消耗量。為了確定裝配式建筑是否有效改善了傳統施工方案的環境性能，他們量化了預制構件的具體能量。在裝配式鋼結構體系中，材料的再利用潛力很大，可節約81%的能源和51%的材料[14]。Teng等以影響裝配式建筑生命周期碳排放（LCCa）的12個變量為系統框架，采用系統分析和綜合分析法，為裝配式建筑可以減少碳排放提供依據。研究發現，預制與傳統的基本情況相比，平均實現了15.6%的碳減排量。然而，個別的預制建筑實際碳排放有所增加，說明不同變量對裝配式建筑LCCa的影響是不一樣的。作者提出了七個改進點，為裝配式建筑LCCa提供了一個更清晰、更關鍵的理解，并為未來的研究方向提出建議[15]。木結構是世界上許多國家建筑業的重要組成部分，木構墻單元是預制木結構單層、多層建筑的主要豎向承重構件。預制木框墻體的水平承載能力主要取決于其相對較低的抗拉強度和由此產生的裂縫。Silih等人對單纖維石膏板（FPB）護套預制木框架墻體單元的水平承重阻力進行了數值分析[16]。Oktavianus等研究裝配式建筑中封閉式復合板材（CPCT）墻系統。材料的主要化學材料性能已通過測試，主要對系統進行了壓縮試驗、有限元分析，為全面了解影響系統軸向阻抗的敏感參數，進行了包括材料、釘的大小和排列、釘的間距和粘結劑等類型的參數化研究[17]。混合結構體系對高層建筑行業具有戰略意義，特別是混合木材建筑系統的出現，使人們對研究實用、可持續、節能環保的解決方案產生了興趣，實現了與傳統材料使用最廣泛的結構系統之間的競爭。Piazza等針對組合式裝配式建筑的發展進行了研究，并論述了一種新型的多功能鋼與木材混合結構體系及其可持續性方面的潛力。主要構件是將木材和鋼結構結合起來，通過創新連接測試以及結構部件的數值分析保證了結構可靠性，為建筑工業化提供了輕型現代抗震建筑構造[18]。He等提出了一種由混凝土框架和木隔板組合而成的混合結構。在這種混合結構中，鋼筋混凝土被用來建造框架，提供水平和橫向荷載的阻力，而木隔板為地板系統。由于木膜片的輕量化，可以最大限度地減少了靜載和橫向地震荷載。同時，木材由于是一種環保建筑材料，這種混合結構可以降低建筑材料的碳排放[19]。建筑及其相關技術對環境都有至關重要的影響。Navarro-Rubio等對預制結構的生態效率和建筑優化潛力進行研究。在不同耐久性和重復使用的條件下，他們運用數值模型分析了結構響應，從材料表、建筑進度和經濟成本三方面反映其優化潛力，并通過生命周期評估得到其對環境的影響，較其它方案工期減少約80%，耐久性與壽命直接相關，重復使用會使經濟成本直接降低[20]。綠色屋頂是用于開發環保可持續建筑、增強視覺吸引力的綠色技術之一。Saiz等人評價了3種不同的屋頂系統，普通平頂、和綠色屋頂對一座多層住宅建筑生命周期環境的影響。經實證研究發現，綠色屋頂每年節約能源約1%，夏季冷卻負荷減少6%[21]。建筑構件預制化的發展，機械、電氣和管道(MEP)系統的模塊化預制在過去十年中變得越來越普遍，然而，它目前只用于較小的系統。Samarasinghe等根據裝配式成本和機械、電氣、管道模塊化處理成本，采用模糊邏輯、依賴結構矩陣和層次聚類結合的方法，實現了最小安裝成本，確定最優模塊數和模塊劃分點。其中，系統最優模塊化程度高度依賴于模塊尺寸和模塊劃分點，為供暖、通風和空調及其它建筑服務提供有效的模塊化方法[22]。
3結論及建議
我國建筑業面臨的主要挑戰是推行工業化，提高預制率，以降低成本及對環境的影響。相對國外而言，國內裝配式建筑的絕大部分研究還局限于經濟效益評價，研究對象大多為混凝土結構，以及基于BIM的信息化管理，總體呈現單一性、片面性。為了推動我國裝配式建筑健康、高速的發展，進一步擴大應用范圍，國內有必要采取科學的方法對裝配式建筑進行多元化、細致化的研究，為裝配式建筑的發展提供扎實的理論依據。同時，采取有效措施最大限度地降低能源消耗量、污染物排放量，實現建筑生態一體化。
作者：徐偉 武春楊 單位：內蒙古科技大學
