
新型建筑工业化--模块化、并行工程与数字化
注:本文转载自清华建筑设计研究院产业化分院
一. 什么是建筑工业化?
二. 什么是高品质建筑?
三. 建筑的成本
“好、快、省”是在建筑的设计、建造和运营全生命周期内,实现“两提两节”,即“提高品质、提高效率、节材省工、节能减碳”。其中,“省”是指“两节”,是“节材省工、节能减碳”,不能简单地理解为降低成本。
首先,成本和品质是相对应的,高品质必然对应高成本,物美价廉是不存在的。
其次,不能把高房价等同于高成本,建安成本只是房价的组成部分。建安成本不是太高,而是太低了。
在建筑工业化领域流行的一句话叫做“像造汽车一样地造房子”,我们就拿汽车和普通住宅造价做个比较。
以一辆售价为10万元的中档轿车为例,销售的成本和利润约为4万元,制造的成本加利润约为6万元,轿车的体积大约为3立方,因此中档轿车每立方的造价约为2万元。
一栋住宅的地上部分楼面建安造价按照7000元/平米计算,其中包含了建筑、结构、设备、全装修、装配式增量、绿建等各专业的综合造价。地下室造价一般为5000元每平米,建筑面积按照经验值估算约为地上建筑面积的50%。把地下室的造价折算到地上,则地上部分的楼面综合建安造价约为10000元/平米。这个造价包含了建造成本和利润。住宅的层高按照3米计算的话,则住宅每平米的体积为3立方米。计算得出住宅每立方的造价为3300元。
二万元比三千元,相差了近六倍!
一辆中档轿车应具备的品质大致有如下几个方面:
1. 优异的挡水性能:无论多大的暴雨,在静止和行驶的状态下,绝不能漏雨。
2. 优异的气密性:无论刮多大风,车内没有感觉。
3. 良好的保温隔热性能:在没有使用空调的情况下,仍能使车内保持一定的温度。
4. 符合人体工学的车内空间尺度:虽然车内空间很小,但并不会产生幽闭感。
5. 符合人体工学的车内家具:座椅可以保证长时间坐着不会难受。
6. 运行良好的空调系统:保证车内恒定的舒适温度。
7. 先进的智能终端系统:例如自动驾驶功能、防撞功能、保障车内的空气、温度、声、光环境等始终处于舒适状态的功能。
按理说,一个售价每平米动辄几万甚至十几万的普通住宅,起码应该具备汽车同样的品质,还要加上高品质建筑的所有要求。但实际情况是,普通住宅的品质远远达不到普通轿车的品质。其实,上述对住宅的造价估算已经非常高了,在全国大部分地区甚至连一半的造价都达不到。住宅的成本远远低于汽车的成本,我们还无法做到“像造汽车一样的造房子”。
目前,建筑成本始终受限于建筑定额。目前执行的建筑定额制初定于1955年,是符合当时的计划经济体制的管理办法。这以后预算定额的编制和管理工作下放到各省、市、自治区,例如北京市于1996年制定了96概算定额,时隔八年后制定了04概算,时隔十二年后又制定了16定额。但定额的调整永远赶不上市场价的变化。
根据标定司2022年2月15日发布的人工工日单价为:低价127和高价143(不含五险一金),通常情况下一个工人可以做到2~3热定额工日,即可以挣到254元至429元。但工地的现实情况是,泥瓦工两夫妻每天要1500元。这个差价用什么方法找回来?
所有人都认为定额偏低,但是又不得不按照定额进行招投标、概算、预算和结算。在定额已经偏低的情况下,又被各种程序漏洞和管理问题消耗了微薄的利润。没有足够的利润,就不可能生产高品质的产品。更不可能投入资金进行技术研发,技术进步就无从产生。整个行业就这样陷在一个恶性循环的怪圈里。这就是为什么建筑行业的工业化水平在整个国民经济的所有行业中,始终处于低水平。
只有大幅提高利润,才能实现整个行业的良性发展。今年的两会有代表提出要提高设计费,我认为问题的关键不仅仅是提高设计行业的收费标准,而是应该提高整个建筑行业的收费标准。
从全生命周期角度,看一栋建筑的成本构成为:
1. 直接成本:建安成本。
2. 间接成本:时间成本、资金成本、维护成本。
如前所述,直接成本应该大幅增加,辅以建筑工业化的技术手段,反而可以降低间接成本。一方面,工业化的高效率,可以节省大量的时间成本。节省了时间成本,资金成本也就相应节省了。另一方面,工业化带来的高品质大规模生产,又会大大提升整体建筑的品质,从而减少维护成本。
因此,提高建安造价,并不简单地等同于提高成本。成本一定要与品质相对应,成本一定要与建筑的全生命周期各阶段的能耗相关联。
提高行业的利润率可以带来如下好处:
1. 产品品质极大提高,产品寿命延长,维修费用降低。有效地实现了节能减碳。
2. 企业有足够的利润可以培养自己的产业工人,产品品质进一步提高,企业的经营进入良性循环,行业从业人员收入普遍提升,又将带动相关行业的投资和消费。
3. 整体国民经济的发展进入良性循环。
目前中国一二线城市的房价已经与国外发达国家的房价不相上下了,有些地方甚至超过发达国家的房价,但是中国的建安造价却相对低很多。例如香港的公屋,其地上部分的建安造价约为18000元/平方米。再比如日本的一户建,建安造价也在10000元-20000元/平方米之间。日本的建安造价组成中,材料费跟中国不相上下,但是人工费占的比重较大。人工费占比较大意味着从业人员收入很高,收入高其消费能力就高,整个经济就是一个良性循环。我认为中国今后应该大幅提高人工成本,让设计师、技术工人等从业人员进入高收入的行列,让建筑行业实现良性循环。
四. 系统性思维:
早在2000多年前,亚里士多德概括了系统学的精髓在于“整体大于部分之和”。一栋房子是由钢筋水泥形成的地面、墙体、屋顶围合而成若干功能空间组成的,在这里,所谓“整体大于部分之和”包含了如下含义:
1. 这是由钢筋水泥形成的可以满足使用功能的空间,而不是一堆建筑材料的简单堆砌。它产生了一个新的功能:供人们居住使用,这在系统学上称为“涌现”。
2. 这栋房子结构是安全的。
3. 这栋房子应该能够遮风避雨,可以保温隔热。
无论是用传统的建造模式还是用工业化的建造模式,一栋房子的建造都 必须实现“系统性集成”,否则就不可能实现整体大于部分之和的目的,也就不能称之为房子。把一栋建筑当作一个完整的产品来看待,是系统性思维在建筑行业的具体表现。
工业化的建造模式是又快又好地建造高品质的房子,这种模式就需要把房子分解成若干模块,在工厂加工后运至施工现场进行组装。模块应该如何分解?是按照功能空间模块来分解还是按照专业来分解?模块化设计方法是实现建筑工业化的组织架构。
五. 模块化(Modularity):
模块化是建立工业化体系有效的技术手段(《设计规则-模块化的力量》卡丽斯•鲍德温、金•克拉克著)。
1. 模块的定义:
模块是一个单元,其单元内部的结构要素紧密地联系在一起,而与其它单元内部结构要素的联系相对较弱。复杂系统的管理可以通过将系统分割成子系统,然后分别处理来实现。当系统要素的复杂性超过了特定限制,可以将这种复杂性分离抽象出来,作为独立的具有简单界面的一部分。
2. 模块的分类:
模块并不能简单地等同于一个物理意义上的三维体块,它可以是任意形状的,甚至可以是无形的。比如WIFI系统就可能是由一个发射台加上电磁波组成的,亦或是由一组网线加上路由器再加上电磁波组成的。因而WIFI系统就是由有形组件和无形的电磁波共同组成的。
模块的分类大致如下:
1)系统性模块:也可以理解为按照专业来分。
i. 建筑模块:外维护墙体系统、内隔墙系统等。
ii. 结构模块:框架结构系统、剪力墙结构系统等。
iii. 设备模块:空调系统、强弱电系统(例如供电系统、WIFI系统等)、给排水系统等。
iv. 装修模块:墙、顶、地、厨房、卫生间等。
v. 家具模块:桌椅、床、收纳系统等。
2)空间模块:
i. 零维模块:固定装置,如螺丝、螺母等。
ii. 一维模块:梁柱等杆件。
iii. 二维模块:整体楼盖、墙体、屋顶等。
iv. 三维模块:箱式建筑等。
模块的分类体现了模块化体系的多样性,不同的模块化体系适用于不同的建设项目。例如在城市更新的项目中,当施工场地和运输道路狭小时,采用杆件模块化系统就是好的选择。箱式模块工业化水平高,但还要综合考虑其运输的距离、路况条件等因素。采用何种体系一定要站在建筑全生命周期的角度去综合考量。
3. 模块化的定义:
将一个复杂系统按计划分解为一系列相对简单的、准独立的子系统(单元)的过程就是模块化,这些子系统(单元)统称为模块。模块化是一种特殊的设计结构,其参数和任务结构在模块内是相互依赖的,而在模块之间是相互独立的。
4. 设计规则的定义:
每个模块的分解及设计必须遵守某种共同的设计规则,以保证这些模块能够和谐地组合成一个完整的复杂的新系统,以实现“整体大于部分之和”的目的。这类共同的设计规则就是产业标准。
设计规则包含了如下内容:
1)设计架构:即系统的各部分模块的特性,它们扮演什么角色。
2)界面:即描述不同模块之间如何相互作用,包括它们之间如何匹配、连接、传递信息等。
3)集成协议及测试标准:即设计者安装系统的方法,并决定系统如何运行、某一特定模块是否符合设计规则。
5. 模块化系统的优点:
模块通过组合和搭配,在某一特定条件下可以实现系统高价值的 配置。系统设计者不必确切地知道模块内部是怎样设计的,只需要大致地知道模块会做什么,模块是如何装配的,以及什么样的模块才具备好的性。
6. 模块化设计的两个功能:
1)模块化设计创造了选择权:
一旦设计规则以集中式的、自上而下的方式进行设定时,每个模块只要遵守共同的设计规则,模块内部的设计就以分散化的方式相互独立。这就使得每一个模块能够同时以多种方式而不是单一方式进行设计,然后从中选择好的设计构成终的产品系统。整个系统的改进可以通过各个独立模块的改进或用更好的模块替代,这种改进的方式产生了联系松散且纵向分散的“模块族群”,这些族群由统一的设计规则(产业标准)联系起来。
模块化设计创造了选择权,只要符合设计规则的产品都可以被系统接纳。模块化设计促进了市场竞争,使得行业可以形成良性发展的业态。
2)模块化设计可以演进:
通过分割,模块可以被进一步细分;通过替代,它们可以得到改进;通过扩展,新的模块可以被创造出来;通过排除,新的系统可以被试验;通过归纳,多余的活动可以被合并为单一模块;通过移植,系统可以借助共同的模块联系在一起。通过模块的上述行为,就可以设计和实施新的产品系统,模块化设计使得产品不断地产生迭代。
7. 块化的作用:
1)模块化提高了复杂性的“可控”范围。通过限制模块之间交互作用的范围,模块化可以减少设计或生产过程中发生循环的次数,缩小发生循环的范围,从而缩短设计和生产的时间。
2)模块化使大型项目的不同部分可以同时进行设计。模块化任务结构中的独立模块可以同时进行设计,这就是并行工程。并行工程所节省下来的时间和上述循环中节约的时间加在一起,将节约非常可观的时间成本。
3)模块化可以包容不确定性。模块化设计的一个独特特点是它将设计参数分为可见参数和隐藏参数两类。隐藏参数对其它模块来说是独立的,隐藏参数可以改变。如果后来出现新知识,从而使模块的设计获得更好的解决方案,就可以直接将新方案纳入,而不用改变系统的其它部分。
8. 模块化与工业化:
通过工业化的手段,模块化可以获取生产的规模和范围优势。同种类型的模块化可以支持“大规模定制”,从而能够以大规模生产的成本来实现更高水平的多样化。因此,建筑行业可以通过模块化的分解建立建筑工业化技术体系和管理体系,同时,通过模块化的组合实现建造过程的工业化。
六. 建筑工业化的主要特征:
7. 可控性和可测试性:
这是产品化的重要标志,即产品在生产和装配的每一个阶段,其品质都是可控和可测试的,这样才能保证终产品的品质。因此,如何用工业产品的检测方法,控制建筑部品在生产和装配的各阶段的品质,是建筑工业化亟待解决的难题。
七. 关于BIM:
BIM是英文Building InformationModeling的缩写,其中Modeling是“模拟和建模”的意思,因此BIM的含义应该是建筑的模拟和建模的过程。但是国内却翻译成“建筑信息模型”,仅强调了模型,而失去了模拟和建模的意思(引自《给建筑师的人工智能导读》何宛余著)。正是“失之毫厘、谬之千里”!
BIM应该翻译成“建筑信息化模拟”才对!
BIM的作用不是二维设计做完后建一个三维的模型糊弄完事,而是在项目初期就组织全产业链以并行的方式,一体化地共同参与设计。BIM是并行工程的三维工作平台和工具,以BIM为工具,采用并行工程的工作模式,是实现建筑工业化的有效途径。
八. 并行工程:

并行工程是对产品及其相关过程(包括生产过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从项目初始就考虑到产品全生命周期中的所有因素,包括质量、成本、进度和用户需求。
九. 新型建筑工业化: