公元前 8—6 世纪的古希腊建筑物大多数是用木材或泥砖或黏土造成的。大约在 600年,木材柱子经历了称为石化的材料变革,所有的柱子都采用了石材,并预先制造。古希腊建筑的结构属梁柱体系,早期的主要建筑都使用石材(图 1.1)。限于材料性能,石材梁的跨度一般为 4~5 m,最大不超过 7~8 m。石材柱以鼓状砌块垒叠而成,砌块之间由榫卯或金属销连接,墙体也用石材砌块垒成。
图 1.1 古希腊建筑物
工业革命时期,随着科学技术的进步,现代建筑材料和建筑工程技术的发展,城市规模急剧扩大,大批农村人口向城市集中,城市住宅短缺问题严重。强大的住宅需求,极大地刺激了建筑行业的发展。
1851 年,第一次工业革命在英国结出丰硕成果,大英帝国处于鼎盛时期,英国女王邀请世界各国参加大英帝国举办的第一届世界博览会。约瑟夫·帕克斯顿仰仗现代工业技术提供的经济性、精确性和快速性,第一次完全采用单元部件的连续生产方式,通过装配式结构的手法建造大型空间,设计和建造了伦敦世界博览会会场水晶宫(图 1.2)。建造工期为 6个月,其建筑规模为 9 万m 2 ,长 563 m、宽 124 m、最大跨度 22 m、最高顶棚高 33 m。水晶宫从建造完成到拆除,均采用了预制建造工程技术。
图 1.2 第一座装配式大型公建——伦敦水晶宫
1903 年,约翰·亚历山大·布罗迪在利物浦埃尔登街建设中采用预制混凝土作为建筑材料,如图 1.3 所示。
图 1.3 1903 年约翰·亚历山大·布罗迪在利物浦埃尔登街建设中的作品(采用预制混凝土作为建筑材料)
1910 年 3 月,沃尔特·格罗皮乌斯向德国通用电气公司AEG的艾米尔·拉特诺提交了一份合理化生产住宅建筑的备忘录,直到今天,这份备忘录也被认为是对标准化住宅单元的预制、装配和分布的先决条件最为透彻的阐述。在 1910 年,格罗皮乌斯对“住宅产业化”作出明确的阐述。住宅产业化需要不断地复制生产独立的部件,需要用机器制造同一标准尺寸的部件,还可提供具有互换性的部件。
1928 年,第一届“国际现代建筑会议”(简称为“CIAM”)通过了拉萨拉兹宣言,强调建筑产业化的必要性,还认为“建筑质量的高低并不取决于工匠们的手艺,而在于要普遍地采用合理化的生产方法”,指出“建筑产业化首先应该是尺寸规格化,并采用有效的生产方法”。
第二次世界大战后,欧洲国家以及日本经过战争摧残,到处是断壁残垣,战争损坏了大量房屋。战后欧洲经济迅速发展,人口向城市集中,迫切要求解决住宅问题,房荒严重。劳动力严重不足,传统技工奇缺,加上传统的建筑施工方法效率低,不能满足当时所面临的房屋增长的迫切需要。此时,装配式建筑体现出强大的优势,也在这个时期得到了大力发展。在这个时期,也涌现出了很多杰出的建筑大师,如法国的现代建筑大师勒·柯布西耶曾经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》奠定了工业化住宅、居住机器等最前沿建筑理论的基础。
虽然欧洲国家饱受战火摧残,但是其工业基础好,战后恢复和发展都非常迅速,充裕的水泥、钢材和施工机械等物资,为建筑工业化的推行提供了更为有利的条件,形成了如英国的莱茵建筑体系、瑞典的哥腾堡公寓建筑体系、法国的卡缪大板住宅建筑、苏联的盒子结构建筑等装配式建筑体系(图 1.4)。
图 1.4 欧洲时期的装配式建筑施工现场
20 世纪 70 年代后,世界各个发达国家都大力发展建筑业,其中装配式建筑也得到了快速发展。
英国政府积极引导装配式建筑发展。明确提出英国建筑生产领域需要通过新产品开发、集约化组织、工业化生产来实现“成本降低 10%,时间缩短 10%,缺陷率降低 20%,事故发生率降低 20%,劳动生产率提高 10%,最终实现产值利润率提高 10%”的具体目标。同时,政府出台了一系列鼓励政策和措施,大力推行绿色节能建筑,以对建筑品质、性能的严格要求,促进建筑行业向新型建造模式转变。英国政府主管部门与行业协会等紧密合作,完善技术体系和标准体系,促进装配式建筑项目实践。根据装配式建筑行业的专业技能要求,建立专业水平和技能的认定体系,推进全产业链人才队伍的形成。英国除了关注开发、设计、生产与施工,还注重扶持材料供应和物流等全产业链的发展。
德国的装配式住宅主要采取叠合板、混凝土、剪力墙结构体系,耐久性好。德国是世界上建筑能耗降低幅度最快的国家,2011 年更是提出发展零能耗的被动式建筑。从建筑的大幅度节能到被动式建筑,德国均采用装配式建筑来实现,装配式住宅与节能标准之间相互融合。第二次世界大战后,新建别墅等建筑基本为全装配式钢(木)结构。强大的预制装配式建筑产业链,建筑、结构、水暖电协作配套,先进的机械设备和高效的物流,加上高校、研究机构和企业的技术支持,促进了德国装配式建筑的高速发展。
法国是世界上推行装配式建筑最早的国家之一。法国的装配式建筑以装配式混凝土结构为主,钢结构和木结构为辅。法国的装配式住宅建筑大多采用框架或板柱体系,采用焊接、螺栓连接等干法作业,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。
加拿大装配式建筑,从 20 世纪 20 年代开始探索预制混凝土构件的开发和应用,到 20世纪六、七十年代该技术得到大面积推广应用。目前,装配式建筑主要应用于居住建筑,以及学校、医院、办公大楼等公共建筑,还有停车库、单层工业厂房等建筑。在工程实践中,由于大量应用大型预应力预制混凝土构件拼装技术且构件通用性高,使装配式建筑更能充分发挥其优越性。大城市建筑多为装配式混凝土结构和装配式钢结构,小镇建筑多为装配式钢结构或钢-木结构。
新加坡的住宅建筑建造方法多采用装配式建筑技术,其住宅政策及装配式住宅发展理念更是促进了装配式建筑技术的推广。其 15 层到 30 层的单元化的装配式住宅,占全国总住宅数量的 80%以上。新加坡 80%的住宅由政府建造,以标准化设计为核心、构件工业化生产和快速装配之间的配套融合,经过 20 年快速建设,住宅建筑装配率达到 70%,大部分为塔式或板式混凝土高层建筑。
第二次世界大战后,日本大量民众流离失所,为了给民众提供更多的住处,日本开始探索高效率建造住宅,其建筑工业化由此开始。1974 年,日本建立了优秀构件质量鉴定和评定体系,对住宅构件的外观、安全性、耐久性、价格等方面进行综合评定,合格构件标注“BL构件”,并规定构件经过鉴定后才能在市场上使用。
1950 年到 1973 年是发展初期,战后日本为给流离失所的人们提供住房,开始探索以工业化的生产方式,低成本、高效率地建造住宅,建立统一模数标准,使现场施工操作简单化,满足国民的基本住房需求,住宅类型从追求低价型发展为规格量产型。
1973 年到 1985 年是提升时期,日本住宅采用装配式建筑技术,从满足基本住房需求阶段进入功能提升阶段,重点发展楼梯、整体厨房卫生间、室内整体全装修以及采暖体系、通风体系等工业化生产。到 20 世纪 80 年代中期,满足日本住宅的装配率已增至 15%~20%。
1985 年至今是成熟时期,随着居民对提高建筑品质的要求,从 20 世纪 90 年代初,日本开始完全摒弃了传统手工建造方式,全面推广装配式建造方式。除建筑主体结构采用装配式建造外,可在内装方面发展出成熟的产品体系,形成主体工业化与内装工业化相协调的完善体系,住宅建筑向高附加值、资源循环利用的方向发展。
日本在推进规模化和产业化结构调整进程中,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。日本政府通过立法来确保预制混凝土结构的质量,坚持技术创新,制定一系列住宅建设工业化的方针、政策,建立统一的模数标准,解决了标准化、大批量生产和住宅多样化之间的矛盾。通过政府强有力的干预和支持,大力推动了住宅产业的发展。
美国装配式住宅盛行于 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,同年出台了一系列严格的行业规范标准,一直沿用至今。装配式住宅除了注重质量,更加注重美观、舒适性及个性化。美国工业化住宅协会统计,2001 年,美国的装配式住宅已达到 1 000 万套,占美国住宅总量的 7%。在美国,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,而小城镇多以轻钢结构、木结构住宅体系为主。美国工业化住宅的构件和部品,其标准化、系列化、专业化、商品化、社会化程度均很高,几乎达到100%。用户可通过产品目录买到所需的产品。建材产品和部品部件种类齐全,产品结构性能好,通用性强,也易于机械化生产。
我国装配式建筑的发展始于 20 世纪 50 年代,基本完成第一个五年计划(1953—1957年)后,建立了建筑工业化的初步基础,开始大规模的基础设施建设。1956 年,国务院发布了《关于加强和发展建筑工业的决定》,首次提出了建筑工业化的发展方向。1959 年,我国引入了苏联装配式混凝土建筑技术,自此出现了装配式建筑发展的第一次高潮(图 1.5、图1.6)。
图 1.5 我国最早的装配式混凝土高层住宅-北京前三门大街高层住宅(1973 年建成)
图 1.6 1973 年正在建造中的装配式混凝土壁板住宅(天坛小区,1973 年)
到了 20 世纪 70 年代,我国初步创立了装配式建筑技术体系,如大板住宅体系、大模板住宅体系、框架轻板住宅体系。
1978 年改革开放后,我国出现了一轮装配式建筑发展热潮,快速建立标准化体系,截至1983 年共编制了 924 册建筑通用标准图集,并建设了一批大板建筑、砌块建筑(图 1.7)。以北京为例,这一时期建成的装配式住宅约 1 000 万m 2 。但这股热潮持续时间不长。到 20 世纪 80 年代末期,随着廉价劳动力涌入城市,商品混凝土的兴起,以及装配式住宅抗震问题、保温防水问题等凸显,混凝土现浇建筑逐步取代了问题较多的装配式建筑,装配式建筑的发展陷入停滞期。具有代表性的北京市住宅壁板厂(图 1.8)于 1991 年 2 月撤销建制,各地的预制构件厂相继停产或转产,主要产品转为道路、桥梁、地铁等市政构件。
图 1.7 我国首个 18 层全装配式大板住宅楼(1988 年建成)
图 1.8 北京市住宅壁板厂(1983 年)
亚洲最大的装配式住宅工厂(平均年产量 15.5 万m 2 )
1992 年,我国建筑技术发展研究中心在对全世界建筑工业化进行比较研究后,向建设部提出了“住宅产业及发展构想”的报告,首次提出了“住宅产业”的概念。1996 年,建设部颁布了《住宅产业现代化试点工作大纲》和《住宅产业现代化试点技术发展要点》两个试点文件后,明确提出了“推行住宅产业现代化,即用现代科学技术加速改造传统的住宅产业”,“住宅产业”的概念在我国逐步形成共识。1999 年,国务院办公厅发布了《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》,住宅产业现代化(简称“住宅产业化”)成为之后一段时期内我国促进住宅产业健康发展的代表性表述。随着产业现代化的影响从住宅领域逐步扩大到其他建筑领域,“住宅产业现代化”又逐步演变为“建筑产业现代化”(简称“建筑产业化”)。住宅产业化的侧重点是全产业链、全系统的组织和全寿命周期的发展进程,是基于产业链上的各参与主体、全过程、各环节的资源整合和优化,表征为社会化大生产、社会化分工和合作。
我国装配式建筑一般以建筑结构材料分为装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑和装配式木结构建筑三个体系。目前,我国装配式建筑应用最多的是装配式混凝土结构,其次是钢结构,木结构应用较少。
我国发展装配式建筑是由住宅产业现代化逐步演变而来的,而且保障性住房项目是各级政府推动我国装配式建筑发展的重要手段,我国装配式建筑的发展主要集中在住宅领域,同时也向公共建筑等领域扩展。
2009 年,上海、深圳等地也发布了“装配整体式结构体系”的标准或规范[《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》(SJG18—2009)、《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》(DG/ T J08-2071—2010)]。2011 年,《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提出要在“十二五”期间建设 3 600 万套保障性住房。在此背景下,国家出台了一系列推进装配式建筑发展的政策文件,住建部推动并认定了一批国家住宅产业现代化综合试点(示范)城市和国家住宅产业基地,一些地方政府也出台了“面积奖励”“成本列支”“资金引导”等有利政策,我国的装配式建筑市场开始快速发展,装配式建筑结构体系也初步完善。
2013 年 1 月 1 日,国务院办公厅转发了国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部《绿色建筑行动方案》(国办发〔2013〕1 号),其中提出了:“要加快建立促进建筑工业化的设计、施工、部品生产等环节的标准体系,推动结构件、部品、部件的标准化,丰富标准件的种类,提高通用性和可置换性。推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构建筑等建筑体系,加快发展建设工程的预制和装配技术,提高建筑工业化技术集成水平。”
2015 年 12 月 20 日,中央城市工作会议中提出了推广装配式建筑,之后《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》和《关于大力发展装配式建筑的指导意见》等文件发布,装配式建筑成为推动我国建筑业发展的重要抓手。装配式建筑更加具象化,更易于宣传,但目前我国装配式建筑的内涵和外延意义与住宅产业现代化(建筑产业现代化)基本相同。
2016 年 9 月 30 日,国务院办公厅颁布了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71 号),文件中强调大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑,在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑。国家发展改革委和住房城乡建设部联合发布《关于印发城市适应气候变化行动方案的通知》(发改气候〔2016〕245 号)积极地在地震多发地区推广钢结构和木结构建筑,并鼓励政府投资的学校、幼托、敬老院、园林景观等新建低层公共建筑采用木结构。
2021 年,中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》中指出:大力发展装配式建筑,重点推动钢结构装配式住宅建设,不断提升构件标准化水平,推动形成完整产业链,推动智能建造和建筑工业化协同发展。
2022 年,住房和城乡建设部、国家发展改革委联合印发《城乡建设领域碳达峰实施方案》,明确 2030 年前城乡建设领域碳排放达到峰值。方案中提出:大力发展装配式建筑,推广钢结构住宅,到 2030 年装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到 40%。就智能建造、绿色建筑、光伏建筑一体化、绿色低碳农房等提出相关要求。