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作者： Yanhui Sun 1, Jun Wang 2, Jeremy Wu 1, Weixiang Shi 1, Dazhi Ji 1, Xiangyu Wang 3,4, andXianzhong Zhao 3, 1 School of Design and Built Environment, Curtin University, Perth, WA 6102, Australia; 2 School of Architecture and Built Environment, Deakin University, Melbourne, VIC 3220, Australia; 3College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China 4 Australasian Joint Research Centre for Building Information Modelling, Curtin University, Perth,WA 6102, Australia 摘要：
非現(xiàn)場施工由于其優(yōu)點，如提高質(zhì)量控制，減少熟練工人，更快的施工時間，減少材料浪費和安全的工作環(huán)境，越來越多的人使用非現(xiàn)場施工。作為最先進的場外建筑，模塊化建筑已被用于住宅建筑、學(xué)生宿舍和酒店項目。然而，由于現(xiàn)有的和潛在的限制，模塊化建筑的采用仍然相對較少。為了揭示阻礙高層模塊化建筑發(fā)展的因素，我們進行了全面的文獻綜述和焦點小組研究。對所有利益相關(guān)者進行問卷調(diào)查以量化約束。根據(jù)一個實際案例研究進一步檢驗了結(jié)果。本文體現(xiàn)利益相關(guān)者之間缺乏協(xié)調(diào)和溝通,成本高,缺乏政府的支持,缺乏經(jīng)驗和專業(yè)知識,缺乏建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),可憐的供應(yīng)鏈集成和連接的復(fù)雜性是壁壘遏制模塊化建筑的吸收。研究結(jié)果將為采用模塊化建筑的利益相關(guān)者提供有價值的參考，同時降低模塊化建筑中的風(fēng)險。未來的研究預(yù)計將開發(fā)建筑信息建模和設(shè)計的制造和裝配，以緩解這些現(xiàn)有的限制，并提高模塊化結(jié)構(gòu)的性能。
為了彌補住房供應(yīng)能力和快速城市化帶來的住房需求激增之間的差距，建筑行業(yè)一直在尋求創(chuàng)新材料和技術(shù)，以更少的施工時間提供更高質(zhì)量的住房。在這種背景下，非現(xiàn)場施工在提供高質(zhì)量、高生產(chǎn)率、高安全性和高效率的住房方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著工業(yè)化的發(fā)展，包括英國、美國、日本、瑞典、德國、澳大利亞、新加坡、馬來西亞、中國大陸和香港在內(nèi)的許多國家和地區(qū)的建筑業(yè)都開始接受非現(xiàn)場施工。Gibb將現(xiàn)場外施工分為四類，分別為組件制造和子組裝、非體積預(yù)裝、體積預(yù)裝和模塊化建筑。隨著完整性程度的提高，更多的構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，形成非體積和體積(三維)模塊。模塊化建筑達(dá)到了預(yù)制的最高水平，被認(rèn)為是重塑建筑業(yè)的最先進技術(shù)。模塊化建筑努力在非現(xiàn)場制造工廠生產(chǎn)最多的預(yù)制模塊，同時盡量減少現(xiàn)場施工活動。在從國內(nèi)或海外工廠運輸?shù)浇M裝模塊的施工現(xiàn)場之前，已在已完成的地板、墻壁、天花板、機柜以及機電和管道(MEP)服務(wù)中安裝了體積預(yù)組裝模塊。近幾十年來，模塊化建筑已在公共和私營部門實施，為重復(fù)單元組成的建筑提供了合格的解決方案，如住宅建筑、酒店、學(xué)生宿舍和醫(yī)院病房。之前的工作和項目證明了模塊化建筑的優(yōu)勢，包括減少施工時間、減少材料浪費、提高質(zhì)量、減少勞動力需求和安全的工作環(huán)境?？紤]到模塊化建筑的巨大潛在潛力，該行業(yè)與學(xué)術(shù)界合作，努力提出各種解決方案，包括建筑信息建模(BIM)和制造與裝配設(shè)計(DfMA)，以促進模塊化建筑的應(yīng)用。但是，與傳統(tǒng)建筑相比，模塊化建筑的應(yīng)用仍然相對較低，尤其是高層建筑。例如，澳大利亞的非現(xiàn)場施工僅占建筑業(yè)總產(chǎn)出的3%，其中大多數(shù)采用的是預(yù)制構(gòu)件和鑲板墻。模塊化建筑最受歡迎的是模塊化住宅和低層建筑，相比之下，高層模塊化建筑正以緩慢的發(fā)展步伐出現(xiàn)。
在全面查閱文獻后，我們初步列出了模塊化施工中的約束條件。然后是焦點小組研究，以細(xì)化關(guān)鍵約束。Morgan和Rabiee認(rèn)為，焦點小組研究是一種有效的方法，可以在有限的時間內(nèi)觀察大量的交互，并將相關(guān)數(shù)據(jù)添加到主題中。在這項研究中，一項面對面的焦點小組研究招募了12名專家，包括兩名來自科學(xué)院、三名開發(fā)人員、兩名設(shè)計師、兩名制造商、兩名承包商和一名運輸人員。所有受訪者都至少有5年的模塊化建設(shè)實踐經(jīng)驗和相關(guān)研究經(jīng)歷(表2)。作者記錄了訪談的整個過程。利用NVivo系統(tǒng)編碼和數(shù)據(jù)檢索技術(shù)對錄音進行轉(zhuǎn)錄和分析。12位受訪者回顧并討論了這24個約束條件，他們認(rèn)為這些約束條件可以描述模塊化構(gòu)造中的一般問題。專家結(jié)合實踐經(jīng)驗指出，模塊化建筑在多個階段中出現(xiàn)了一些關(guān)鍵制約因素，如缺乏協(xié)調(diào)和溝通，阻礙了模塊化建筑的廣泛應(yīng)用，亟待解決。除了24個制約因素外，專家補充了3個因素，即供應(yīng)鏈整合不佳、天氣干擾和缺乏相關(guān)應(yīng)用和技術(shù)支持。與傳統(tǒng)建筑相比，模塊化建筑高度依賴于供應(yīng)鏈的可靠性和可持續(xù)性，供應(yīng)鏈包括采購、設(shè)計、制造、運輸和組裝。然而，模塊化建筑現(xiàn)有的經(jīng)濟規(guī)模和市場規(guī)模限制了供應(yīng)鏈的整合，這導(dǎo)致了一系列問題，如預(yù)制模塊的交付延遲，已制造部件的返工。此外，受訪者一致認(rèn)為，模塊化建筑的開發(fā)需要相關(guān)的應(yīng)用和技術(shù)支持。為了解決這個問題，專家們分享了在模塊化施工中使用建筑信息模型(BIM)的經(jīng)驗，并討論了應(yīng)用更先進技術(shù)的潛力。在此情況下，總結(jié)出最終阻礙模塊化建筑發(fā)展的制約因素列表，這是后續(xù)問卷調(diào)查的核心內(nèi)容(表3)。
本案例探討了一個實際的模塊化建筑項目，它是位于澳大利亞珀斯的世界上最大的高層模塊化酒店，提供252間客房。這個宜必思風(fēng)格的酒店打破了高層模塊化酒店的記錄，以回應(yīng)蓬勃發(fā)展的酒店需求。整個鋼模塊安裝在現(xiàn)澆混凝土地下室和裙房板上，擁抱模塊化建設(shè)的上升趨勢(圖2)。為了適應(yīng)酒店的多元化運營，設(shè)計師表示，設(shè)計團隊移交了幾種類型的模塊，以創(chuàng)建不同的功能區(qū)域，包括休息室、餐廳和酒吧、會議室、商業(yè)角落和健身房，同時避免了設(shè)計靈活性帶來的額外制造成本。此外，受訪者還強調(diào)了C9在利益相關(guān)者之間缺乏協(xié)調(diào)和溝通的不利影響。設(shè)計團隊在加強開發(fā)商的要求方面發(fā)揮了聯(lián)絡(luò)作用，并為在中國生產(chǎn)預(yù)制模塊的制造商提出可行的設(shè)計方案。此外，由于缺乏建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)(C10)，模塊化建筑設(shè)計比傳統(tǒng)建筑設(shè)計花費了更多的精力和時間。這個項目的整個設(shè)計過程歷時三個多月，設(shè)計師說從制造業(yè)的角度來看，考慮到供應(yīng)商和制造商在當(dāng)?shù)氐牟荒芰?C15)和熟練勞動力成本高(C17)， 160個單元模塊和11個屋頂模塊在中國工廠生產(chǎn)。制造商提出了這種創(chuàng)新和獨特的模塊，即預(yù)制、預(yù)完成的體積模塊(PPVM)，其中包括室內(nèi)裝飾、浴室、家具和MEP服務(wù)完全安裝(圖3)。這個案例研究最引人注目的部分是fa?ade和幕墻系統(tǒng)也安裝在模塊上，這一突破性的創(chuàng)新極大地節(jié)省了施工時間和成本。受訪者稱，包括在車間的檢查和修改，總生產(chǎn)時間約為5個月。當(dāng)被問及為什么選擇海外制造而不是國內(nèi)供應(yīng)鏈時，該開發(fā)商回答說，材料和勞動力價格上漲導(dǎo)致當(dāng)?shù)刂圃焐毯凸?yīng)商的競爭力下降。你幾乎可以忘記海外供應(yīng)鏈額外的運輸費用(C6)，包括運費和卸貨費，因為糟糕的供應(yīng)鏈整合(C25)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的潛在風(fēng)險，如建設(shè)延誤完成的模塊分兩次發(fā)貨到當(dāng)?shù)馗劭?，然后從集裝箱船上卸下所有模塊大約需要一個月的時間(圖4)。考慮到施工地點位于珀斯CBD(中央商務(wù)區(qū))，模塊被放置在一個臨時站，并在派遣到建筑現(xiàn)場之前再次檢查。在這個項目中，盡管預(yù)制模塊安裝了fa?ade、幕墻和淋浴屏，但在運輸過程中，由于復(fù)雜的保護，只有3個模塊發(fā)生了輕微的損壞。
由于停車場和卸貨區(qū)域有限，PPVM是按照J(rèn)IT (just-in-time, JIT)交貨方式運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的，這相對依賴于及時的溝通和協(xié)調(diào)。一位受訪者解釋說，該模塊的典型尺寸約為3.5米、3.2米、12.2米(寬、高、長)裝載在標(biāo)準(zhǔn)平板拖車上。由于主要道路的通行限制，該拖車已申請超限運輸許可證，只在工作日運送。因此，在早期規(guī)劃設(shè)計階段，了解當(dāng)?shù)亟煌ǚㄒ?guī)要求，規(guī)劃交通路線，對于模塊化建設(shè)具有重要意義。然而，到目前為止，很少有應(yīng)用程序和工具能夠規(guī)劃一個有效和高效的遷移對于依賴于模塊垂直提升和連接安裝的高效組件(圖5)的模塊化建筑來說，坍落的施工周期是一個關(guān)鍵的吸引力。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，充足的設(shè)備和經(jīng)驗豐富的施工團隊在組件組裝中起到了關(guān)鍵作用。在該項目中，使用了2臺起升能力為24噸的塔式起重機對全部171個模塊進行垂直起升?？紤]到C22連接的復(fù)雜性，每天大約安裝10個模塊。不過承建商指出，強風(fēng)及大雨影響吊車作業(yè)，延誤安裝工程。整個安裝過程用了不到5個月的時間，大大縮短了傳統(tǒng)建筑的施工時間
問卷調(diào)查和案例研究的結(jié)果表明了阻礙高層模塊化建筑應(yīng)用的主要制約因素。通過對眾多不同職位的受訪者的訪談，我們發(fā)現(xiàn)在建設(shè)的各個階段，制約因素是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的。很多受訪者提到，潛在的設(shè)計問題直接或間接地會對下游生產(chǎn)、運輸和裝配過程產(chǎn)生有害影響。一個更好的模塊化設(shè)計對模塊化建設(shè)的各個階段都是有益的。受訪者也提供了具體的改善措施，如利用BIM技術(shù)提出多樣化的模塊化設(shè)計，并簡化復(fù)雜的連接工作。以下部分將探討B(tài)IM和DfMA的潛力，以釋放這些已識別的約束
本文對模塊化建筑的現(xiàn)狀進行了詳盡的描述，重點是高層模塊化建筑。通過全面的文獻綜述和與經(jīng)驗豐富的專家進行的焦點小組研究，我們確定了在模塊化建筑的整個生命周期中共有27個約束條件。最終通過問卷調(diào)查的方式，將阻礙高層模塊化建筑發(fā)展和進步的制約因素清單交給大量具有足夠經(jīng)驗和知識的模塊化建筑學(xué)術(shù)研究人員和參與者，對這些因素進行排序。各利益相關(guān)方之間缺乏協(xié)調(diào)和溝通、成本較高、缺乏政府支持、缺乏經(jīng)驗和專業(yè)知識、缺乏建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、供應(yīng)鏈整合不佳以及連接的復(fù)雜性被認(rèn)為是最主要的挑戰(zhàn)。為了探討高層模塊化建筑的現(xiàn)實環(huán)境，本研究采用了實證案例研究和深度訪談相結(jié)合的方法。通過調(diào)研和案例研究發(fā)現(xiàn)，模塊化設(shè)計的改進是高層模塊化建筑發(fā)展的關(guān)鍵。根據(jù)約束條件討論了采用BIM和DfMA優(yōu)化模塊化設(shè)計的潛在解決方案。該調(diào)查由多項調(diào)查組成，揭示了阻礙高層模塊化建筑發(fā)展的現(xiàn)有制約因素，同時為模塊化建筑的利益相關(guān)者提供了有價值的參考。本文從模塊化設(shè)計的角度，提出了采用BIM和DfMA來釋放相對約束的潛在解決方案。未來的研究可以著眼于建立一個體現(xiàn)DfMA概念的指導(dǎo)方針，同時幫助模塊化建筑設(shè)計的工作流程。同時，開發(fā)一個基于bim的規(guī)則檢查系統(tǒng)可以為模塊化設(shè)計提供支持。如果您認(rèn)為本文有幫助或啟發(fā)， 請點擊下方“喜歡作者”， 您的評論和轉(zhuǎn)發(fā)是對我最大的支持！ 贊賞金額隨意
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