裝配式建筑工業化率計算方法研究*

張 宏 羅 申 黑賞罡 葉紅雨 伍雁華 張軍軍

0 引言

為進一步推動裝配式建筑可持續發展，住房和城鄉建設部發布了《裝配式建筑評價標準》（GB/T51129-2017，簡稱“國標”），其中裝配率作為裝配式建筑評價體系中的重要指標，成為了各級政府制定裝配式建筑相關政策的主要依據[1-3]。在我國現階段裝配式工業化建造建筑與工程結構體系研究背景下，目前大量相關研究和實踐集中于裝配式建筑評價標準體系的裝配率分析比較和工程實踐應用研究方面[4-6]。在具體工程應用中可以看出，由于評價標準不同，裝配率和預制率的計算方法和結果均存在差異，加之行業內傳統建筑裝配式思維多把推進建筑工業化進程等同于提高構件工廠預制裝配率，簡單以裝配率或預制率作為建筑工業化程度的評價指標欠缺系統性，目前評價標準中仍然缺乏相對客觀、可衡量建筑建造全過程工業化程度的有效量化指標[7-10]。綜上，本文基于《2014版江蘇省建筑與裝飾工程計價定額》，提出了權重系數法建筑工業化率計算模型，并對裝配式混凝土四大工程（鋼筋工程、混凝土工程、模板工程和支撐架工程）人工耗費進行綜合分析，確定了三種不同建造方式的四大工程權重系數，最后以南京市某地下整體裝配式現澆混凝土地下工程為例，驗證了工業化率計算模型。該量化指標作為預制裝配率指標的補充和前置條件，有利于系統評估建筑工業化整體水平，促進裝配式建筑工業化建造技術應用的可持續發展。

1 相關研究綜述

1.1 《裝配式建筑評價標準》裝配率指標研究應用簡介

目前國內大力推動新型建筑工業化和裝配式建筑，自2016年9月27日國務院辦公廳發布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》（國辦發〔2016〕71號）文件后，各地陸續出臺了裝配式建筑指導意見和相關配套措施。部分地區對裝配率的計算規則做了深化，如廣東省地方標準增加了標準化設計鼓勵項、綠色與信息化應用鼓勵項、施工與管理鼓勵項。從適用范圍和評價指標角度看，國標適用于民用建筑，并將裝配式建筑分成A、AA、AAA三種級別；北京標準適用于民用建筑和工業建筑，以裝配率和預制率為評價指標；珠海標準則適用于所有建筑，以裝配率數值進行評價。各標準對于裝配率和預制率都有不同程度的最低要求。對比分析國內各個地區出臺的地方性的裝配率計算相關文件可知，條款細節雖略有不同，但均以國標為藍本，根據地方產業鏈發展特點，因地制宜的進行補充完善[11-13]。國標中利用公式（1）來計算裝配率。

其中：P—裝配率；

Q1—主體結構指標實際的分值；

Q2—圍護墻和內隔墻指標實際的分值；

Q3—裝修和設備管線指標實際的分值；

Q4—評價項中缺少的評價項分值綜合；

Q1、Q2、Q3均采用內插法進行計算，均為各個構件的應用比例通過內插法進行計算。

對比分析研究表明，首先，國標裝配率計算基本原則是以預制構件的應用比例為基礎，并通過權重法根據建筑各個工程的工作量占比得出裝配率指標。也就是說，預制構件的應用比例越高，裝配率越高。盡管這種計算方法能夠直觀的表示裝配式建筑的整體預制構件應用水平，并通過指標要求確保預制構件的批量應用效應，但是從建筑工業化角度來考慮，這種方式也有著明顯的不足，即對于計算指標不高的新型建造模式或者裝配式施工工藝的推廣來說顯然是沒有市場吸引力的。其次，裝配式建筑的預制構件應用比例目前已經很高，但是國內工廠的生產方式和施工建造組織方式仍比較落后，現場施工時將預制構件按照傳統手工模式進行支模、后澆等現場施工工作，完全沒有發揮出裝配式建筑在建造方面的優勢。這種實施方式對于裝配率的數值是一種提升，但本質上卻沒有做到以機械作業代替人工工作的效果，甚至在整個建造過程中耗費了更多的人工，對于建筑的整體工業化水平沒有實質提升。因此更需要建筑工業化率作為系統評價指標對目前新型工業化施工模式和裝配式技術進行工業化程度的綜合評價，并從提升建筑建造全過程工業化水平出發，配合預制裝配率的指標控制方法，促進裝配式建筑整體工業化水平的提升。

1.2 裝配式建筑評價指標的應用分析研究

黃澤等以3棟裝配式建筑項目為例，對國標和廣東省標兩個標準的評價細則、評分方法以及分值比例等進行了裝配率計算對比分析，結果表明，省標計算裝配率值高于按國標，且僅僅追求滿足裝配率而造成的單一化裝配方案不利于裝配式建筑的可持續發展[14]。鐘春玲等對裝配式建筑評價指標的應用情況進行了詳細探討，研究表明，同一案例按不同評價標準計算裝配率不同，其主要影響因素在主體結構、非承重墻、集成廚房和衛生間等部分[15]。趙為民等以上海市某裝配整體式剪力墻結構為例，對國標和上海地標兩個標準的評價條目設置、權重賦值、計算方法進行了對比分析，研究表明，由于國家標準中水平構件分值較大，導致國家標準計算裝配率遠大于上海市計算細則結果[16]。宗德新等研究表明，新加坡政府于2000年推出了“易建設計規范”（Code of Practice on Building Design），該評分系統將構件預制裝配率轉換為勞動力節約指數，也就是勞動生產率，而非單純強調構件預制化[17]。Yang分析了裝配式建筑工業化效率評價的影響因素，并運用模糊綜合評判法對案例進行評價，以期促進裝配式建筑行業發展[18]。王俊等研究表明，我國建筑工業化發展常常局限于裝配式混凝土結構，在一些地區以為發展建筑工業化就是發展裝配式混凝土結構，就是提高工廠預制構件裝配率[9]。張宏等研究表明，國內預制構件工廠的生產方式仍比較落后，許多預制構件工廠甚至并不具備工業化生產條件，用手工生產模式進行預制構件生產，大量的現場作業量從現場轉移到工廠[7]。這種裝配式建筑實施方式能夠提高裝配率，但本質上卻沒有做到以機械生產作業代替人工的效果，甚至在整個建造過程中耗費了更多的人工，對于建筑的整體工業化水平沒有實質提升。肖緒文、丁桂麗等建議擴充裝配式建筑評價指標體系，如增加預制率、構件數量比例等。此外，建立造價成本與工業化程度之間的協同評估機制，鼓勵裝配式建筑技術和體系的創新,建立綜合全面的裝配式建筑全周期評價體系[19-20]。馬昕煦等基于“六化”策略的現澆混凝土結構建筑工業化創新建造模式研究表明，采用成型鋼筋骨架自動化生產與裝配技術（鋼筋裝配化），能夠實現鋼筋數控加工，焊接成型或機械綁扎，現場整體裝配，替代傳統手工綁扎鋼筋的施工模式，可實現節約材料20%—30%，降低勞動強度25%，縮短鋼筋工程施工工期25%[21]。工業化通常被定義為工業或第二產業產值在國民生產總值中比重不斷上升的過程，工業化率的提升是工業化發展的顯著特征之一，是傳統農業社會向現代工業社會轉變過程的重要指標[22]。李忠富、陳宏偉等指出，建筑工業化并不等同于目前在裝配式建筑領域所廣泛應用的預制率、預制裝配率等預制構件應用比例，其反應的是更廣泛和更本質的工業化水平，衡量標準是機器生產代替人工生產的比重[23-24]。不難看出，建筑工業化建造是一種節能環保的建筑設計和施工組織方式，建筑生產工作本身具備一定的復雜性，其生產工作種類繁多、生產位置也不相同，在任何階段通過先進方式將建筑生產過程中的人力工作由機械代替的措施、技術和方法都能夠提升工業化率水平。因此，預制鋼筋骨架、整體式模板和工具式腳手架均屬于提高建筑工業化率的范疇。

綜上所述，“預制率”和“裝配率”是否能真實反映PC結構體系工業化程度，目前仍缺少詳細、系統、全面和令人信服的分析研究。建筑工業化程度的評價需要系統性思考，需要綜合考慮混凝土工程、鋼筋工程、支撐腳手架工程和模板工程這四大工程的機械自動化生產替代人工比例。本文從裝配式建筑工業化自身特點出發，基于裝配式混凝土四大工程人工耗費進行綜合分析，建立了建筑工業化率計算模型，提出了現澆整體式建造模式，同時為江蘇省裝配式建筑乃至其他省份地區出臺裝配式評價標準提供參考。

2 建筑工業化率計算模型

建筑工業化在建筑建造過程的本質就是裝備機械化生產代替人工勞動，工業化率的計算意義在于衡量建造過程中機械工作代替人工工作的比例大小，因此對于機械生產工作量和人工工作工作量在實際建造過程中的消耗是工業化率計算的關鍵。其中，混凝土商品化是指采用如混凝土超高（高層建筑）超低（地下工程）泵送技術、超大超厚底板混凝土施工技術、超長無縫混凝土施工技術、大型混凝土溜管施工技術、清水混凝土機械施工技術等，即保證商品化混凝土在施工現場的工業化應用。支撐腳手架工具化是指通過標準架模板塊配合非標準架模板塊之間的拼裝，形成可快速安裝、拆卸的工具式架模體系。設計時還通過模板設計軟件，對架模板塊的配置進行標準化設計，提高模板配置效率。這種工具式架模體系可重復利用、快速周轉，并可縮短工期、節省成本、提高施工質量、降低勞動強度。基于“鋼筋混凝土四大工程”特點，利用綜合加權系數法建立工業化率計算模型如公式（2）：

其中：P1—混凝土裝備化率：成套大型機械裝備進行供配（生產、轉運、泵送、澆筑和養護）的預制混凝土構件體積與所有混凝土體積的比值；

P2—鋼筋成品化率：運用成品鋼筋構件的混凝土構件體積與所有混凝土體積的比值；

P3—模板標準化率：標準化高精度模板應用面積與全部模板應用面積的比值；

P4—支撐腳手架工具化率：應用非扣件式支架的構件水平投影面積與全部構件總水平投影面積的比值；

β1,2,3,4—綜合權重系數：對應混凝土工程、鋼筋工程、模板工程和支撐工程，四大工程的權重系數，根據《江蘇省建筑與裝飾工程計價定額 》計算公式（3）確定。

由于各個項目地點和類型不同，在目前建筑建造過程中，對于其中的“人、機、料”缺少可靠的預測和統計方式，只能在竣工結算時對項目的人工花費和機械花費進行精準統計。這種統計方式固然精準，但對于項目設計階段進行工業化率計算并沒有太多的指導意義。為了從方案階段開始較為準確的工業化率計算，需要具有普遍適用性的人工工作量和機械工作量統計數據作為支撐，定額是根據某地區工程經驗總結的最為接近真實造價的預估數據，因此本文以《江蘇省建筑與裝飾工程計價定額（2014版）》及后續各個年度宣貫材料中人工工作量對比作為依據來計算綜合權重系數β。

Wi—人工工日：《江蘇省建筑與裝飾工程計價定額》中四大工程相應的人工工日定額；

Qi—人工單價：人工單價，單位：元/天。

3 案例研究

本文以南京市某地下工程（圖1）為例，進行建筑工業化率計算研究。該工程是一座四層的地下人防工程，創新性地應用了裝配式組合鋼筋技術系統進行建造，圖2為該技術系統8.4 m×5.4 m標準單元航拍圖。該鋼筋混凝土工程可分為鋼筋工程、模板工程、支撐腳手架工程和混凝土工程，四大工程協同完成鋼筋混凝土構件的成型、定位、連接和結構受力。其中鋼筋工程主要是指鋼筋的成型、定位與連接成整體式裝配式組合鋼筋籠的工程?；炷凉こ淌侵干唐坊炷恋臋C械化澆筑成型工程。模板工程和支撐腳手工程主要是輔助鋼筋混凝土結構的整體成型和承受施工荷載的功能。本項目根據“鋼筋混凝土四大工程”建筑工業化率綜合優化原理，結合工程實際條件和施工技術現狀，采用了裝配式組合鋼筋技術系統的新型建筑工業化建造模式，即將鋼筋在工廠預制成為組合裝配式鋼筋籠，現場依據三級裝配原理，配合高精度標準化模板和工具式支撐技術，采用商品混凝土技術進行現場整體澆筑成型鋼筋混凝土結構。

圖1 南京某地下工程建造實拍圖Fig.1 construction site of an underground project in Nanjing

圖2 裝配式組合鋼筋技術示范單元和現場裝配實拍圖Fig.2 demonstration unit and on-site assembly diagram of prefabricated composite steel system

3.1 混凝土四大工程的人工耗費構成分析

以《江蘇省建筑與裝飾工程計價定額 》（2014版）為計算依據，以本項目裝配式組合鋼筋技術系統8.4 m×5.4 m標準柱網為例計算人工費。其中人工費=標準工時×人工單價，鋼筋混凝土工程中的工人均為二類工人，人工單價按照82元/天進行計算。鋼筋混凝土工程中四大工程的不同建造方式人工費用如表1-4所示。

表1 鋼筋工程人工費用對比Tab.1 comparison of the labor cost of reinforcement work

對于傳統手工模式建造、裝配式建造和新型工業化建造這三種建造方式的四大工程人工費各有不同，傳統手工模式四大工程全部現場建造，預制裝配式建造混凝土工程和鋼筋工程均為工廠預制，新型工業化建造鋼筋工程工廠預制、混凝土工程采用現場澆筑。本項目對標準柱跨單元人工費用進行估算并與其他建造模式進行對比分析如下表（表5）所示，鋼筋混凝土四大工程每單位工程量合計總值對比可知，新型建筑工業化建造模式人工成本最優。預制裝配式建造模式人工成本略高于傳統手工模式，但兩種建造模式選擇需要綜合機械、材料等因素對項目總預算進行綜合比較分析，在此不作贅述。

表2 混凝土工程人工費用對比Tab.2 comparison of the labor cost of concrete work

表3 模板工程人工費用對比Tab.3 comparison of the labor cost of formwork

表4 支撐工程人工費用對比Tab.4 comparison of the labor cost of scaffolding work

3.2 綜合權重系數β計算

將表5數據代入公式（3）中可知，傳統手工建造中，鋼筋工程、混凝土工程、模板工程和支撐腳手架工程的人工費用占比分別為31%：19%：34%：16%（圖3）；預制裝配式建造中四大工程的人工費用占比分別為28%：50%：13%：9%（圖4）；新型工業化建造方式四大工程人工費用占比分別為40%：25%：15%：9%（圖5）。

圖3 傳統手工建造模式四大工程人工費用占比圖Fig.3 the proportion of labor cost of four major projects in traditional manual construction mode

圖4 預制裝配式建造四大工程人工費用占比圖Fig.4 the proportion of labor cost of four major projects in prefabricated assembly mode

圖5 新型建筑工業化建造模式四大工程人工費用占比圖Fig.5 the proportion of labor cost of four major projects in new type industrialization mode

表5 三種建造方式人工費用對比Tab.5 comparison of the labor cost of three construction modes

3.3 工業化率計算

綜上所述，本項目主體結構部分的綜合權重系數β以及機械化率P1,P2,P3，P4取值詳見表6。代入公式（2）計算可得本項目主體結構部分工業化率為30.97%。若本項目采用傳統手工模式建造和預制裝配式建造，可重新根據不同建造方式的權重系數β重新計算工業化率。

表6 新型工業化建造方式工業化率計算系數Tab.6 calculation coefficient of industrialization rate of new industrial construction mode

4 結論與討論

4.1 結論

本文從國標裝配率的計算方法和應用研究出發，綜述研究表明，該評價指標其盡管能直觀表示裝配式建筑整體預制構件應用比例，確保預制構件的批量應用效應，但是從建筑工業化角度來考慮，這種指標不能準確表示以機械作業代替人工工作的程度和效果，且對于新型建造模式或者施工工藝的推廣來說不夠包容，在實際工程應用中存在不足。本研究提出了權重系數法建筑工業化率指標定義，初步建立了系統的工業化率計算方法，并基于《2014版江蘇省建筑與裝飾工程計價定額》對裝配式混凝土四大工程（鋼筋工程、混凝土工程、模板工程和支撐腳手架工程）人工耗費進行綜合分析，確定了不同建造方式的四大工程權重系數，最后以南京市某地下整體裝配式現澆鋼筋混凝土工程為例，驗證了工業化率計算模型。主要結論如下。

第一，本項采用的裝配式組合鋼筋新型工業化建造方式的工業化率約為31%，可以顯著減少建造過程中的人工花費，相對傳統手工建造模式和裝配式建造模式其工業化水平均有所提升。

第二，確定了不同建造方式的四大工程權重系數β取值，方便該指標計算方法在其他工程中的應用。傳統手工建造鋼筋工程、混凝土工程、模板工程和支撐架工程的權重系數β（0.31，0.19，0.34，0.16）；預制裝配式建造模式權重系數β（0.28，0.5，0.13，0.9）；新型工業化建造方式權重系數β（0.4，0.25，0.15，0.09）。

第三，該量化指標作為預制裝配率評價指標的補充，有利于系統評估建筑工業化整體水平，促進裝配式建筑工業化建設可持續發展。

4.2 討論

本文針對南京某地下人防案例項目進行了工業化率計算分析和研究，對于不同地區、不同類型工程的項目均可參照此種方法進行工業化率計算，當樣本足夠大時，也可劃分區域確定平均權重系數，使工業化率的計算方法具備更強的廣泛性和適用性。更重要的，我國建筑工工業化發展道路不僅僅有裝配式混凝土PC結構體系，采用新型施工技術進行機械化生產建造的現澆結構體系從理論上說同樣是一種工業化建造?，F行裝配式建筑評價體系中的各種定量指標除了約束其限值達標外，政策制定相關部門、設計單位、構件生產單位和施工單位更應該關注這些評價指標對新型裝配式建造技術的引導和激勵作用，注重指標體系在實際工程應用中的合理性、普適性與先進性呈現，從而共同提高建筑全產業鏈的工業化發展水平。