裝配式建筑剩余壽命分析研究

徐海峰

(廣東天元建筑設計有限公司)

0 引言

住建部行業調查報告顯示，中國是世界上建筑體量最龐大的國家，但是全國平均建筑壽命僅為30 年。相比之下，瑞士、美國等歐美發達國家建筑壽命在70～90年，而英國建筑更是長達132 年，百年建筑比比皆是[1]。這顯然與我國《民用建筑設計統一標準》規定[2]的建筑設計使用年限相去甚遠。

2012 年，中國與日本合作提出“百年住宅”的理念，意在解決日益嚴峻的短命建筑問題。百年住宅依托SI住宅體系構建，是指支撐體S（Skeleton）與填充體I（Infill）完全分離的住宅建造體系，其核心是空間可變性與標準產業化，以適應全生命周期建筑使用功能，從而達到建筑長壽化的目的[3]。

裝配式建筑（Prefabricated Construction），是建筑工業化與現代化的結晶產物，兼具高度標準產業化，有效實現建筑空間可變性的特點，同時亦是綠色低碳化的重要載體，是實現“雙碳”目標的重要方式。

歐陽建濤[4]在《中國城市住宅壽命周期研究》中對影響城市住宅的壽命進行分析，并建立了壽命預測模型的計算方法。戴永琪[5]等基于概率分析方法，對影響鋼筋混凝土結構建筑的剩余壽命的因素進行總結，并提出其剩余壽命預測模型。國外學者Pearce[6]對影響既有建筑壽命的因素分析，提出符合社會可持續發展觀才能延長建筑的壽命。

綜上所述，建筑壽命與壽命預測模型的研究在國內外雖有進展，但研究的關注點主要集中在現澆混凝土建筑，對于裝配式建筑的壽命分析研究目前尚有不足。因此本文圍繞裝配式建筑，分析影響裝配式建筑壽命的因素，基于概率可靠度建立裝配式建筑剩余壽命預測模型，為裝配式壽命研究提供理論分析支持。

1 裝配式建筑壽命與影響因素

1.1 裝配式建筑壽命

自然壽命，建筑在規定的時間內，在正常使用與維護下具有足夠的可靠度，完成預定設計功能的壽命。我國《民用建筑設計統一標準》以及《建筑結構可靠度設計統一標準》[7]明確指出：在正常使用下需具備安全性和適用性；在正常維護下需具備耐久性。

功能壽命，是指建筑按既定設計意圖達到使用者的預定功能需求的目的，是建筑持續性能的呈現。當建筑由于種種因素導致不能滿足使用者的預定功能需求時，也就意味著建筑的功能壽命結束。

社會壽命，作為建筑壽命的延伸，建筑的存在因人與社會的發展而發生改變，城市的規劃、國家的政策都會決定建筑的社會壽命，反映建筑的可持續發展的效應。

1.2 影響裝配式建筑壽命因素

1.2.1建造質量對裝配式建筑壽命影響

建造質量包括設計階段的合理性與施工階段的質量安全性，對裝配式建筑的自然壽命有著決定性的影響。建筑行業由于兼具知識集約型與勞動密集型的雙重屬性，導致了從設計、施工、運維管理全周期是一個交融復雜的過程。設計的合理性與前瞻性，決定了建筑與環境的協調性，結構安全可靠性，建筑維修與保養的難易性。施工技術措施的先進性與管理組織可靠性，決定了建筑完成質量的好壞，抵抗不利因素耐久性能的高低。

1.2.2功能適用性對裝配式建筑壽命影響

功能適用性是以使用者需求為核心，建筑功能價值的時效體現，對裝配式建筑的功能壽命有著重要影響作用。功能適用性主要體現在建筑空間布局靈活多變性、通風采光舒適度、保溫環保造型等特定功能需求，功能適用性及其形式是一個不斷演變的過程，其演化的過程就是建筑不斷適應時代的變化，適應使用者更替的使用訴求[8]。當建筑缺乏空間靈活多變的可能，跟不上時代需求的步伐，不符合個性化居住需求，其功能壽命將嚴重縮減。

1.2.3城市規劃與社會政策對裝配式建筑壽命影響

由于發展所需而遺留的歷史原因，我國的城市規劃平均周期為20年左右[9]，城市發展在整體上缺乏長遠規劃的考慮，高頻的拆改重建對建筑的社會壽命產生毀滅性打擊。建筑作為國民經濟重要支柱，同時也是資源能耗高消耗型產業，因此社會發展政策與建筑的社會壽命自然息息相關。建筑的社會屬性，決定了其壽命要符合可持續發展的社會需求，滿足國家政策對其物資文化價值調控的重要載體作用。

1.3 百年建筑理念下裝配式建筑壽命特點

1.3.1 集成產業化

裝配式建筑以標準化設計為核心，配合BIM 信息化管理，實現工廠數字化生產的全產業鏈全生命周期集成產業化。技術分散向集成化的轉變，是建筑工業化的必然結果，能有效地降低甚至解決施工過程中技術偶然誤差或人為失誤誤差所導致的參差不齊的質量問題，最大限度地保障建筑的產品質量與工作性能。在BIM 數字化平臺下，裝配式高精度的生產模式將一改過往粗制濫造的現場作業模式所帶來的開裂滲漏等固有難題。

1.3.2 空間靈活多變性

裝配式建筑采用大空間、靈活可變空間，力求實現戶內無梁無柱，為實現百年建筑，延長建筑壽命提供了可能性。大空間體系是建筑功能多變，適應時代的變化，契合使用者需求的前提條件。百年建筑的核心是靈活的戶內空間布置，以滿足跨年代的家庭全生命周期居住需求，可按生活變化改造的永久性居住建筑。建筑功能適用性的顯著增強，意味著裝配式建筑的功能壽命將得到有效延長。

1.3.3 可維修保養的運維模式

裝配式建造體系將建筑主體分割為四大系統：建筑結構系統、外圍護系統、設備與管線系統以及內裝系統。與百年建筑依托的SI 體系有異曲同工之妙，由于設備與內裝系統更新周期為10～30 年，而主體結構可長達100 年，各系統獨立后更利于部品部件的集成化，降低了建筑后期保養與維護的難度，讓主體結構免于二次維修時非必要的損傷，增強了功能適用性的同時也提供了結構耐久性。

1.3.4 綠色低碳化

當下我國“碳中和、碳達峰”的雙碳目標任重道遠，綠色低碳的可持續發展理念，正是百年建筑的時代需求，而裝配式建筑就是其最好的踐行載體。低碳排放量，干作業生產模式，節約資源降低廢品率，構件工業化運維更替回收方式，決定了裝配式建筑將會是未來我國建筑業新的中堅力量。

2 裝配式建筑壽命修正模型

2.1 建筑壽命預測方法

經驗對比分析法，根據實驗室或現場大量的試驗結果為基礎，結合經驗系數以及理論推導模型，對既有建筑作半定量的剩余壽命預測。其理論的核心是，建筑在相似的工作環境下有相近的工作狀態，使用壽命亦相接近。該方法較為簡單可操作性強，但對于額外的影響因素顯得考慮不周，無法準確反映建筑的真實剩余壽命。

概率可靠度分析法[10]，其核心內容是將建筑物的作用效應S 和自身抗力R 作為隨機變量,采用概率論與數理統計方法,創建建筑可靠性功能函數Z,測算建筑的失效機率,使可靠性度指數與建筑物剩余壽命建立關系,以作為評價建筑物剩余使用壽命的基礎。這種方法基于數理統計的概率分析，綜合了影響建筑壽命的各種因素，能夠較為合理準確地預測建筑剩余壽命。

2.2 裝配式建筑剩余壽命修正模型

裝配式建筑壽命是在傳統建筑壽命理論基礎上，考慮裝配式建筑獨有的“百年建筑”特點對其壽命的影響，并對壽命模型進行修正。由于建筑剩余壽命受各種環境條件和材料本身性能的影響，考慮到建筑結構在一般大氣工作環境下的正常維護以及簡化理論推導工作量而不考慮其較大的維修和加固因素。基于此前提條件，在前蘇聯的剩余壽命評估公式基礎上考慮裝配式建筑影響因子，裝配式建筑剩余壽命修正模型如下：

⑴確定建筑自然終結壽命Lr

根據《民用建筑可靠度鑒定標準》以及前蘇聯壽命評估理論[11]，建筑自然終結壽命Lr如下所示：

式中：

Lr——建筑自然終結壽命；

S——房屋損壞系數；

Nk——建筑自然損耗值；

λ——建筑折舊率。

根據研究顯示[12]，當建筑物的自然損耗值達到70%～75%，即認為建筑已喪失其使用價值，因此本文建筑自然損耗值Nk取0.7。

表1 房屋折舊率

建筑的損壞系數S由建筑各主要構件損傷參數Di確定，損傷系數與關鍵構件類型，對建筑結構是重要作用以及構件損壞程度直接相關，為簡化計算，建筑損壞系數S與各構件損傷參數Di之間的關系可用下式表示：

S= 0.5D1+ 0.3D2+ 0.2D3

⑵確定裝配式建筑影響系數P

國際標準化組織在ISO15686 條文中給出了壽命預估的“因子方法”( Factor Method)[13]。本文采用因子法與過時權重法，通過3 個影響因子構建裝配式建筑影響系數P，其表達式如下所示：

式中：

P——裝配式建筑影響系數；

A——工業化影響因子；

B——空間靈活性影響因子；

表2 構件損傷參數評定等級

C——維護水平影響因子。

影響因子含義解釋與取值詳見下表。

①工業化影響因子A由建筑裝配率、信息化水平兩部分組成，通過權重賦值法建立量化評估方式，取值如表3：

表3 工業化指標

②空間靈活性影響因子B 由內墻預制率、節點靈活性兩部分組成，通過權重賦值法建立量化評估方式，取值如表4：

表4 空間靈活性指標

③維護水平影響因子C 由支配從屬關系、系統可達性兩部分組成，通過權重賦值法建立量化評估方式，取值如表5：

表5 維護水平指標

2.3 工程實例應用

本文以某裝配式住宅建筑為例，建筑物按照70 年設計周期，于2014 年竣工。整體裝配率為55%，內墻預制率為92%，采用BIM和智能化技術，節點采用開放性線連接多重平行組裝的施工順序，通過對各主要構件現場檢測確定建筑損壞系數S為0.281。

由上述條件，通過計算可得：建筑折舊率0.01，由上式得Lr= 59.9 年；裝配式影響系數由上式可得P= 1.18，由此可得此裝配式住宅的剩余使用壽命Ls= 70.7 年。此預估結果與建筑的設計使用年限相吻合，由于裝配式建筑特有的“百年住宅”屬性，其壽命更加接近百年住宅的實際使用壽命。

3 延長裝配式建筑壽命措施

⑴以百年建筑理念為核心，采用靈活可變空間布局，提高裝配式建筑的功能適用性。一般性的空間改造，通過內部隔墻的重新排布，對原有空間重新分割，以滿足使用者不同時代背景下的功能需求。創造性功能改造，對于公共建筑可利用原有建筑結構主體，通過改變建筑的使用性質，發掘建筑的剩余價值[14]。

⑵推進SI 體系在裝配式建筑領域的使用，增強建筑的可維修可保養性。裝配式概念不應僅停留在主體構件上，管線分離技術、內隔墻一體化技術以及外墻非砌筑技術，不僅能優化管道布置減少主體結構二次損傷，而且提高了構件維修可操作性，降低了后期運維難度。

4 結論

本文通過我國短命建筑的現實，研究分析了影響裝配式建筑壽命的主要因素，并基于概率可靠度與因子分析法，提出了裝配式建筑剩余壽命的修正模型。根據百年建筑的核心理念，提出延長裝配式建筑壽命的建議措施。本文模型仍需更多項目數據驗證及修正，以給裝配式建筑壽命研究領域提供更多理論支持。