制造业生产模式的演变与住宅装配化

2.2.2　制造业生产模式的演变与住宅装配化

1989年在国际建筑研究与文献委员会（CIB）第11届年会上，以装配化住宅为代表的工业化建筑的发展被列为当前世界建筑技术的八大发展趋势之一。事实上，住宅装配化技术有着悠久的历史，我国传统木结构建筑是历史上最早运用装配化概念的建筑体系之一。木结构大木作中，木材框架结构是通过许多木制构件，如柱，粱、坊等拼装而成，构件可以拆卸，从一个地方搬到另一个地方。粱思成先生曾在《凝动的音乐》一书描述金人攻占北宋汴梁，把宫殿拆卸运到燕京（今天的北京）重新装配的历史。这种标准构件生产和装配式施工，同今天经常提到的“工厂加工，现场装配”有许多相似之处。

（1）装配化建筑模式的演变。从世界范围划分，现代意义上的预制装配化建筑大体经历了三个发展阶段，由于世界经济格局的非均衡性，我国各时期所处的发展阶段与发达国家有所区别。

第一阶段：装配化建筑的萌芽与初步运用阶段（十九世纪初至第二次世界大战之前）。1851年伦敦万国博览会会场的水晶宫（长563米，宽124米，最大跨度22米，最高顶棚高度33米）是19世纪前半期的铸铁和装配技术总检阅之一。这幢历史性的建筑物不单是显示钢结构技术的突破，更主要的是装配建筑的经济性和快速性。设计者约瑟夫·帕科斯顿（Paxton）提出完全利用单元部件的连续生产方式，通过装配式结构的手法来显示工业化建筑的突出特点。水晶宫总建筑面积约9万平米只用6个月就建成，其所采用的标准化网格式平面布置，全面彻底的单元部件的划分，简单明确的连接细部构造是装配化思想的巨大成就。

图2-8　住宅装配体系分解

（资料来源：开彦，钢结构住宅体系建筑发展研究我见[J]，住区，2001（1）:16）

第二阶段：装配化建筑的大规模发展和运用阶段（第二次世界大战后至二十世纪八十年代），其主要代表是预制钢筋混凝土装配式结构。工业化建筑以战后的重建工作为契机，大量的需求和缺乏的劳动力为装配化建筑提供了施展的空间，结构部件的工厂化预制盛行（图2-8）。1954年，前苏联生产了310万立方米的预制混凝土结构部件，而在1960年这个数量已经上升为3 200万立方米，1965年为4 400万立方米，其中25%为预应力混凝土，直至1970年，其总的钢筋混凝土产量为128 000万立方米，其中预制构件超过6 400万立方米。这一时期，装配化的构件以装配式大板体系为代表（图2-9），形制统一，生产与施工速度快，这对于当时以满足人民的基本生活需要为目的的生产方式无疑是比较适合的^[4]。此外比较成熟的还有框架轻板住宅体系。框架轻板住宅就其结构体系分，有梁板柱结构与板柱结构两种（图2-10）。它们以框架受力，内外墙采用不承重的轻质板材悬挂或支撑在结构框架或楼板上，轻板仅起围护和分隔作用。由于能充分发挥各种材料性能，建筑密度每平方米400～600千克，仅及混合结构住宅的1/2～1/3，减少了材料用量，节省了大量运输，并有利于抗震，而且薄墙板可以增加使用面积。因为墙板不承重使建筑布局灵活，能满足套型多样化的需要，但框架柱凸出于室内，对家具布置有一定的影响，工程造价上也较高（表2-2）。

图2-9　大板住宅示意图（1——楼板，2——外墙板，3——内墙板，4——山墙板）

（资料来源：朱昌廉，住宅建筑设计原理[M]，中国建筑工业出版社，1999.235）

图2-10　二种框架结构体系（a）板柱体系（b）梁板柱体系

（资料来源：朱昌廉，住宅建筑设计原理[M]，中国建筑工业出版社，1999.235）

表2-2　装配式住宅基本特征

第三阶段：二十世纪八十年代至今。大批量生产模式表现为效率加质量的竞争。一方面，装配化建筑的规模效益使社会受益匪浅，另一方面，人们也认识到装配化建筑存在许多自身难以克服的缺点，随着生活水平的提高，住房短缺已经不是社会矛盾的焦点所在，市场的多变性和产品品种、过程的多样性对千篇一律的混凝土方盒子提出了挑战。此时，人们对建筑提出了更新、更高的要求，除了完善的功能之外，人们渴望丰富多彩的造型和美观的外表。

装配式建筑也可根据工厂化程度可以分为三个发展过程。第一个过程——局部采用预制构件，如少量小型的构件，如楼板、门窗过梁、楼梯、平台等，而大量的主要分部分项工程还是在现场完成。按照预制构件价值占全部材料和制品价值的比例，一般不超过20%～30%。第二个过程——住宅大部分采用预制装配构件，如梁、板、柱、桩、大墙板、屋面板等均在工厂预制，这一过程预制构件价值占全部材料和制品价值的比例，一般达到50%～70%。第三个过程——住宅几乎全部采用预制装配构件，这是装配式建筑发展的高级阶段，住宅的全部基础以上的构件都在工厂预制，还可以生产某些建筑结构单元，甚至整个住宅。构配件工厂化程度在很大程度上反映了建筑工业化的水平，住宅建筑工业化是指第三个发展过程，第二个过程仅可称为住宅建筑的半工业化阶段。

（2）制造业的启示——信息技术带来的影响。住宅产业化所必需的技术支持体系必须实现设计标准化、生产工业化、施工装配化、管理规范化的社会大生产。比较装配化住宅从设计、生产、施工、管理各方面的特点，不难看出，装配化住宅与住宅产业化要求一脉相承。把制造业的思想引入建筑业，改变传统的建筑方式将是实现这一目标的突破口，而信息技术与传统建筑技术相结合，形成了先进建造技术，将会为建筑业注入了新的活力，带来了产业的巨大飞跃。

半个世纪以来，特别是近三十年来，信息革命已经渗透至各个经济部门，迅速改变着传统产业和整个经济的面貌。计算机和通信技术的迅猛发展极大地拓展了制造业的广度和深度，产生了一批新的制造哲理和制造技术，使制造业发生着质的飞跃。制造业进程，一般可将其划分为以下四个阶段：

a.功能自动化阶段。20世纪70年代电子技术和计算机技术的发展为生产领域的自动控制提供了可能，使得以计算机为辅助工具的制造自动化技术成为可行，由此出现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、物料管理计划（MRP）等自动化系统。

b.信息集成阶段。20世纪80年代针对设计、加工和管理中存在的自动化孤岛问题，实现制造信息的共享和交换，采用计算机采集、传递、加工处理信息，形成了一系列信息集成系统，如CAD/CAPP/CAM、CAD/MRPⅡ、CAPP/ MRPⅡ、CIMS。

c.过程优化阶段。20世纪90年代信息和通信技术在知识经济发展过程中处于中心地位，企业意识到除了信息集成这一技术外，还需要对生产过程进行优化。如用并行工程（CE）方法，在产品设计时考虑下游工作中的可制造性、可装配性等，重组设计过程，提高产品开发能力；用企业经营过程重构（BPR），将企业结构调整成适应全球制造的新模式。

d.敏捷化阶段。1995年以后，以Internet为代表的国际互联网，正以极快的速度在发展。Internet 在改变信息传递方式的同时也改变着企业组织管理方式，使以满足全球化市场用户需求为核心的快速响应制造活动成为可能，敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）等新的制造模式应运而生（图2-11）。

从制造业信息化进程可看出，随着信息技术、计算机技术的迅速发展，从知识到应用之间的间隔越来越短，未来的制造业在某种意义上将成为一种信息产业，信息将成为制造业的决定因素，用信息技术促进未来制造的改造已成为时代潮流。独占性技术决定了产品的价值和价格；联合和竞争两位一体，管理创新对制造业发展的作用日益突出。制造技术继续围绕信息化、集成化和绿色化方向发展。

图2-11　基于INTERNET的敏捷化制造系统结构图

（资料来源：蒋新松，张申生.敏捷竞争的挑战和思考［J］.计算机集成制造系统—CIMS，1996，2（2）：3—9）

（3）装配建筑与制造业的结合。由于制造业思想的引进，使住宅产业化成为可能，住宅建造过程发生了本质的变化（图2-12）。十九世纪初，制造业成为一个重要的产业，其主要生产模式是“少品种单件小批生产”。20世纪20年代，在惠特尼（E.Whitney）提出的“互换性”和“大批大量生产”，埃文斯（Oliver Evons）把传送带引入制造系统和泰勒（F.Taylor）的“科学管理”支撑下，与当时的电气化、标准化与系列化结合，福特（Henry Ford）开创了机械自动流水线生产，出现了“少品种大批量生产”的模式，这种新的生产模式及其技术支持带给制造业一场重大变革，它推动了工业化的进程和经济高速发展，为社会提供了大量的经济产品，促进了市场经济的发展。生产线大大提高了生产效率，从而降低了产品成本，到20世纪50年代，大量生产方式达到了顶峰。

为了建立适合建筑产业化发展的基本原理，1960年丹麦的建筑部门和政府各方开始合作，制定政策，这个政策现在称为丹麦的开放型系统方法。丹麦开放型系统方法的基本观点就是工厂制造，为那些可以组合到各种独立建筑项目里的建筑部件创造一个开放的市场。依照这个基本政策方针，政府的任务是为发展建立框架，而建筑业自身则要进行必要的技术创新。政府承担的任务包括确定全国统一建筑规范，为第一个五年的发展确定一个长期计划，要求所有接受资助的住宅依照一套模块化原理和标准来规划，并保证采用模块化尺寸制造建筑部件。作为合作努力的成果，丹麦建筑产业的能力不到10年就翻了三番。

图2-12　标准构件组装成的空间

（资料来源：肖毅强，临时性建筑的概念发展分析[J]，建筑学报，2002，7:59）

日本是世界上率先在工厂中生产住宅的国家，并第一次将住宅作为一个完整的产品推出。基于缺少劳动力的激励，日本的住宅产业战略是变建筑过程为制造过程。不管是日本政府还是社团，都参与了先进的建筑制造和科技创新^[5]，许多日本的住宅是梁柱结构或木骨架墙，在工厂里建造楼层模块后再运到现场组装和竖立。20世纪80年代中后期，同济大学从日本积水公司（Sekisui House Co.）引进了两栋全装配式的小住宅。这是一种钢混结构的体系。其骨架由薄壁空心方钢或槽钢组成，外墙为轻质预制墙板，内墙为纸面石膏板和保温矿棉。而且能根据用户的需要，通过构件不同的组合方式而产生不同的平面和造型。整个建筑施工除基础部分需预先浇捣之外，其余部件均一次装配成型。在进行室内装修之前，整个住宅的装配过程仅需一周时间。另外，日本几个新型住宅建筑创新都利用了制造业的产品技术，如采用切割、轧制和焊接一体化的精密机械来加工住宅外部的承重钢骨架和保温板，把智能厨房连接到和屋顶材料成为一体的电池太阳能板上，在阳光充足的日子里能提供足够的动力满足一个平常家庭的需要。

建筑公司结合政府的支持和执行强制研究，使得日本处于建筑技术和开发的最前沿，尤其是机器人技术和计算机控制系统，日本开发出楼层自动打磨机、加固制作机器、上油漆机器人、焊接机器人、无人驾驶铲车、巨大的塔吊等机器人技术，以应对熟练工人短缺的问题。日本开发的高层建筑装配方法也相当先进，其目的是把预制部件组装工作从现场转移到工厂，以取代各自分开的自动化单项任务。程序上需要建造一个工作平台作为建筑物的顶楼部分。由于楼层是在下面完成的，所以要一层一层的顶起工作平台。除了能遮风避雨外，这个自动化平台还结合应用计算机控制的起重机、自动焊接机器人、激光测量装置、计算机集成建筑概念，采用这种方法建造一20层的建筑，一般节省30%的人工。

（4）制造业的改进与所发生的本质的变化。建筑业和制造业同样是国民经济的基础产业，其发达程度体现了一个国家的科学技术和社会生产力发展水平。从十八世纪英国爆发工业革命开始，制造业走出手工作坊阶段，迅速发展壮大，逐渐成为世界各国国民经济中的主导产业。特别是二十世纪五十年代，大批大量生产模式的确立使制造业达到了一个前所未有的巅峰时期。但是近十几年，随着世界经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，市场环境发生了巨大的变化，消费者需求日趋主体化、个性化和多样化，制造厂商面对一个变化迅速且无法预测的买方市场，传统的大批量的生产模式不再适应新的市场形势的需要。大规模的装配部件生产是以损失产品的多样性为代价的。从20世纪50年代开始，人们对“少品种大批量生产方式”的优缺点有了进一步的认识。大批量生产模式产品的竞争表现为效率加质量的竞争。一方面，大批量生产方式的规模效益使企业受益匪浅。另一方面，人们也认识到刚性自动流水线存在许多自身难以克服的缺点，市场的多变性和产品品种、过程的多样性对刚性生产线提出了挑战。解决这对矛盾的出路只能是进行制造生产模式的转换。

生产管理模式和相应的技术进步是推动社会进步的两个方面。在市场需求推动下，生产模式的变革必须以相应的技术进步为支持。在近30年，信息技术对制造业所起的作用越来越大，产品由“大量生产”过渡到“中小批量生产”，但当由“中小批量生产”过渡到性能价格比优良的单件小批生产时，会有一种新的生产模式和全方位的信息技术的支持。从20世纪80年代后期开始，美、日、加、澳等国及西欧各国都先后提出新模式的制造战略和研究开发计划。1990年，日、美、加、澳等国及西欧各国联合进行10年期的智能制造系统（IMS）的研究与开发；1992年德、美提出精益生产（Lean Production）；1994年德国人提出改变工业组织结构的分形公司（Fractal Company）。在丰田汽车公司高冈装配厂，6种不同的车型，从Corolla小型汽车到专为年轻人设计的最新Scion XB型号，都是出自于同一条生产线，每个型号都有6种颜色，车门由头顶上的传送带传输到地面，工人们把不同颜色的车门安装在对应颜色的汽车上。这意味着高冈工人20小时就能制造一辆汽车，更重要的是，丰田其他一些公司甚至可以在一条生产线上生产8种不同的车型，带动了生产率的巨大飞跃，也引起了市场的巨大反响。因此，总裁张富士夫称之为“速度带来的威胁”。

生产模式的变革出发点是基于对市场发展和未来产品以及自身状况的分析。一方面，随着生活水准的不断提高，人们对产品的需求和评价标准将从质量、功能的角度转为最大客户满意、资源保护、污染控制等，产品市场总的发展趋势将从当今的标准化和大批量到未来的多元化和个人化；另一方面，存在一个普遍而重要的问题，即商务环境变化的速度超过了企业跟踪、调整的能力。因此，制造业开始提出敏捷制造思想以变应变。敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人），以有效和协调的方式响应用户需求，敏捷性意指企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应变的能力，它是企业在市场中生存和领先能力的综合表现。实现制造的敏捷性依赖于各种现代技术和方法。

（5）装配化住宅发展方向前瞻。装配化住宅的发展方向是结合整个住宅产业现代化的趋势而发展。从长远来说，建立集设计、生产、销售、服务为一体的综合性房产企业是装配化住宅走产业化道路的方向。我国国情决定我们目前还不具备住宅全部采用制造的方法进行生产的能力。在现实条件下，由住宅体系入手，以轻钢住宅的结构体系和墙板体系为突破口，在现有的轻钢轻板住宅中尽量多地采用装配化构件，通过借鉴国外先进经验的基础上，在较短的时间内取得阶段性成果，并以最终形成一套我国的装配化体系为目标，这是一条比较切合实际并具有可实施性的发展策略。

装配式住宅的发展促进了建筑领域生产方式的巨大变革。整个建筑行业随着计算机在国民经济各个部门广泛而深入的运用、各种新材料、新构造、新技术的出现而飞跃，建筑行业应该完全由能力面对这种需求的变化。装配式住宅可以采用不同的结构形式，如钢木混凝土结构，但在可持续发展和对环境保护重视的条件下，轻钢结构的显示出优越性，而且住宅建设迅速发展也要求我国尽快发展轻钢轻板住宅，以实现住宅的高质量，零缺陷，快速度，高效益，同时最好地实现可持续发展。如果说从前是由于技术难题以及人们的认识阻挠了住宅产业化的发展，那么今天的新形势则要求在发展中解决技术难题，力图去满足住宅多变性、灵活性的问题，以全力促进装配式住宅的推广。

因此笔者认为，对装配化住宅特点和发展趋势应有以下基本认识：

a.由于制造业思想的引进，装配化使住宅建造过程发生了本质的变化。工业化、标准化、集成化和信息化是装配式住宅建设的基本特征。

b.装配式住宅的成本始终是人们极为关注的问题，但其成本是一个系统的概念，应综合考虑生产规模，生命周期费用（使用阶段费用），建造时间节约，浪费减少，质量保证一系列有利因素。

c.装配化本身不意味着住宅产业化，在这一系统化的建造过程中，还包含着大量的新型板材和其他相关材料的使用，施工方式本身仅仅是装配式住宅中的一个组成部分，围绕着这个部分所开展的一系列部件的组装和全新的供应链管理。

d.国内外建筑生产领域关心着同样的问题，即努力提高建筑产品质量、功能与效益，以人为本，保护环境，实现可持续发展。建筑生产方式正在进行着一场革命，随着轻钢轻板住宅建设规模的逐渐扩大，信息技术将会成为这项运动成功的关键因素。