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：
非现场施工由于其优点，如提高质量控制，减少熟练工人，更快的施工时间，减少材料浪费和安全的工作环境，越来越多的人使用非现场施工。作为最先进的场外建筑，模块化建筑已被用于住宅建筑、学生宿舍和酒店项目。然而，由于现有的和潜在的限制，模块化建筑的采用仍然相对较少。为了揭示阻碍高层模块化建筑发展的因素，我们进行了全面的文献综述和焦点小组研究。对所有利益相关者进行问卷调查以量化约束。根据一个实际案例研究进一步检验了结果。本文体现利益相关者之间缺乏协调和沟通,成本高,缺乏政府的支持,缺乏经验和专业知识,缺乏建筑规范和标准,可怜的供应链集成和连接的复杂性是壁垒遏制模块化建筑的吸收。研究结果将为采用模块化建筑的利益相关者提供有价值的参考，同时降低模块化建筑中的风险。未来的研究预计将开发建筑信息建模和设计的制造和装配，以缓解这些现有的限制，并提高模块化结构的性能。
为了弥补住房供应能力和快速城市化带来的住房需求激增之间的差距，建筑行业一直在寻求创新材料和技术，以更少的施工时间提供更高质量的住房。在这种背景下，非现场施工在提供高质量、高生产率、高安全性和高效率的住房方面发挥了关键作用。随着工业化的发展，包括英国、美国、日本、瑞典、德国、澳大利亚、新加坡、马来西亚、中国大陆和香港在内的许多国家和地区的建筑业都开始接受非现场施工。Gibb将现场外施工分为四类，分别为组件制造和子组装、非体积预装、体积预装和模块化建筑。随着完整性程度的提高，更多的构件在工厂生产，形成非体积和体积(三维)模块。模块化建筑达到了预制的最高水平，被认为是重塑建筑业的最先进技术。模块化建筑努力在非现场制造工厂生产最多的预制模块，同时尽量减少现场施工活动。在从国内或海外工厂运输到组装模块的施工现场之前，已在已完成的地板、墙壁、天花板、机柜以及机电和管道(MEP)服务中安装了体积预组装模块。近几十年来，模块化建筑已在公共和私营部门实施，为重复单元组成的建筑提供了合格的解决方案，如住宅建筑、酒店、学生宿舍和医院病房。之前的工作和项目证明了模块化建筑的优势，包括减少施工时间、减少材料浪费、提高质量、减少劳动力需求和安全的工作环境。考虑到模块化建筑的巨大潜在潜力，该行业与学术界合作，努力提出各种解决方案，包括建筑信息建模(BIM)和制造与装配设计(DfMA)，以促进模块化建筑的应用。但是，与传统建筑相比，模块化建筑的应用仍然相对较低，尤其是高层建筑。例如，澳大利亚的非现场施工仅占建筑业总产出的3%，其中大多数采用的是预制构件和镶板墙。模块化建筑最受欢迎的是模块化住宅和低层建筑，相比之下，高层模块化建筑正以缓慢的发展步伐出现。
在全面查阅文献后，我们初步列出了模块化施工中的约束条件。然后是焦点小组研究，以细化关键约束。Morgan和Rabiee认为，焦点小组研究是一种有效的方法，可以在有限的时间内观察大量的交互，并将相关数据添加到主题中。在这项研究中，一项面对面的焦点小组研究招募了12名专家，包括两名来自科学院、三名开发人员、两名设计师、两名制造商、两名承包商和一名运输人员。所有受访者都至少有5年的模块化建设实践经验和相关研究经历(表2)。作者记录了访谈的整个过程。利用NVivo系统编码和数据检索技术对录音进行转录和分析。12位受访者回顾并讨论了这24个约束条件，他们认为这些约束条件可以描述模块化构造中的一般问题。专家结合实践经验指出，模块化建筑在多个阶段中出现了一些关键制约因素，如缺乏协调和沟通，阻碍了模块化建筑的广泛应用，亟待解决。除了24个制约因素外，专家补充了3个因素，即供应链整合不佳、天气干扰和缺乏相关应用和技术支持。与传统建筑相比，模块化建筑高度依赖于供应链的可靠性和可持续性，供应链包括采购、设计、制造、运输和组装。然而，模块化建筑现有的经济规模和市场规模限制了供应链的整合，这导致了一系列问题，如预制模块的交付延迟，已制造部件的返工。此外，受访者一致认为，模块化建筑的开发需要相关的应用和技术支持。为了解决这个问题，专家们分享了在模块化施工中使用建筑信息模型(BIM)的经验，并讨论了应用更先进技术的潜力。在此情况下，总结出最终阻碍模块化建筑发展的制约因素列表，这是后续问卷调查的核心内容(表3)。
本案例探讨了一个实际的模块化建筑项目，它是位于澳大利亚珀斯的世界上最大的高层模块化酒店，提供252间客房。这个宜必思风格的酒店打破了高层模块化酒店的记录，以回应蓬勃发展的酒店需求。整个钢模块安装在现浇混凝土地下室和裙房板上，拥抱模块化建设的上升趋势(图2)。为了适应酒店的多元化运营，设计师表示，设计团队移交了几种类型的模块，以创建不同的功能区域，包括休息室、餐厅和酒吧、会议室、商业角落和健身房，同时避免了设计灵活性带来的额外制造成本。此外，受访者还强调了C9在利益相关者之间缺乏协调和沟通的不利影响。设计团队在加强开发商的要求方面发挥了联络作用，并为在中国生产预制模块的制造商提出可行的设计方案。此外，由于缺乏建筑规范和标准(C10)，模块化建筑设计比传统建筑设计花费了更多的精力和时间。这个项目的整个设计过程历时三个多月，设计师说从制造业的角度来看，考虑到供应商和制造商在当地的不能力(C15)和熟练劳动力成本高(C17)， 160个单元模块和11个屋顶模块在中国工厂生产。制造商提出了这种创新和独特的模块，即预制、预完成的体积模块(PPVM)，其中包括室内装饰、浴室、家具和MEP服务完全安装(图3)。这个案例研究最引人注目的部分是façade和幕墙系统也安装在模块上，这一突破性的创新极大地节省了施工时间和成本。受访者称，包括在车间的检查和修改，总生产时间约为5个月。当被问及为什么选择海外制造而不是国内供应链时，该开发商回答说，材料和劳动力价格上涨导致当地制造商和供应商的竞争力下降。你几乎可以忘记海外供应链额外的运输费用(C6)，包括运费和卸货费，因为糟糕的供应链整合(C25)可能会导致严重的潜在风险，如建设延误完成的模块分两次发货到当地港口，然后从集装箱船上卸下所有模块大约需要一个月的时间(图4)。考虑到施工地点位于珀斯CBD(中央商务区)，模块被放置在一个临时站，并在派遣到建筑现场之前再次检查。在这个项目中，尽管预制模块安装了façade、幕墙和淋浴屏，但在运输过程中，由于复杂的保护，只有3个模块发生了轻微的损坏。
由于停车场和卸货区域有限，PPVM是按照JIT (just-in-time, JIT)交货方式运输到施工现场的，这相对依赖于及时的沟通和协调。一位受访者解释说，该模块的典型尺寸约为3.5米、3.2米、12.2米(宽、高、长)装载在标准平板拖车上。由于主要道路的通行限制，该拖车已申请超限运输许可证，只在工作日运送。因此，在早期规划设计阶段，了解当地交通法规要求，规划交通路线，对于模块化建设具有重要意义。然而，到目前为止，很少有应用程序和工具能够规划一个有效和高效的迁移对于依赖于模块垂直提升和连接安装的高效组件(图5)的模块化建筑来说，坍落的施工周期是一个关键的吸引力。为了实现这一目标，充足的设备和经验丰富的施工团队在组件组装中起到了关键作用。在该项目中，使用了2台起升能力为24吨的塔式起重机对全部171个模块进行垂直起升。考虑到C22连接的复杂性，每天大约安装10个模块。不过承建商指出，强风及大雨影响吊车作业，延误安装工程。整个安装过程用了不到5个月的时间，大大缩短了传统建筑的施工时间
问卷调查和案例研究的结果表明了阻碍高层模块化建筑应用的主要制约因素。通过对众多不同职位的受访者的访谈，我们发现在建设的各个阶段，制约因素是相互关联、相互作用的。很多受访者提到，潜在的设计问题直接或间接地会对下游生产、运输和装配过程产生有害影响。一个更好的模块化设计对模块化建设的各个阶段都是有益的。受访者也提供了具体的改善措施，如利用BIM技术提出多样化的模块化设计，并简化复杂的连接工作。以下部分将探讨BIM和DfMA的潜力，以释放这些已识别的约束
本文对模块化建筑的现状进行了详尽的描述，重点是高层模块化建筑。通过全面的文献综述和与经验丰富的专家进行的焦点小组研究，我们确定了在模块化建筑的整个生命周期中共有27个约束条件。最终通过问卷调查的方式，将阻碍高层模块化建筑发展和进步的制约因素清单交给大量具有足够经验和知识的模块化建筑学术研究人员和参与者，对这些因素进行排序。各利益相关方之间缺乏协调和沟通、成本较高、缺乏政府支持、缺乏经验和专业知识、缺乏建筑规范和标准、供应链整合不佳以及连接的复杂性被认为是最主要的挑战。为了探讨高层模块化建筑的现实环境，本研究采用了实证案例研究和深度访谈相结合的方法。通过调研和案例研究发现，模块化设计的改进是高层模块化建筑发展的关键。根据约束条件讨论了采用BIM和DfMA优化模块化设计的潜在解决方案。该调查由多项调查组成，揭示了阻碍高层模块化建筑发展的现有制约因素，同时为模块化建筑的利益相关者提供了有价值的参考。本文从模块化设计的角度，提出了采用BIM和DfMA来释放相对约束的潜在解决方案。未来的研究可以着眼于建立一个体现DfMA概念的指导方针，同时帮助模块化建筑设计的工作流程。同时，开发一个基于bim的规则检查系统可以为模块化设计提供支持。
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