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裝配式中小型公共建筑智能化初探

裝配式中小型公共建筑是我們城鄉新興建設發展中具有代表性的一類建筑物,其智能化設計建造、智能化運營維護貫穿整個建筑的全壽命周期,為城鄉民眾的各類社會服務提供良好空間環境。

  一、研究背景與意義

  1.1供給側結構性改革給建設投資行業帶來的變化

  供給側結構性改革是我國第十三個五年計劃中經濟工作的一項重大舉措。相對于需求側(投資、消費、出口)來講,我們應該更加重視供給側要素(勞動力、土地、資本、制度創造、創新等)的改革與發展。在這一經濟思想指導下,建設投資行業出現了一些變化,城市的功能定位明晰,產業提升;以保障性住房、安置房等系列建筑產品進行棚戶區改造;以保障民生為目的,有效整合城市公共資源,提供更高品質的人居環境;城鄉建設以產業結構為基礎,發揮地緣優勢,形成很多“特色小鎮”,加快了農村的城鎮化建設。

  在這樣一個即將到來的城鄉大建設背景下,為大眾提供公共服務的建筑設施便凸顯其重要,中小型公共建筑品質是城鎮管理、社區服務供給質量的重要標志與民生保障。從民生的意義來說,中小型公共建筑也可定義為大眾日常公共建筑,而裝配式和智能化是實現中小型公共建筑高品質,提高民生保障的相輔相成的兩條必要途徑。

  1.2裝配式中小型公共建筑的現狀與發展

  根據《注冊建造師執業工程規模標準》,層數25層以下,高度100米以下,跨度30米以內;單體建筑3萬平方米以內,群體建筑10萬平方米以內,都屬于中小型建筑的范疇。裝配式建筑是從建造方式上根本性改變的創新,是一項建筑業全面改革的重大舉措。《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》(國辦發[2016]71號)明確給出我國發展裝配式建筑的路徑、方法、時間節點、任務區域和計劃目標。

  裝配式中小型公共建筑目前的發展狀況有如下幾個特點:首先,建筑以低、多層形式為主,可選擇的裝配式結構技術體系多樣;其次,多數中小型公共建筑的功能空間標準化率高,如學校、醫院、辦公樓、賓館、圖書館、老年公寓、商鋪、停車樓等,適合進行標準化設計、工廠化生產和裝配式建造;再次,中小型公共建筑與社會民生戚戚相關,無論是城市功能提升、舊城改造,還是新型城鎮化建設都需要這類公共建筑配套實施,加之節能環保的要求,裝配式中小型公共建筑將會是一類長期的、重要的建設投資項目。

  1.3中小型公共建筑的智能化趨勢

  信息時代為城市和建筑提供了便捷的智能化管理手段,同時也對建筑管理提出了要求。一方面中小型公共建筑的建設投資關乎民生,有些公共建筑還是防災、救災、抗災的生命線工程,必須進行智能化控制。從建筑物本身來說,火災自動報警、消防控制、自動噴淋、防排煙系統、緊急疏散指示、廣播系統、消防聯動等智能化措施被廣泛使用,有的已經成為國家建筑法規的強制執行內容。另一方面,為提高建筑品質,中小型公共建筑智能化趨勢強勁,3A建筑、甲級寫字樓、5A辦公樓等應運而生,隨著物聯網、云平臺技術的發展,還出現了“智慧建筑”的概念。《中國智能建筑行業發展報告(2013-2018)》指出,我國智能建筑市場已經超過千億規模,并以每年20%~30%的速度增長。

  二、研究方法與技術路徑

  本文主要通過文獻調查、概念分析等方法進行研究。裝配式建筑的五大特征是:標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理。其中,信息化管理貫穿建筑的設計、生產、建造、使用、運營和維護全過程;而智能建筑的核心要素之一是信息化程度。因此,“裝配式”與“智能建筑”的關聯程度非常高,這是本文對裝配式中小型公共建筑智能化進行初步探討的出發點。

  三、問題

  裝配式中小型公共建筑常見的信息化管理問題包括以下幾個方面:

  (1)裝配式建造比傳統方式增加了工廠標準化生產環節,建筑部品、構配件在工廠里以標準化、流水線作業的方式生產出來,再運至工程現場裝配施工。中小型公共建筑市場面廣,結構技術體系可選擇性強。如何實現標準化的流水線生產以達到提高建筑品質、節約材料與人工、管控工期與造價的目的呢?

  (2)各類公共建筑社會功能不同,提供的服務不一樣,而且使用人數較多,智能化建設涉及的高新技術也相對比較復雜,因而多方面的集約統籌是目前公共建筑智能化建設的難點與重點,如專業領域之間的統籌、施工技術的統籌和運營管理的統籌等。

  (3)中小型公共建筑在其發展之初應充分考慮智能化配置的適用性和經濟性要求,但是有限的智能化配置與快速發展的信息化技術之間,以及大眾對智能化的市場需求之間存在距離,裝配式生產本身并不利于減小這些差距,工廠化生產的特點決定了建筑物成型后可拆改的可能性銳減,智能化系統配置的可擴展性受到影響。這是裝配式中小型公共建筑在智能化策劃中需要注意的問題。

  四、研究目的、研究過程與研究成果

  針對上述問題,可以從以下幾個方面進行分析研究,并以此窺視裝配式中小型公共建筑從設計建造、運營使用、維護管理、發展提升全過程的信息化建設概貌,目的在于啟發這類建筑的智能化建設運營思路,助力裝配式行業智能化發展。

  4.1設計建造

  從規劃的角度來看,中小型公共建筑在規劃階段開始就處于提供服務的“從屬”位置,不同目的的規劃需要從人口規模、產業特性、地域特點、文化特征、資源狀況、經濟指標等主要規劃要素數據中計算或推理出對中小型公共建筑(常稱之為“配套公建”)的需求與否及其規模數據,所以這些“配套公建”在其孕育之初就離不開大量的信息、數據,以及對這些信息數據的科學梳理和分析推斷,這本身就是一個“智能化”的過程(大型公建則對周圍業態影響較大,被上述地緣要素“推理出生”的特性就較弱)。

  中小型公共建筑大都是低多層,裝配式結構選型的選擇面較大,不同服務性質的建筑有自己的功能特點,平面布局與使用空間也不盡相同,為使其適合工業化建造,在建筑方案設計階段還應對其進行工業化策劃,也需要在大量數據信息支持下,將建筑方案的模數協調統一,建筑部品、構件配件盡量標準化,建筑物的個性特點則通過“標準化、多組合”的設計手段來實現。廣義來說,這一數據信息的整理過程也屬于“裝配智造”的重要基礎環節之一。BIM(Building Information Model)設計應該在這一“建筑工業化策劃”的基礎之上展開。

  可匹配與中小型公共建筑的裝配式結構種類較多,比如混凝土框架、鋼結構、墻板結構、剪力墻結構、盒子結構等,設備系統以及管線也相對較復雜,因而在設計這類建筑時采取“結構體+填充體”的研究方式更為適宜,這一裝配式設計方法的關鍵技術之一就是關于填充體的機電設備裝修一體化技術,將建筑的空間分隔墻體、裝飾裝修材料、機電設備綜合管線等一體化作為一個填充體來綜合考慮,增加集成度,提高裝配率。這需要提升裝配式建筑師的專業綜合能力,同時必須借助BIM智能化信息技術,將這一設計方法完整表達,并貫穿始終。

  BIM技術具有信息完備性、關聯性、一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等多種特點,同時還是一個開放性的平臺。由于中小型公共建筑中一些常用的構配件和部品有共通性和可置換性等特點,如果在BIM基礎上進行建筑構件信息化建設,將常用的構配件梳理集中形成構配件數據庫,并積累到一定規模,既可以發揮其標準化“智能設計”的作用,亦可以通過組合方式的不同形成風格迥異的公共建筑個性化的外觀形象。

  從建筑工業化策劃開始,BIM猶如一個裝配式巨人的神經系統,貫穿設計、生產、建造、工期統籌、造價管控、能源管理、安全防衛、運營維護的每一個“肢節”,發揮其“BIM智能中樞”的作用,形成BIM數據共享與數據聯動。此外,我們將構件在工廠生產的整個過程信息以二維碼或芯片植入的方式隨構件產品出廠,即使建設完工后,亦可具備構件級產品可追溯功能。媒體常常將裝配式建筑的設計建造全過程稱為“裝配智造”,尤其中小型公共建筑,就體現在上述這些地方,既解決了品質提升。同時管控工期與造價的問題,又可進行多方面建造與管理的統籌。

  4.2能源自動化管理

  以能耗管理來說,中小型公共建筑服務受眾廣泛,功能特征性強,建筑使用時間較長,建筑空間較大,空間關系也比較復雜。在裝配式建筑中應通過智能化手段安全有效地進行能耗管理。

  從規劃設計角度看,標準化設計是工業化方案策劃的重點,而建筑能耗與建筑體形系數(建筑外表面積與建筑體積的比)密切相關,標準化的設計重點除了在構配件和部品單元考慮工業化生產的便捷,除了模數與模塊的選擇與集成以外,還要注意整體建筑物體型的規整程度,體形系數盡量小,以保障能耗利用效果;外圍護結構是裝配式建筑的難點,也是熱工技術重點,防水、防火、門窗構配件集成、多種材料、立面效果、拆分體尺寸、拆分體重量、構件連接技術、與主體結構關系(有時圍護結構也是主體結構的一部分)、與機電設備關系等因素,都要與熱工技術綜合考慮。使用BIM信息模型,可以更加直觀地進行建筑體形系數的控制,科學地進行外圍護體系的熱工技術分析計算,在能耗的建筑源頭進行管控,這也是被動式節能建筑的設計要點。

  從建造運營的角度看,新能源系統的采集安裝、智能化調控在裝配式方式下應將其作為設備模塊來與建筑模塊有機結合,比如熱泵(地源、水源、空氣源、混合源)系統、分布式能源(光電、光熱)系統安裝與建筑主體裝配應該統籌計劃,協調工種作業時序,設備管線、設備操控端應結合室內裝修作為填充體一體化裝修,設備運營應采用能源自動監控及計量計費系統,達到能源供給信息化,根據預先編排的時間程序對電力、照明、空調等設備進行優化管理,達到自動減少能耗的目的。

  4.3智能化水平的提升與發展

  裝配式中小型公共建筑智能化發展包括以下幾個關鍵要素:

  首先,以實用和適度的原則選擇智能化配置。設計前期在進行建筑方案工業化策劃的同時應進行智能化策劃,準確分析或確定智能化設計等級,按需配置自動化系統。多數公共建筑使用強度都比較大,智能化配置過高會增加工程造價,造成浪費;因裝配制造、工廠加工、設備裝修一體化的特點,后期改造易受制約,若智能化配置過低又不滿足使用要求,勢必會增加工程后期改造的困難。

  其次,信息共享程度與智能化系統集成程度,是裝配式中小型公共建筑智能化發展水平的重要標志。系統集成的實質是將控制域(樓宇自動化系統為代表)與信息域(計算機網絡為代表)進行集成,重點是不同類型的信息集成,實現不同子系統之間的數據共享與聯動操作,以實現對整個智能化系統的管理和輔助決策。BIM作為裝配式全過程中樞級信息系統,在建筑運營中參與到系統集成中存在其必然性。自動化管理的集成度可以用建筑的“智商”來形容,一方面,其智商表現在“5A”(OA-辦公自動化、CA-通訊自動化、FA-消防自動化、SA-安保自動化、BA-樓宇自動控制)之間的智能化集成;另一方面將BIM作為信息平臺的重要組成來統一建設,其與BA、FA、SA的集成運用,將使公共建筑智能管理信息更準確完整、可視化模擬形象更直觀、多級子系統模塊的增減調整更便捷。

  再者,智能化發展空間需要預設置。隨著“互聯網+”時代的到來,基于“大數據”的“云平臺”會對裝配式中小型公共建筑智能化產生積極的影響,“物聯網”的運用也會越來越廣泛,IT行業自身正在經歷一場快速的大變革;同時,大眾對公共建筑安全性、舒適性、便捷性、資源(能源)高效性的要求也越來越高,這對裝配式建筑智能化提出新的要求,要以發展變化的思維來協調裝配式工廠化精密制造這種“剛度”與中小型公共建筑智能化進程這種“速度”之間的矛盾,建筑裝配建造之初就應根據智能化策劃,將信息系統可能增加的模塊空間預留出來,設備空間,包括主機、管網、終端、操控端所需要的空間、部位都盡量標準化,模數化、模塊化、可增減,將智能化系統的可擴展性與裝配式建筑的構件部品模塊化“可擴展性”結合起來,順應智能化技術革新與市場需求變化。

  五、結論

  裝配式中小型公共建筑是我們城鄉新興建設發展中具有代表性的一類建筑物,其智能化設計建造、智能化運營維護貫穿整個建筑的全壽命周期,為城鄉民眾的各類社會服務提供良好空間環境。裝配式中小型公共建筑的智能化水平也是后工業化時代建筑業進步的標志性內容。建筑智能化與裝配式技術的發展相互依存,共同進步。我們應在裝配式領域里大力發展智能化建筑,建設智慧城市,創造美好生活。

來源:智能建筑行業平臺

中國裝配式建筑產業聯盟——專家智囊團

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