建築工業化全產業鏈
The Whole Industrial Chain of Construction Industrialisation
宋兵/SONG Bing
摘要：
建築工業化是建築行業實現工業化的過程，在這個過程中，從業者的工業化思維轉型是建築業能否實現現代化轉型的關鍵。建築工業化並不完全等同於裝配或者預製，本文介紹了建築工業化的基本特徵、衡量標準及其價值意義；並表明工業化思維在設計方法上體現為全產業鏈並行設計的模式；建築工業化的核心是技術體系和管理體系的搭建，技術體系的基礎是模數協調，管理體系的基礎是系統性思維，只有建立系統性思維，才能實現“整體大於部分之和”的功效。
關鍵詞：
建築工業化，科技進步，現代化轉型，模數協調，系統性，全產業鏈，並行設計
作者單位：
清華大學建築設計研究院建築產業化分院
1 建築工業化概論
建築工業化是透過現代化的製造、運輸、安裝和科學管理的生產方式，來代替傳統建築業中低品質、低效率和高成本的手工業生產方式的過程。它的主要標誌是建築設計標準化、部品生產工廠化、施工機械化、組織管理科學化和實施一體化。建築工業化的終極目標是透過科技進步，實現建造的高品質、高效率和低成本，從而完成建築行業的現代化轉型。
早在1962年9月9日，梁思成先生在《人民日報》上發表了題為《從拖泥帶水到乾淨利索》的文章，提出了建築工業化就是實現“設計標準化、構件預製工廠化、施工機械化”，使建築工地從“拖泥帶水”變得“乾淨利索”；同時，建築師還要在“千篇一律”中取得“千變萬化”，實現標準化輸入多樣化輸出，從而圓滿地解決建築物的藝術效果問題［1］。
梁先生的文章發表了近60年，在感嘆大師的思想極具前瞻性的同時，也很遺憾地發現，中國的建築工業化仍然長路漫漫。
目前的裝配式建築表面上看已經達到相當高的裝配率，但設計流程還是按照傳統的手工業線性流程進行，即先由建築師做方案，然後做結構專業設計和拆板圖，再做裝置專業設計，裝修設計專業可有可無，遇到問題現場解決。在一些裝配式裝修的專案中，儘管裝配率很高，但是由於設計流程是先設計空間，再把空間拆分成部品，因此部品的標準化和規模化程度很低。有的專案一套結構件模板的重複利用率只有3次，模具成本攤銷極高；又由於標準化程度低，構件的運輸、現場堆放和安裝效率也很低。因此構件的總成本很高。裝修部品在現場裝配時仍有大量的手工裁切和拼裝。儘管工地上“拖泥帶水”少了，但是卻遠遠沒有達到“乾淨利索”的程度。
建築行業目前普遍流行的一句話“像造汽車一樣地造房子”，其含義究竟是什麼？建築工業化的內涵究竟是什麼？
製造業的工業化有7個主要特徵［2］：
（1）標準化：比如，同一個型號的輪胎在世界任何一個角落都可以組裝到汽車上。標準化是工業化的第一基礎，有了這個基礎，手工業作坊才能轉變為大工業生產。
（2）規範化：生產過程規範化，安裝過程也要規範化。只有規範化，才可能使得任何一個受過基礎教育的人可以透過現代教育的方式，學會操作流程，而不必透過師父帶徒弟的方式。也就是說，把高難度的手藝轉變為容易掌握的基本技能。規範化不僅是人員培養方式的轉變，也是管理方式的改變。規範化可以使得管理難度下降，從而降低管理成本。
（3）規模化：規模化是在標準化和規範化的基礎上形成的。一般而言，規模越大成本越低，利潤也就越高。但規模大到一定程度後，管理成本開始升高，利潤反而會降低。但就現階段的建築行業而言，無論是結構構件還是裝修部品，規模化程度都還遠遠不夠，僅僅是把現場操作的工序轉移至工廠而已，由於增加了雙向運輸成本，因而其成本反而高於現場的手工操作。
（4）社會化：部品和產品是在標準化的基礎之上透過社會化大協作生產的，生產地點是分散的，生產過程並非都集中在一個企業完成，組裝則是在工地集中完成的。伴隨著網際網路的發展，網路化協同製造、共享製造等製造業新模式推動了生產地點從集中化走向分散化，跨行業、跨企業、跨地域的協同成為常態，使得製造業可以在全球範圍內完成協同。
（5）專業化：社會化分散加工的部品和產品具有各自的技術特色，不可替代。比如，瑞士某些家族企業專做手錶的機芯，幾代人傳承幾百年。
（6）可控性：不但機器可控，而且過程可控，所有流程都可控。只有可控，才能保證產品品質的可靠。
（7）可測試性：每個產品出廠前都可以測試，沒有測試依據，就沒有安全保證、效能保證和品質保證。
建築行業要具備這7個特徵才可以完成工業化，才可以“像造汽車一樣地造房子”。普通汽車就是由一系列的標準化零部件組合而成的，因此普通房子也同樣可以由一系列的標準化部品部件組合而成。
所以，建築工業化是在建築行業運用現代化的大工業生產方式來取代傳統的手工業生產方式的過程，也是建築行業產品化的過程。在這個過程中，建築行業從手工思維方式向工業化思維方式的轉變是關鍵，要拋棄手工思維就要把建築物當成一個完整的工業化產品來看待。一棟建築物是由建築、結構、裝置和裝修部品四大體系組成的一個完整的產品，四大體系都可以透過社會化的分散加工實現高品質、高效率和低成本。
建築工業化在不同的發展階段曾有過不同的叫法，但不管是叫新型建築工業化、住宅產業化、住宅產業現代化還是裝配式建築，其初心一定是實現高品質、高效率和低成本。做不到“好、快、省”，就不是建築工業化。其中，“好”指的是工業化方式生產的建築物要具備高品質。具體內容包含了功能合理的空間、室內動線順暢、設施裝置齊全、材料經久耐用、氣密水密性高、保溫隔音好、自然光照、自然通風等。“快”指的是工業化的建造過程要實現高效率。包括生產的高效和安裝的高效，透過標準化的批次生產及規範化的安裝流程縮短了工廠生產時間和現場安裝時間，從而縮短專案建設的整體週期。“省”指的是降低建設過程的成本。透過縮短工期節約的時間成本和資金成本，透過標準化和規模化生產節約材料成本和人工成本。
2 設計標準化
工業化的七大特徵中，最重要且最基礎的就是標準化。標準化涵蓋了設計、製造、安裝等不同階段的標準化。其中，設計標準化又是重中之重。設計標準化不等於簡單化。
以住宅設計為例，設計標準化並非就是標準化戶型。因為每個專案都會有不同的規劃條件，如用地形狀、容積率、日照間距、日照時長、綠地率、建築密度、建築高度等不同的限制性因素，戶型的長寬尺寸是不可能固定的，因而也不存在真正意義上的標準戶型。那麼，標準化的工作是不是就無法進行了呢？
標準化並非是固定房屋的長寬尺寸，而是讓建築的尺寸按照一定的規律進行變動，這個規律就是建築模數［3］。
建築模數（M）是在設計中確定的協調建築尺度的增值單位，例如M=100mm。一般而言，在設計中最常用的模數是3M=300mm。就是說，結構、建築、裝置、裝修各專業都以3M的倍數設定設計尺寸。
但是，在實際專案中，建築專業的軸線尺寸一般都可以滿足3M的模數，而其他專業往往無法滿足3M。例如剪力牆的常規厚度是200mm，結構預製件的加工尺寸甚至都無法滿足1M。例如，開間軸線尺寸為3000mm的疊合樓板，因為兩端要預留搭接間隙，其加工尺寸就有可能是2980mm。實際上，軸線模數是一個虛擬模數，在設計階段的作用是至關重要的，但在生產和施工的時候卻是沒用的，因為軸線不能作為定位尺寸。以室內裝修為例，內裝部品的安裝定位線是室內結構完成面，而室內固定傢俱的定位線則是裝修完成面，軸線尺寸是無法在現場測量出來的。
因此，工業化的設計尺寸應按如下方法標註：
軸線尺寸=牆體厚度尺寸+公差尺寸（施工誤差）+管線尺寸+裝修構造尺寸（安裝截面）+裝修完成面尺寸（圖1）。
1 工業化設計尺寸的標註方法（繪製：李樺）
3 並行設計
按工業化方法進行設計時，軸線的設計尺寸由建築、機構、裝置、裝修等各專業共同確定的過程可稱之為並行設計。
並行設計是一種對產品及其相關過程進行整合設計的系統化工作模式。專案的設計負責人最重要的工作內容就是進行設計協同，這個協同不僅是設計院內部各專業的協同，而是全產業鏈的協同（圖2）。只有採用並行設計，才能保證所有部品和產品能夠在工地上順利地裝配成功，才能實現建築行業的產品化轉型。
2 並行設計——系統性的體現方式之一，打破線性工作模式，全產業鏈並行，一體化協同工作（繪製：宋兵）
4 模數協調
設計負責人另一項重要的工作是模數協調。模數協調的主要工作是劃分模數區和非模數區。在住宅設計中我們通常把裝置管線集中且裝修複雜的廚房和衛生間作為模數區（圖3），儘量避免裁切；而把客廳、臥室作為非模數區，把容易裁切的材料放在非模數區。模數區劃分後就要選定選擇符合模數的部品。例如，目前市場流行的裝修材料模數都是以3M為主，瓷磚和吊頂材料常用尺寸為300mm×300mm，而裝飾板材例如矽酸鈣板、大芯板等的常用尺寸為1200mm×2400mm。因此，如果室內裝修完成面的設計尺寸以3M來控制的話，則理論上瓷磚和板材的出材率可以達到100%，實際工程可以達到95%。不僅可以有效減少現場的“拖泥帶水”，由於基本上杜絕了現場的裁切，因此也實現了內裝的節材省工。同時，即便結構構件的模具尺寸不符合模數，但當模具週轉次數能夠達到一定量級（目前北京市控制在200次以上）的時候，則模具的攤銷費用就可以大大降低。因此，根據實際工作經驗的總結，當裝修完成面尺寸採用3M作為設計模數時，預製構件的加工尺寸可以不符合設計模數，這樣才可以保證軸線尺寸符合設計模數。
3 在住宅中設計作為模數區的廚房（攝影：宋兵）
如前所述，由於軸線尺寸是一個虛擬尺寸，因此可以想見，未來有可能軸線尺寸不是模數尺寸，從而保證構件的加工尺寸符合模數。
當室內空間裝修完成面淨尺寸以 3M=300mm，或1。5M=150mm進級時，固定傢俱、牆板等部品規格宜採用 3m=30mm；5m=50mm和 15m=150mm 為進級基數。這裡，M稱為一級模數，m稱為二級模數。由於傢俱和牆板的板材尺寸通常為1200mm×2400mm，因此理論上其出材率也可以達到100%。
這種全專業並行，室內設計模數優先的設計方法可以有效地降低建築的總成本。在此基礎上，如果能夠固化一些標準模組，可以進一步提高效率、降低成本。這就是模組化的設計方法。
5 模組化
模組化是指解決一個複雜問題時自上而下逐層地把系統劃分成若干模組的過程，而設計的過程就是由若干模組進行組合的過程（圖4）。因此，模組化是標準化的最高形式。
4 套型：分解與組合（圖片來源：《2018中國成品住宅發展研究報告——技術篇》）
圖5說明了以少量的功能模組能夠組合成多變的衛生間平面，也說明了標準化設計並不是僅僅指採用了標準化的戶型，而是用標準化的功能模組去組合成戶型。模組化設計可以透過“少規格、多組合”的方式，實現“標準化輸入、多樣化輸出”的目的。
5 少量的功能模組組合成多變的衛生間平面（繪製：李樺）
標準化的模組使得模組內的部品部件實現了設計和製造的標準化。例如，整體衛浴模組就已經可以在工廠內完成所有的裝修和裝置整合，實現了大規模生產。我們也把整體衛浴稱為衛浴部品。在當今的網際網路時代，標準化生產很容易實現社會化和分散化加工。分散化加工使得部品部件的製造，可以按照市場規則在全世界範圍自動進行資源配置，從而實現模組品質和成本的最最佳化整合。
無論是在工廠完成的標準化模組內，還是在工地上完成的模組之間的整合，都需要統一部品部件之間的邊界條件、介面技術和幾何尺寸，以順利實現裝配。
對住宅而言，能否順利地實施模組化設計方法，還需要解決公攤面積的問題。如果套型面積能夠以套內面積作為套型計量面積，把公攤面積徹底放開，由建築師根據專案的實際情況自行決定，才能保證套內模組的尺寸相對固定，才有可能實現套內功能區域的模組化。
6 設計案例：北京市海淀區溫泉C03公租房
該專案（圖6）由北京市保障性住房建設投資中心建設，位於北京市海淀區溫泉鎮規劃中心區，規劃總建築面積86，953m²，其中地上總建築面積57，942m²，地下總建築面積29，011m²。小區由7 棟建築組成，住宅部分分為普通公租房和適老型公租房。
6 北京市海淀區溫泉C03公租房外景（攝影：宋兵）
普通公租房建築面積32，000m²，共4棟樓。從結構到室內裝修全部採用工業化的方式進行建造，裝配率達到了82%，節能設計標準為綠色三星。該專案第一次嘗試並行設計，改變了施工圖做完再拆成構件圖的傳統流程，由設計院建築、結構、室內、裝置各專業設計師與PC廠工程師在方案階段就共同進行設計。
該專案於2013年開始設計，2016年竣工，2017年獲得全國人居環境範例獎。其主要技術對策如下：
充分利用東西朝向的優勢，取消所有的凹槽，使建築的外形規整（圖7），減少41%外牆面積，降低了施工成本。同時，實現了部品模組高度的標準化，提高了構件的重複率和標準化程度，本專案標準層590m²，模具31種，模具重複利用率30~120次。降低了生產難度，提升了產品質量，降低了生產成本。實現了3。9天安裝一層的高速度。
7 方案設計過程（圖片來源：北京市公租房試點工程“溫泉 C03”專案設計方案）
透過陽臺內建、改預空調板為金屬空調架、簡化外牆及保溫形狀、室內採用隔牆系統、增加室內空間使用調整的靈活性及後期尺寸微調可能性、外窗與遮陽一體化整合、實現全產品化裝配等技術措施，使得專案的總體成本下降了3%。同時，還透過豎向管線整合、油煙機直排等技術措施，把0。56m²的公攤面積轉變成了室內空間。創造了極好的經濟效益。
這個案例說明，全產業鏈並行的設計方法是工業化思維轉型的最好體現，它確實可以實現高品質、高效率和低成本。
同時，工業化思維轉型還需要我們摒棄傳統的繁複之美，轉而欣賞簡潔的工業之美。當有人說工業化就是不美的時候，請拿出手機來欣賞一下，或者去看看汽車。把簡潔的建築設計得極具美感，需要建築師具備極高的美學功力。因此，建築工業化也需要建築設計行業整體提升美學修養。
7 全產業鏈系統整合
建築工業化是一個龐大的系統工程，它需要建築全產業鏈進行系統整合。
系統是由相互聯絡、相互作用的部分組成的具有一定結構和功能的有機整體。
系統工程是組織管理“系統”的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的科學方法。系統工程的目的是實現“整體大於部分之和”，因此，系統工程既是一個技術過程，又是一個管理過程［4］。技術體系包含了建築體系、結構體系、裝置體系和裝修體系。
站在系統學的角度看待建築行業，目前的建築行業由於其手工性質，使得產品的最終品質不高，是整體小於部分之和。以建築的四大部品體系為例，當四大部品相互組合形成一個完整的建築時，如果每個部品的完成度為90%的話，則整體建築的完成度為：結構×建築×裝置×裝修=90%×90%×90%×90%=66%。也就是說，每個環節都出一個小紕漏的話，就會讓最終產品造成巨大的缺陷。如果接著細分部品體系，例如，裝修部品又可以細分為牆、頂、地等9個部品體系，哪怕某一個分體系的完成度是90%的話，最終的產品也是不及格的。因此，豐田公司才要求每道工序都不能有次品，也不能有任何無效動作。所以，“像造汽車一樣地造房子”不僅僅是在生產線上生產房子，那只是表象，真正的內涵是房子的品質要像汽車一樣的精緻、可靠［5］。要達到汽車一樣的品質還需要我們投入像汽車一樣的成本。
普通轎車的體積大約為：（長）4m×（寬）1。7m×（高）1。5m=10。2m³，以造價為10萬元計算，則汽車的造價約10，000元/m³。
普通住宅如果把地下室的造價折算到地上，再加上裝配式、綠建、全裝修等的造價，建安造價約10，000元/m²，如果住宅高度按2。8m計算，體積就是2。8m²，則住宅的造價為3571元/m³。與汽車的造價相差了近兩倍。從中可以看出，我們在建安造價上花的錢太少，在土地上花的錢太多了。
像造汽車一樣的造房子，意味著要像汽車行業一樣投入巨資進行技術研發，構建完整的工業化技術體系，同時還需要建立管理體系。
因此，建築工業化是建築行業實現科技進步，完成現代化轉型的最佳契機。□
參考文獻
［1］ 梁思成。 從拖泥帶水到乾淨利索［M］。 人民日報， 1962-9-9。
［2］ 李春田。 標準化概論［M］。 中國人民大學出版社， 2010。
［3］ 李樺， 宋兵。 公共租賃住房居室工業化建造體系理論與實踐［M］。 中國建築工業出版社， 2014。
［4］ 賈俊秀， 劉愛軍， 李華。 系統工程學［M］。 西安電子科技大學出版社， 2014。
［5］ 羅振壁， 朱立強。 工業工程導論［M］。 機械工業出版社， 2014。
本文引用格式：
宋兵。 建築工業化全產業鏈［J］。 世界建築，2021（07）：48-51
全文刊載於《世界建築》202107期。轉載請註明出處。