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雷火神山奇迹背后:装配式建筑加减法

发布日期:2020-03-17 11:17 文章来源:经济观察报 作者:鲁班房屋 浏览次数:
 

火神山医院


建筑面积3.39万平方米、1000张床位的火神山医院10天完成建设,而建筑面积7.99万平方米、容纳1600张床位的雷神山医院,仅用了15天便开始移交。

承建方之一中建三局一公司党委书记吴红涛称,这一“中国速度”背后,是建造技术的创新。火神山和雷神山两座医院建设的最大秘密武器,是工业化装配式建筑建造技术。

中建三局绿色产业投资有限公司工作人员江涛告诉经济观察报,其公司主要业务是装配式建造。他透露,如果采用传统混凝土建造工艺,3万平方米建筑至少需要2年时间。

虽然火神山医院和雷神山医院是新型冠状病毒疫情下的应急之举,但在一定程度上反映了装配式建筑在建造工艺和速度上具备突破的可能。

工厂远离工地

武汉火神山和雷神山医院建设期间,所有人可以通过网络直播查看工地现场建筑模块吊装的场景,不过,“云监工”看不到的是,组成装配式建筑的大部分构建生产在装配式工厂完成。

江涛告诉经济观察报,火神山医院由一个个防护单元组成,每一间病房中的受力骨架和隔墙板材在工厂里加工好后,直接运到工地按型号安装,相当于主体结构和围护结构全装配,“像搭积木一样盖房子”。“考虑到工期非常紧张,医院的建设要最大限度地将‘正负零’以上建设环节拆分。”江涛解释,“正负零”即主体工程的基准面,此次医院的建设,要尽量减少主体建筑地上工程的现场作业。“正负零”以下的部分,如场地平整和硬化、基础工程、管道预埋、防渗膜施工等在现场施工时,“正负零”以上的结构部分也在各大工厂同步施工。

江涛透露,中建三局在收到建设火神山医院的指令后,需要设计、采购、施工并行,并根据实际情况优化调整。因为恰逢春节,许多建筑下游工厂早已休工,工人和材料储备不足,短时间内许多装配式构件工厂很难大量定制出货。

因此,建设方需要先统筹武汉周边构件工厂,统计市场上现有的装配式集装箱的规格型号、数量,再纳入到设计中去,最大限度采用拼装式工业化成品。“设计方案一直在调整”,比如某家工厂货量不够,其他工厂的部品规格也可以灵活组合,图纸根据联系到的货源实际情况调整。如果按照传统建造方式,先设计再去市场采购,市面上不一定有。

江涛认为,10天造出一座医院,在建造方面主要得益于装配式技术的灵活性。几十道工序齐头并进,精确每一步施工计划所需时间,现场施工和整体吊装穿插进行,同时根据现场情况进行纠偏,有序对接,“不浪费一分一秒”。

与时间赛跑、与疫情抗争的“基建神话”,再次将装配式建造技术推进人们的视野。从2016年开始,在国家政策推动下,装配式建筑市场迎来高速发展期,其中不乏以此为主要商业模式的企业,比如2019年11月在香港上市的远大住工(02163.HK)。

用系统替代人

要实现多节点的配合,需要一整套数字化系统配合。火雷神山医院的建设采用了全过程BIM模拟施工技术优化施工方案,对基础图纸柱距、宽度、净空、设备吊挂、门窗位置等进行深化设计,为后续施工留出宝贵时间。

远大住工是一家专业从事装配式建筑的公司,采用一套PC-CPS智能制造管理体系。远大住工总裁唐芬用“柔性制造+数据驱动”来解释PC-CPS的运作模式。

柔性制造是为了应对产品端的不确定性。每一家房企建造的房子不可能相同,工厂生产复杂度又很高,目前技术及成本控制尚未实现完全定制化、批量生产。

因此,远大住工从建筑设计端向下拆解一个维度,从整体拆解到模块,再通过标准化的模块组合出多样化的建筑。唐芬认为,从前端提升模块通用性,是为后端拼装组合的多元协同创造条件。

数据驱动是为了解决需求端的不确定性问题。“生产快了,产品没地方搁;生产慢了,又影响工地进度。”唐芬称,“库存难题”是多数企业生产经营面临的通病,在装配式建筑行业叫“堆场”。

有些企业担心产品供应不上,接到订单后进行拆模,把部件全部生产出来,再进行下一环节的装模;或是因为产品线不足,只能先批量生产完某一种模具,再进行下一种模具的生产。

唐芬介绍,这种生产方式仅适合规模较小的工厂,应对少量订单。建筑制造业属于重资产行业,提前生产大量部品,需要占用大量资金和生产资源;租用、购买大型堆场用地也在增加生产成本。

唐芬说,房地产行业出现任何变数和调整,都会影响到企业回款和产品交接。本来部件出厂后直接运到工地,如果需要转运到堆场,二次转运成本和效率浪费尤为严重。“生产出来的产品,交付给客户才能算你的收入”。

传统制造业生产线是顺流管理,采购多少原材料,采购后放在哪里,加工排产,生产多少,模块组装,入库管理,物流发货,工地确认,下一批次生产。在工业化生产初期,细致到每一条生产线多少人,多条生产线同时开工,这些工作原本都需要人拿着Excel表格去匹配。

一旦订单量大幅增加,人作为生产线上核心要素,便很容易出错。以远大住工一个5条生产线规模的标准工厂为例,每年数据量是千万级别,靠几个人拿着Excel表格去排产,不可避免会产生疏漏。

因此,PC-CPS系统强调以需定产,从需求端来拉动生产线。

具体操作上,首先,CPS系统将远大住工多年积累的数据整合出一个算法,从原料端开始,把人、机、物料、时间等所有资源要素先在Cyber(虚拟系统)中进行预设。

其次,CPS系统将产业链各种要素进行数字化定义,完成设计、生产、物流、施工、运维的全过程。在现实的生产过程中,所有产品在Cyber系统设定时,便拥有一个唯一的数字身份证,或者叫非接触的射频码。

 

数字身份证

在生产阶段,通过扫码,触发生产线运作,生产出来的部品放到库中进行半成品和组模准备。半成品库扫码也会直接触发供应商进行原材料的备货和送货。

第一批产品生产出来运到工地前,所有产品在吊装前通过扫码确认,产品是否完成组装。同时,Cyber系统收到触发指令,让工厂库进行下一批货的排产发货。如果工地发生变化,只需要一个信号,系统便会进行相应调整。

从原材料到交付客户,签收、结算全部在系统中进行。

唐芬透露,通过数字化驱动生产后,管理过程的人为因素干扰减少了95%以上,剩下5%来自一些现场变化,或是生产过程中的不确定因素以及设计的调整等。

PC-CPS系统试图构建不依赖人的生产过程,“管理人员的主要工作,一是严格遵循这套系统的指令来操作执行;二是出现误差时,找到误差产生的原因。”唐芬称。
 

雷神山医院

非标准化掣肘

谈起2017年强制实施数字化改革动因,唐芬称是个幸福的烦恼。“2017年上半年,各工厂突然到了崩溃的边缘。”这种崩溃不是因为没有订单,没有市场,而是生产供应不上客户订单。

彼时,唐芬经常会收到客户催货函,有一些客户甚至发出通牒,如果影响工程进度,将进行索赔。远大住工通过更换管理层、增加生产工人治了标,但问题根源并没有解决。

唐芬说,现代工业讲究产品标准化、大规模连续生产,企业研发、设计、生产产品,并投向市场,全流程的主导权在企业手中。但建筑产品设计不是由生产方决定,而是由客户提供产品设计要求,对生产企业而言,这是不可控的。其次是建筑产品标准,当时建筑市场没有统一标准,远大住工不能要求全国开发商适应自己的标准。

此外,建筑业是一个周期性较长的行业,远大住工的预制混凝土构件产品数量大,种类多,对储存空间要求很高,不可能等产品全做好了,再去统一交付。必须跟随开发商的施工进度,一个工厂要同时面对多个工地。

每个项目工地虽然有施工计划、供货安排,但受天气、开发商资金、环保检查等因素影响,建设周期经常存在变数。

唐芬表示,想解决这些问题,需要把“人”在生产管理环节的重要性降下来。远大住工开始下决心,强制推动数字化、信息化变革。

按照2017年住建部发布的《“十三五”装配式建筑行动方案》,到2020年,国内装配式建筑占新建建筑面积比例将达15%以上。据此测算,2020年装配式建筑市场规模将超过万亿元。

在这个号称万亿的市场中,如何通过平衡成本与规模分到更多的蛋糕,数字化被远大住工看成是支点。为解决终端非标准化掣肘,2017年下半年,远大住工开始全力推动了上述PC-CPS智能制造管理系统。

成本与规模平衡

全面推行PC-CPS系统近3年时间,唐芬称,无论是人均产效、模具成本,还是整个生产组织效率都得到了提升。用机器来取代人,用工厂来取代工地,是远大住工的愿景和目标。PC-CPS系统在解决手工作业的极限问题。

从成本上看,唐芬透露,由于建筑产品的非标准性,装配式建筑行业的模具平均成本占比超过10%。推行PC-CPS系统后,通过柔性制造、向下拆解模块后,远大住工的模具成本从7%降至2%以内;从效率上看,目前行业人均产效为0.3-0.5立方米/人/天,远大住工的人均产效达到2立方米/人/天。

唐芬表示,开发商最关注的是成本。在国家政策加持下,相较混凝土现浇,装配式建筑具备施工周期短、效率高、成本低、用工量少、环保属性强等特点。

江涛解释,生产一块预制混凝土墙,需要先锻造一个模,再在模具里浇注混凝土。假设一个模需要2万元,一栋33层的楼需要33块此类预制墙,这个模的成本就平摊到每面墙里。如果一个项目“正负零”以上部分主体结构一样,模可以循环利用,其成本分摊到每一块预制墙就更少。以此类推,多个项目规模化、标准化批量生产,成本便能有效降低。

另一个增加装配式建设成本的因素是运输。运距不同,费用也不同,一般经济运输半径为150公里以内,300公里为适宜推广区域,300-500公里为可推广区域,超出500公里,受物流成本限制较难推广。

江涛透露,一个装配式构件工厂大致需要2亿-3亿元,除非有超大体量的工程,否则在项目周围建厂、以减少运距的这一方案并不可行。其所在的中建三局绿投公司在武汉市郊有两个固定厂房,一般收到订单制作完成后,再将构件运到城区的项目现场拼装。

为实现多点布局,远大住工推出了“远大联合计划”,由远大住工和当地业务伙伴合作成立联合工厂生产PC预制件。每一家工厂投资额在2100万-4200万元,远大住工持股35%,通过这一方式,远大住工的业务辐射超过100个城市。

不过,多个房企项目负责人告诉经济观察报,目前装配式在房地产领域的应用范围较小,成本是最重要原因。

一位在Top3房企负责建筑板块的人士透露,混凝土PC比例从15%到40%不等,装配式建筑比传统现浇混凝土的成本每平方米高出300-800元。PC率越高,价格越贵,最高建筑成本可以增加约20%。

在建造效率方面,理论上装配施工速度比传统施工快30%-50%。从实际施工来看,装配式建造第一层耗时较长,大致在8-10天,平均下来,建造一层时间为5-7天。而现浇式建造首层耗时在7-8天,其他层建造时间与装配式相差无几。

唐芬也承认,如果不能实现规模化,建筑产品标准化便没有意义。

江涛提醒,如果只看主体结构装配式,目前其并不比传统混凝土现浇便宜,但如果能实现全装配,比如将精装修、外墙装饰、机电等纳入,才能较明显降低综合成本。

此外,各地针对装配式建筑已陆续出台相关优惠政策,如武汉在装配式建筑地块出让时,便允许其可将预售节点提前,一般需达到地面结构一半以上才能预售,装配式项目仅需1/3。其次,装配式项目可降低监管资金比例、容积率奖励、备案价审批时可高于周围其他项目等。

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