新型建筑工业化--模块化、并行工程与数字化……

本文转载自：宋兵  清华建筑设计研究院产业化分院

一.什么是建筑工业化？

建筑工业化是用现代化的、高效率的大工业生产方式替代传统的、低效率的手工业生产方式的过程，是建筑行业完成工业化转型的过程。

建筑工业化的目的，是在建筑的建造、运营及拆除后循环利用的全生命周期中，实现“提高品质、提高效率、节材省工、节能减碳”的目标。

用一句话概括，建筑工业化就是“好、快、省”地建设和运营高品质的建筑。

二. 什么是高品质建筑？

绿色建筑的定义可以很好地诠释高品质建筑：在全寿命期内，在节约资源、保护环境、减少污染的前提下，能够为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑。

绿色建筑的评价指标体系由五类指标组成：安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居，这五类指标也完全可以用来评价高品质建筑。

对于建筑的使用者来说，高品质建筑的具体感受包括：室内空间布局合理、室内功能动线设置顺畅、设施设备齐全、材料经久耐用、气密水密性高、保温隔音好、有良好的自然光照和自然通风等。

以手工操作为主建造的房子，只有当工人同时具备熟练的技术和认真负责的态度时，才有可能建造出高品质的房子。技术是靠师傅带徒弟的方式一代一代的传承下去的，这种口口相传的传授方式因受双方个人因素影响，使得传授的效果差异巨大。因此手工操作无法大批量地生产高品质产品。目前中国的城市化进程仍处于高速发展的阶段，尽管每年建设量的增长放缓，但在今后相当长的时期内，对大批量生产房屋的需求仍然强劲。但在几百万包工头加几千万农民工的现状条件下，把批量生产的产品质量寄托在所有工人都具备很高的技术水平和道德水准上，显然是不现实的。尤其是现代建筑与传统建筑相比，增加了保温、空调、给排水、强弱电等新的系统，使得建造过程变得更为复杂，更需要系统性地建立工业化技术体系和管理体系，从而摆脱改变传统的作业方式，以“好、快、省”生产方式，完成建筑业的现代化转型。

三.   建筑的成本

“好、快、省”是在建筑的设计、建造和运营全生命周期内，实现“两提两节”，即“提高品质、提高效率、节材省工、节能减碳”。其中，“省”是指“两节”，是“节材省工、节能减碳”，不能简单地理解为降低成本。

首先，成本和品质是相对应的，高品质必然对应高成本，物美价廉是不存在的。

其次，不能把高房价等同于高成本，建安成本只是房价的组成部分。建安成本不是太高，而是太低了。

在建筑工业化领域流行的一句话叫做“像造汽车一样地造房子”，我们就拿汽车和普通住宅造价做个比较。

以一辆售价为10万元的中档轿车为例，销售的成本和利润约为4万元，制造的成本加利润约为6万元，轿车的体积大约为3立方，因此中档轿车每立方的造价约为2万元。

一栋住宅的地上部分楼面建安造价按照7000元/平米计算，其中包含了建筑、结构、设备、全装修、装配式增量、绿建等各专业的综合造价。地下室造价一般为5000元每平米，建筑面积按照经验值估算约为地上建筑面积的50%。把地下室的造价折算到地上，则地上部分的楼面综合建安造价约为10000元/平米。这个造价包含了建造成本和利润。住宅的层高按照3米计算的话，则住宅每平米的体积为3立方米。计算得出住宅每立方的造价为3300元。

二万元比三千元，相差了近六倍！

 一辆中档轿车应具备的品质大致有如下几个方面：

1.优异的挡水性能：无论多大的暴雨，在静止和行驶的状态下，绝不能漏雨。

2. 优异的气密性：无论刮多大风，车内没有感觉。

3. 良好的保温隔热性能：在没有使用空调的情况下，仍能使车内保持一定的温度。

4. 符合人体工学的车内空间尺度：虽然车内空间很小，但并不会产生幽闭感。

5. 符合人体工学的车内家具：座椅可以保证长时间坐着不会难受。

6.   运行良好的空调系统： 保证车内恒定的舒适温度。

7. 先进的智能终端系统：例如自动驾驶功能、防撞功能、保障车内的空气、温度、声、光环境等始终处于舒适状态的功能。

按理说，一个售价每平米动辄几万甚至十几万的普通住宅，最起码应该具备汽车同样的品质，还要加上高品质建筑的所有要求。但实际情况是，普通住宅的品质远远达不到普通轿车的品质。其实，上述对住宅的造价估算已经非常高了，在全国大部分地区甚至连一半的造价都达不到。住宅的成本远远低于汽车的成本，我们还无法做到“像造汽车一样的造房子”。

目前，建筑成本始终受限于建筑定额。目前执行的建筑定额制初定于1955年，是符合当时的计划经济体制的管理办法。这以后预算定额的编制和管理工作下放到各省、市、自治区，例如北京市于1996年制定了96概算定额，时隔八年后制定了04概算，时隔十二年后又制定了16定额。但定额的调整永远赶不上市场价的变化。

根据标定司2022年2月15日发布的人工工日单价为：最低价127和最高价143（不含五险一金），通常情况下一个工人可以做到2~3热定额工日，即可以挣到最低254元至429元。但工地的现实情况是，泥瓦工两夫妻每天要1500元。这个差价用什么方法找回来？

所有人都认为定额偏低，但是又不得不按照定额进行招投标、概算、预算和结算。在定额已经偏低的情况下，又被各种程序漏洞和管理问题消耗了微薄的利润。没有足够的利润，就不可能生产高品质的产品。更不可能投入资金进行技术研发，技术进步就无从产生。整个行业就这样陷在一个恶性循环的怪圈里。这就是为什么建筑行业的工业化水平在整个国民经济的所有行业中，始终处于最低水平。

只有大幅提高利润，才能实现整个行业的良性发展。今年的两会有代表提出要提高设计费，我认为问题的关键不仅仅是提高设计行业的收费标准，而是应该提高整个建筑行业的收费标准。

从全生命周期角度，看一栋建筑的成本构成为：

1.直接成本：建安成本。

2.间接成本：时间成本、资金成本、维护成本。

如前所述，直接成本应该大幅增加，辅以建筑工业化的技术手段，反而可以降低间接成本。一方面，工业化的高效率，可以节省大量的时间成本。节省了时间成本，资金成本也就相应节省了。另一方面，工业化带来的高品质大规模生产，又会大大提升整体建筑的品质，从而减少维护成本。

因此，提高建安造价，并不简单地等同于提高成本。成本一定要与品质相对应，成本一定要与建筑的全生命周期各阶段的能耗相关联。

提高行业的利润率可以带来如下好处：

1.产品品质极大提高，产品寿命延长，维修费用降低。有效地实现了节能减碳。

2. 企业有足够的利润可以培养自己的产业工人，产品品质进一步提高，企业的经营进入良性循环，行业从业人员收入普遍提升，又将带动相关行业的投资和消费。

3. 整体国民经济的发展进入良性循环。

目前中国一二线城市的房价已经与国外发达国家的房价不相上下了，有些地方甚至超过发达国家的房价，但是中国的建安造价却相对低很多。例如香港的公屋，其地上部分的建安造价约为18000元/平方米。再比如日本的一户建，建安造价也在10000元-20000元/平方米之间。日本的建安造价组成中，材料费跟中国不相上下，但是人工费占的比重较大。人工费占比较大意味着从业人员收入很高，收入高其消费能力就高，整个经济就是一个良性循环。我认为中国今后应该大幅提高人工成本，让设计师、技术工人等从业人员进入高收入的行列，让建筑行业实现良性循环。

四. 系统性思维：

早在2000多年前，亚里士多德概括了系统学的精髓在于“整体大于部分之和”。一栋房子是由钢筋水泥形成的地面、墙体、屋顶围合而成若干功能空间组成的，在这里，所谓“整体大于部分之和”包含了如下含义：

1. 这是由钢筋水泥形成的可以满足使用功能的空间，而不是一堆建筑材料的简单堆砌。它产生了一个新的功能：供人们居住使用，这在系统学上称为“涌现”。

2.这栋房子结构是安全的。

3. 这栋房子应该能够遮风避雨，可以保温隔热。

无论是用传统的建造模式还是用工业化的建造模式，一栋房子的建造都  必须实现“系统性集成”，否则就不可能实现整体大于部分之和的目的，也就不能称之为房子。把一栋建筑当作一个完整的产品来看待，是系统性思维在建筑行业的具体表现。

工业化的建造模式是又快又好地建造高品质的房子，这种模式就需要把房子分解成若干模块，在工厂加工后运至施工现场进行组装。模块应该如何分解？是按照功能空间模块来分解还是按照专业来分解？模块化设计方法是实现建筑工业化的组织架构。

五.  模块化（Modularity）：

模块化是建立工业化体系最有效的技术手段（《设计规则－模块化的力量》卡丽斯?鲍德温、金?克拉克著）。

1. 模块的定义：

模块是一个单元，其单元内部的结构要素紧密地联系在一起，而与其它单元内部结构要素的联系相对较弱。复杂系统的管理可以通过将系统分割成子系统，然后分别处理来实现。当系统要素的复杂性超过了特定限制，可以将这种复杂性分离抽象出来，作为独立的具有简单界面的一部分。

 2.  模块的分类：

模块并不能简单地等同于一个物理意义上的三维体块，它可以是任意形状的，甚至可以是无形的。比如WIFI系统就可能是由一个发射台加上电磁波组成的，亦或是由一组网线加上路由器再加上电磁波组成的。因而WIFI系统就是由有形组件和无形的电磁波共同组成的。

模块的分类大致如下：

1）系统性模块：也可以理解为按照专业来分。

i.  建筑模块：外维护墙体系统、内隔墙系统等。

ii.  结构模块：框架结构系统、剪力墙结构系统等。

iii. 设备模块：空调系统、强弱电系统（例如供电系统、WIFI系统等）、给排水系统等。

iv.  装修模块：墙、顶、地、厨房、卫生间等。

v.  家具模块：桌椅、床、收纳系统等。

2） 空间模块：

i.  零维模块：固定装置，如螺丝、螺母等。

ii.   一维模块：梁柱等杆件。

iii.  二维模块：整体楼盖、墙体、屋顶等。

iv.  三维模块：箱式建筑等。

模块的分类体现了模块化体系的多样性，不同的模块化体系适用于不同的建设项目。例如在城市更新的项目中，当施工场地和运输道路狭小时，采用杆件模块化系统就是最好的选择。箱式模块工业化水平最高，但还要综合考虑其运输的距离、路况条件等因素。采用何种体系一定要站在建筑全生命周期的角度去综合考量。

3.  模块化的定义：

将一个复杂系统按计划分解为一系列相对简单的、准独立的子系统（单元）的过程就是模块化，这些子系统（单元）统称为模块。模块化是一种特殊的设计结构，其参数和任务结构在模块内是相互依赖的，而在模块之间是相互独立的。

4.  设计规则的定义：

每个模块的分解及设计必须遵守某种共同的设计规则，以保证这些模块能够和谐地组合成一个完整的复杂的新系统，以实现“整体大于部分之和”的目的。这类共同的设计规则就是产业标准。

设计规则包含了如下内容：

1）设计架构：即系统的各部分模块的特性，它们扮演什么角色。

2）界面：即描述不同模块之间如何相互作用，包括它们之间如何匹配、连接、传递信息等。

3）集成协议及测试标准：即设计者安装系统的方法，并决定系统如何运行、某一特定模块是否符合设计规则。

5. 模块化系统的优点：

模块通过组合和搭配，在某一特定条件下可以实现系统最高价值的 配置。系统设计者不必确切地知道模块内部是怎样设计的，只需要大致地知道模块会做什么，模块是如何装配的，以及什么样的模块才具备好的性。

6. 模块化设计的两个功能：

1）模块化设计创造了选择权：

一旦设计规则以集中式的、自上而下的方式进行设定时，每个模块只要遵守共同的设计规则，模块内部的设计就以分散化的方式相互独立。这就使得每一个模块能够同时以多种方式而不是单一方式进行设计，然后从中选择最好的设计构成最终的产品系统。整个系统的改进可以通过各个独立模块的改进或用更好的模块替代，这种改进的方式产生了联系松散且纵向分散的“模块族群”，这些族群由统一的设计规则（产业标准）联系起来。

模块化设计创造了选择权，只要符合设计规则的产品都可以被系统接纳。模块化设计促进了市场竞争，使得行业可以形成良性发展的业态。

2）模块化设计可以演进：

通过分割，模块可以被进一步细分；通过替代，它们可以得到改进；通过扩展，新的模块可以被创造出来；通过排除，新的系统可以被试验；通过归纳，多余的活动可以被合并为单一模块；通过移植，系统可以借助共同的模块联系在一起。通过模块的上述行为，就可以设计和实施新的产品系统，模块化设计使得产品不断地产生迭代。

7. 块化的作用：

1）模块化提高了复杂性的“可控”范围。通过限制模块之间交互作用的范围，模块化可以减少设计或生产过程中发生循环的次数，缩小发生循环的范围，从而缩短设计和生产的时间。

2）模块化使大型项目的不同部分可以同时进行设计。模块化任务结构中的独立模块可以同时进行设计，这就是并行工程。并行工程所节省下来的时间和上述循环中节约的时间加在一起，将节约非常可观的时间成本。

3）模块化可以包容不确定性。模块化设计的一个独特特点是它将设计参数分为可见参数和隐藏参数两类。隐藏参数对其它模块来说是独立的，隐藏参数可以改变。如果后来出现新知识，从而使模块的设计获得更好的解决方案，就可以直接将新方案纳入，而不用改变系统的其它部分。

 8. 模块化与工业化：通过工业化的手段，模块化可以获取生产的规模和范围优势。同种类型的模块化可以支持“大规模定制”，从而能够以大规模生产的成本来实现更高水平的多样化。因此，建筑行业可以通过模块化的分解建立建筑工业化技术体系和管理体系，同时，通过模块化的组合实现建造过程的工业化。

六.    建筑工业化的主要特征：

1.  标准化：建筑的标准化不能简单地等同于楼栋的标准化。

以集合住宅项目为例，由于每个建设用地的条件不同，例如地块形状、规划条件（容积率、建筑密度、绿地率、日照、限高等）不同、设计水平不同、公摊面积不同等，同样建筑面积的户型就会产生不同的使用面积，其长宽尺寸也不尽相同。其套内户型都无法标准化，因此户型和楼栋的标准化是不成立的。

建筑是一个复杂系统，所谓的建筑标准化，是采用模块化的方式将建筑分解成多层级、相对简单的子系统，从而形成一系列标准化的模块族群，或者叫标准化的产品族群。建筑的建造过程则是在一系列的标准化产品族群中，选择适合的产品组合成一个多样化的系统。这样，才能形成产品的大规模生产，才可以在提高品质、提高效率的基础上，降低生产成本。标准化的终极表现形式就是产品化。

2.规模化：一般情况下，异形部品的成本肯定是高的。但如果生产批量足够大，其生产成本仍然可以大大降低，也仍然可以视其为标准化的部品。但是，在后续的运输和安装过程中，如果需要采用专用的运输和安装工具以及特殊的工艺流程时，整体建造成本又将升高。所以，仅仅做到生产过程的规模化仍不是完整的工业化。需要注意的是，规模化是指大批量生产，但并不等同于单一企业规模的大型化，而是实现全产业链的规模化。因此要克服对大企业的盲目崇拜，通过更分散、更有效的模块化设计规则，以鼓励全社会共同参与竞争的方式整合来自底层的创新和竞争。

3. 社会化：

产业标注的制定使得行业可以采用分散加工、集中装配的方式，从而实现跨行业整合产业链。这里着重强调的是鼓励全社会共同参与竞争，由此带来的效果，一是能够产生新的业态和产品，二是鼓励中小企业参与竞争。新业态的产生是因为建筑行业几乎和所有行业都会产生关联，新业态的产生随时在发生。例如，制造业和建筑业的整合产生了部品生产，信息行业与建筑业的整合产生了数字化设计和建造等等。无论是新业态的产生和中小企业的参与，都可以使行业产生新的经济增长点。

4. 规范化：在建筑全生命周期中，建立从设计、生产、安装直至运维全流程的标准规范。这样，一方面使得技术的传授可以采用现代化的教育方式进行，摆脱传统的师傅带徒弟的方式。另一方面也使得全流程的管理难度降低。因此，规范化中也包含了简化。

5. 专业化：把每个模块的品质做到极致，就是专业化的体现。瑞士的钟表业就是典型的模块化基础上的专业化，有的家族几代人只做机芯。把一件事情做到极致的过程，也是技术不断演进的过程，技术的演进和产品品质的不断提升就是专业化。专业化并不等同于高科技，要避免盲目追求炫酷的高科技，因为即便每个模块都采用了高科技，也不代表整个系统的品质就可以顺理成章地达到极致了。高科技产品模块如果采用了低级的集成技术，同样无法实现高品质的系统。相反，低科技但是高品质的产品模块如果采用了高级的集成技术，同样可以组成高品质的系统。采用哪种方式，取决于项目对产品的品质和成本要求。

6.可制造性和可装配性：DFMA是英文Design For Manufacturing& Assembling的缩写，意为“基于制造和安装的设计”，即在设计的时候应考虑制造和安装的可能性和成本。这是目前装配式建筑中普遍存在的问题，在设计方案时不考虑如何造和组装，而是施工图完成后再找专业的拆图机构拆成部件加工图。由此造成了生产的非标准化、运输和装配复杂化，使管理难度提升，建造成本提高。

7. 可控性和可测试性：这是产品化的重要标志，即产品在生产和装配的每一个阶段，其品质都是可控和可测试的，这样才能保证最终产品的品质。因此，如何用工业产品的检测方法，控制建筑部品在生产和装配的各阶段的品质，是建筑工业化亟待解决的难题。

七. 关于BIM：

BIM是英文Building Information Modeling的缩写，其中Modeling是“模拟和建模”的意思，因此BIM的含义应该是建筑的模拟和建模的过程。但是国内却翻译成“建筑信息模型”，仅强调了模型，而失去了模拟和建模的意思（引自《给建筑师的人工智能导读》何宛余著）。正是“失之毫厘、谬之千里”！

BIM应该翻译成“建筑信息化模拟”才对！

BIM的作用不是二维设计做完后建一个三维的模型糊弄完事，而是在项目初期就组织全产业链以并行的方式，一体化地共同参与设计。BIM是并行工程的三维工作平台和工具，以BIM为工具，采用并行工程的工作模式，是实现建筑工业化的有效途径。

八.    并行工程：

1.  现代集成制造系统CIMS：

Contemporary Integrated Manufacturing Systems是信息时代提高企业竞争力的综合性高技术。它将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，应用于企业产品全生命周期（从市场分析到最终报废处理）的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、资金流的集成和优化运行，达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成，以缩短企业新产品（Ｐ）开发的时间（Ｔ）、提高产品质量（Q）、降低成本（C）、改善服务（S）、节能环保（E），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力（《并行工程的理论与实践》熊光楞著）。

CIMS的现代化特征是数字化、信息化、虚拟化、集成化和绿色化，CIMS技术体系是实现建筑工业化的重要手段。

 2. 串行工作模式：

这是一种传统的项目开发模式，即按照设计、制造、安装、运维的固定顺序完成项目建设的工作模式。这是一种“抛过墙”式的产品开发方式。项目成员按要求完成本职工作后将成果抛向下游，出现问题后则抛回上游。

  串行工作模式的问题：

  1）由于设计周期占整个项目周期的比重较小，因此设计时间较短，考虑不周。

  2）设计过程是一个刚性序列，灵活度不高。

  3）部门之间缺乏交流，设计问题只有到了生产和装配阶段才被发现，为保证产品质量，不得不返工重新修改设计，造成资金浪费和时间延误。

  4）设计时不考虑可制造性和可装配性。

  5）设计时不考虑可控性和可测试性。

  6）设计师不知道成本信息，因此不能把成本作为设计目标之一。

  7）设计数据零散分布于建造过程，数据无法保持一直，无法变成后续项目的经验积累。

3.    并行工程（ CE ）的定义：

ConcurrentEngineering是现代集成制造技术中的一种。它是针对企业中存在的传统串行产品开发方式的一种根本性的改进，是一种新的设计哲理与产品开发技术。

并行工程是对产品及其相关过程（包括生产过程和支持过程）进行 并 行、一体化设计的一种系统化的工作模式。 这种工作模式力图使开发者 从 项目初始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进 度和用户需求。

4.         并行工程对项目的影响：

1）周期（T）：设计及相关过程并行，使项目开发周期缩短４０－６０％。

2）质量（Q）：设计质量改进，使项目建设减少变更５０％以上。

3）成本（C）：多专业小组一体化设计，使成本降低１０%以上。

5.  并行工程的四个关键要素：

1）产品开发队伍重构：将传统的部门制或专业组变成以产品为主线的多功能集成产品开发团队（IPT：IntegratedProductTeam）。

2）过程重构：从传统的串行产品开发流程转变成集成的、并行的产品开发过程。并行过程不仅是活动的并发，以及各专业的协同，更重要的是使信息流动与共享更有效率。

3）产品的数字化：

i.  产品模型的数字化。

ii.  产品生命周期的数据管理。

iii.   数字化工具的应用：如CAD、CAM、DFMA、DFC等。

4）协同工作环境：用于支持IPT协同工作的网络与计算机平台。

6.    并行工程与建筑工业化：

1）目前建筑行业普遍采用的是传统的串行工作模式，设计师对设计成果的最终体现是无法掌控的。因为设计方案更偏重于“概念”和“构想”，具体怎么实施往往要依赖于技术工人的手艺和道德水平。而并行工程可以通过系列化、标准化的部品选型，组合成一个建筑，使得设计过程和建造过程实现可控。

2）并行工程与BIM的结合可以真正实现数字化建造。2020年，深圳市在两个隔离酒店项目上采用了IPMT＋监理＋EPC的模式，就是并行工程与建筑工业化的完美结合，实现了政府工程建设项目全流程的一体化管理和高效建设。

九.    新型建筑工业化：

新型建筑工业化就是在建筑工业化的基础上，以模块化、并行工程的方式

对建筑行业进行数字化重构的过程。数字化重构将对建筑行业产生革命性的影响：

1. 伴随着新一代信息技术的发展，数字化实现了实体建造与虚拟建造融合，推动建造方式从传统的“试错法”到基于数字仿真的“模拟择优法”转变，构建了建筑工业化快速迭代、持续优化、数据驱动的新生产方式。借助工业互联网，数字化重构可以用模块化的方法搭建建筑工业化产品族库，使得建设项目从传统的图纸设计--现场施工模式，转变为标准化模块的选择和组合模式，可以实现建筑行业的产品化转型。产品化才是标准化的终极表现形式。

2. 伴随着CAD、CAM、CAPP等新研发工具的大规模使用，通过建立高度集成的数字化模型及研发工艺仿真体系，将传统串行的、碎片化的项目建设过程在时间和空间上交叉、重组和优化，将原本在产品生命周期下游的制造、安装和运维的技术工作提前到上游进行，有效整合跨区域、跨行业、跨企业的技术资源，数字化重构推动了项目建设过程从串行向并行演进，实现了从碎片化向全过程、全产业链和全生命周期的行业重构。

3. 与其它行业相比，建筑行业的建造者与最终用户之间的联系是最弱的，最终用户往往对建筑产品的设计没有任何发表意见的机会。但数字孪生技术可以实现建造者与最终用户在虚拟空间的共同设计，使生产者和消费者合二为一，从而产生了一个新的身份：产消者（Prosumer）。例如，如果居住建筑采用了SI框架体系，就可以让住户用VR的方式实现自己设计室内布局，而设计师则可以帮助住户在标准化的室内产品族库中选择适合的产品，从而达到“标准化输入和多样化输出”的效果。而这个过程可以在住户的全生命周期中不断的循环，室内布局可以很方便的变化以适应住户家庭人口结构和生活方式的变化，从而实现“不换房的人生”

4.   数字化与区块链的结合，将会形成一个开放的共享平台，从而产生网络协同制造、共享制造等新模式，数字化重构推动生产地点从集中化走向分散化，跨地域、跨行业、跨企业的协同成为常态，从而实现建造的社会化，形成更为公平的、充分的市场竞争环境。

5.  最终，数字化重构的目标是资源优化。通过资源优化以实现建筑产品更好的质量、更高的效率、更合理的成本。