从项目管理的角度看模块化建筑及其潜在优势和制约因素（一）

   

   

巴塞罗那土木工程学院 是加泰罗尼亚唯一一所教授土木工程的中心。其主要目标是培养具有扎实的科学培训和强大的管理技能的土木、海事和环境工程方面的高素质专业人才。巴塞罗那土木工程学院的学生能够应对复杂的挑战并适应不断变化的商业和社会环境，为其可持续发展做出贡献。

在土木工程领域，学校是欧洲最负盛名的中心之一 ，基于教学质量和高水平研究活动的卓越性。另一方面，学校有一个由专业团队组成的行政部门，其主要任务是提供最优质的服务。

本文是该学校“结构与建筑工程”专业2020年的一篇硕士毕业论文。让我们看一下西班牙的工程硕士论文大概什么水平~

结构与建筑工程硕士提供结构工程和建筑方面的扎实教育。学习计划允许 3 条路线：结构分析、技术或结构和施工。因此， 它侧重于结构分析和设计、施工过程、项目和工程的有效管理、其环境和社会经济影响以及可持续性。 硕士授予建筑和土木结构的设计和施工技能，成为一名高素质的专业人士，并有科学的基础继续攻读博士学位。

Modular construction and overview on its potential advantages and constraints in the project management perspective

从项目管理的角度看模块化建设及其潜在优势和制约因素综述

Author:

Masoud Veiskarami（应该是个穆斯林留学生）

Director:

Pujadas Alvarez, Pablo

Master's degree in:

Structural and Construction Engineering

Barcelona, September 2020

EPC - Department of Project and Construction Engineering

摘要

在过去的一个世纪里，与其他行业相比，建筑业的生产率很低。为了解决这一问题，引入了建筑工业化的概念，模块化建筑是其发展历史不短的方法之一。但是， 在过去十年中，它的性质已经改变，作为永久性用途使用寿命更长。

本研究的目的在于从项目管理的角度识别模块化建筑行业可能的优势，并调查与之相关的常见挑战，并试图找到适当的解决方案。本研究的方法是定量和定性相结合的基础上的方法。

使用多准则决策软件(MIVES)来衡量优势的功能及其对最终决策的影响，使用三种模块化方案(钢、木材和混凝土)或传统的钢筋混凝土方法来建造住宅项目。结果表明，尽管在两个环境标准(二氧化碳排放量和施工期间使用的隐含能源)中很少有糟糕的表现，总的来说， 所有三个模块化替代方案在每一个要求中都克服了传统的选择，预制木材模块化方法成为最可持续的替代方案。这一结果证实了模块化施工优势的积极作用，并显示出其优于常规施工的特性。

此外，我们还向模块化玩家发送了一份定性在线调查表格，以确认所确定的好处，讨论常见的挑战，并接收解决这些问题的建议和解决方案。回应从5家公司收集了平均20年的模块化建设经验，说明优势可以在实际项目中实现，以及文献回顾和研究案例的决策过程确定。

另一方面，仍然存在一些没有解决的挑战，如项目参与者之间缺乏合作伙伴关系、使用自动化时由于本地编码而产生的冲突、对市场的错误认识等。

可能的解决方案包括为模块化产品创建一个国际代码，在公共/市场上宣传模块化方法的潜在优势，更新合同条件， 最重要的是改善科学研究人员和非现场行业之间的合作，以激励和提供研究人员更多的真实数据，以防止假设的对比，找到更创新的解决方案。

Keywords: Sustainability Modular construction Embodied energy Prefabrication

Lifecycle assessment (LCA)

Building information modelling (BIM) MIVES

Productivity rate Standardization

序言

1.1 动机  

在过去的60年里，与其他行业相比，建筑业的生产率较低。研究人员建议，通过应用生产技术和设计标准化产品，在非现场工厂建造，以提高建筑性能。通过对非现场方法的搜索，模块化施工被发现，与传统施工方法相比，它具有更高的可持续性和生产力。

这些研究的动机之一是研究模块化结构的优势，以证明模块化结构优于传统方法，并作为生产力问题的合理解决方案。然而，关于该方法的受益对象存在各种各样的意见和争论，因此决定从施工管理的角度对其进行更深入的分析，甚至联系行业进行专业确认。

本研究的另一个动机是促进模块化建筑的发展，通过发现模块化建筑行业的挑战，找到阻碍其发展的原因，并找到可能的解决方案，以帮助增长。

1.2 Orientation of previous studies以往研究的方向  

在过去的二十年中，与其他创新方法相比，很少有研究关注这一主题，分析该方法在经济、环境和功能方面的优势，并在可能的情况下与传统施工方法进行比较。

麦肯锡公司2019年报告概述了其潜在优势、挑战及其在施工过程中提高生产率的能力，同时通过比较模块化和传统方法在项目进度、预算和环境性能方面的好处，最后揭示了行业增长的障碍，并提出了改进的可能解决方案。

此外，还有许多文章通过对排放、废物生成和消耗初级资源等进行生命周期评估(LCA)分析，关注模块化建筑的环境性能(Mohammad Kamali和Kasun Hewage等人，2016)。

另一方面，也有研究将传统的施工方法和模块化的施工方法进行比较，基于BIM模型和专业的数据库来构建特定的项目，取得了很大的成果，显示出许多优势。(A.WA。Hammad等人，2019年)(L. Aye等人，2011年)(Ali Tighnavard Balasbaneh, Springer-Verlag, 2020年)。

1.3 Gap of knowledge知识的鸿沟  

从现有的研究来看，由于知识的差距， 一些问题是没有答案的:

通过行业内专业人士的科学研究证实了这些好处？

这些优势是否影响了选择模块化方法而不是传统方法的最终决定?

市场的需求是什么，这可能是使用模块化建筑的动机?

从专业角度来看，这个行业的挑战是什么?

研究人员提出的解决方案能否应用于实际项目中?他们的专业解决方案是什么?

1.4 Objectives of the study研究目的  

本研究的重要性在于通过完成研究目标来解决上述问题，这些目标通过两种方法来实现，即定性和定量:

1.4.1 Survey among the professionals in the modular industry by Online Form在线表格对模块化行业专业人士的调查：

确认/纠正文献综述中关于模块化结构好处的数据

他们选择模块化方法的动机和原因

他们面临的制约和障碍是什么?

对这些问题的建议和解决方案

1.4.2 Decision-making among three modular methods and conventional option by MIVES利用MIVES软件对三种模块化方法的决策与常规进行选择

通过对四种方案的比较，发现实际研究案例中的优势

检查几个标准中每个备选方案的功能

在根据市场需求和优先级进行最终决策时，这些效益能发挥多大的作用

1.5 Limitations局限性  

在研究过程中发现了几个障碍，对方法和输入数据产生了显著影响。以下是一些例子:

1.5.1 Lack of existence of references related to the subject缺乏与主题相关的参考文献

由于学科的新颖性或缺乏重点，参考文献的数量不足以涵盖研究的所有维度，因此很少使用估计、假设(最后的结果证明)和专家顾问来提供必要的信息。此外，许多科学报告和文章是在该研究得出结论的几个月甚至几天前发表的，因此决定立即使用该研究来提高研究的可靠性。

1.5.2 Non-accessible information from companies and scientific articles从公司和科学文章中获取不可获取的信息

有些创新公司由于其隐私政策和对创新的保护，不能按要求提供有关其项目的必要数据，即使是用于学术用途。

另一方面，在某些情况下，科学论文受到保护，没有开放获取，甚至没有教育访问许可，因为作者的请求被拒绝了。

1.5.3 Obstacles caused by global lockdown during covid-19 pandemic

covid-19大流行期间全球封锁造成的障碍

在研究期间发生的不可预测的挑战之一是对世界产生负面影响的病毒大流行，这项研究也不例外。取消了现场项目、非现场工厂参观、行业专家采访等。许多地区全面关闭，包括办公室、工厂等，这导致在线调查表格的参与也减少了。因此，我们决定选择5个最合适的参与者来进行分析，而不是计划中的大量结果。

1.6 Organization of the thesis论文结构  

第二章:技术现状，解释生产力问题，历史，模块化建设的类型和阶段，以及关于利益和挑战的文献综述

第三章:模块化行业参与者在线调查

第四章:MIVES多准则决策方法

第五章:结论与研究结果

第六章:建议

第七章:参考文献

附录A(输入数据参考)

附录B(调查及问答)

Kewwords: Sustainability Modular construction MIVES

Productivity rate Prefabrication

Lifecycle assessment (LCA).

当前发展状况

2.1 Productivity problem in construction industry   建筑业生产率问题

2.1.1 Status of productivity rate of construction industry among other industries   建筑业生产率在各行业中的地位

几十年来，建筑业在生产率方面远远落后于其他行业。该行业的创新参与者已经进行了尝试，但差异仍然太大，需要改进的要求。

在过去20年里，全球建筑业的劳动生产率平均每年增长1%，而全球经济和制造业的增长率分别为2.8%和3.6%。如果建设产业的生产效率能够赶上整体经济，每年将增加1.6万亿美元的附加价值。 (麦肯锡,2019)

图2.1 -其他行业的生产率状况(www.fieldwire.com)

可以说，建筑业是整体经济的重点行业之一。 建筑业通常占西方经济体国内生产总值(GDP)的8- 10% (McGeorge & Palmer, 2002)。因此，只有10%的建筑性能改善就可以代表2.5%的GDP增长(McGeorge & Palmer, 2002)。因此，毫无疑问，提高建筑业的生产率将对整体经济做出积极的贡献。

英国存在生产率问题，而建筑业的生产率增长速度比其他任何行业都要慢。简单地说， 生产力就是一个人在一段时间内生产的东西(无论是商品还是服务)的数量。 英国的生产率低于2008年，而建筑业在过去20年里也没有看到任何显著的生产率增长。(图2.2)

Figure 2. 2-英国生产力状况(国家统计局- ons)

Figure 2. 3 - 各地区建筑生产力的比较(EUKLEMS)

并不是所有地区都在以同样的速度挣扎，原因将进一步讨论，这可能是监管机构的兴趣，以支持创新和新的解决方案，可以提高建筑业的生产率。(图2.3)

结果是70%到90%的项目超出了原来的计划成本，超支通常在预算的50%到100%之间。建筑业57%的工作是在非增值活动上，而制造业只有26%。 (图2.4)

这些生产率在某些时期经历了几次上升和下降，这是因为住房需求的增加导致了建筑业的增长，以满足需求。

Figure 2. 4 - 行业增加值比较(ennova.com)

2.2.2 Reasons of poor productivity生产率低下的原因

造成这种糟糕表现的原因有很多。该 行业受到广泛监管，非常依赖公共部门的需求，而且周期性很强。不拘礼节和有时的腐败扭曲了市场。此外，糟糕的项目管理和执行、不足的技能、不充分的设计过程，以及对技能开发、研发和创新的投资不足，会通过降低活动的可行性和价值，并增加项目的额外成本，间接影响生产力。

另一个导致建造参与者之间中断的关键因素，这降低了平均生产率， 是参与者之间缺乏协调的生产率。换句话说，该行业主要分为两部分:大规模参与者参与重型建筑，如民用和工业工作和大规模住房，大量公司从事分散的专业行业，如机械、电气和管道工作，作为分包商或从事小型项目，如翻新独栋住房。 第一组的生产率比第二组高20%到40%。

然而，即使是在生产效率更高的重型建筑行业，在满足大型项目的成本和进度承诺方面也存在着普遍的(潜在的)结构性挑战，而且参与者经常将专业交易分包。 (麦肯锡和;公司，2019年)(图2.6)

Figure 2. 5 - 生产率低下的原因(利昂·范·希登，journeyapps.com)

Figure 2. 6 - 建筑行业参与者之间的分化及其不同的生产率(麦肯锡，2019年)

2.1.3 Solutions for improvement改进的解决方案

如今，有一些解决方案正在被应用于建筑行业，比如重塑法规;重新制定合同框架，重塑行业动态;重新思考设计和工程流程;改进采购和供应链管理;提高现场执行;融入数字技术、新材料和先进的自动化;对劳动力进行技能培训。每个地区将根据其能力、潜力和基础设施作出决定，哪些方法可以用于在短期或长期内提高建筑项目的生产率。

重新定义监管: 行动包括简化许可和批准程序，就像澳大利亚所做的那样;减少不拘礼节和腐败;鼓励成本和性能的透明度，正如国际建筑测量标准项目所做的那样。

许多政府为创新和培训拨款。   例如，德国联邦交通和数字基础设施部(前身为联邦交通、建筑和城市发展部)通过建筑材料研究来支持R&D。

  最佳实践监管将包括朝着以结果为基础、更标准化的建筑规范发展，以及整合土地以促进规模发展。   例如，新加坡允许高层建筑使用交叉层压木材(CLT)，日本通过土地集约扩大规模等。

重新安排合同框架: 在项目中建立一个单一的真相来源，以便尽早监测进展，潜在地由协作技术支持，有助于最小化偏差，并使联合纠正行动成为可能。这些数据已经存在，可以从根本上提高成本和进度估计的准确性。

在玩家继续使用传统合同的情况下，他们应该引入激励机制，在项目结果层面(而不是交易或包层面)显著提高表现和联盟。为了实现最佳实践，适当的替代契约模型(如集成项目交付(IPD))有助于建立长期的合作关系。

关系契约需要比事务契约更普遍。充分投资于前期规划，结合各方的投入，已被证明可大幅提高生产率。智能合约是这些解决方案的另一个例子，近年来被主要参与者所识别。

智能合约分别是一种计算机程序或一种交易协议，其目的是根据合同、协议或谈判的条款自动执行、控制或分别记录与法律有关的事件和行动。智能合约的目标是减少对可信中介的需求、仲裁和执行成本、欺诈损失，以及减少恶意和意外例外。

(Tapscott Don, Tapscott Alex &Savelyev亚历山大2016)

Figure 2. 7 - 区块链和智能合约在建筑中的功能(enstoa.com)

非现场生产转移: 对生产率影响最大的是将建筑视为一种生产系统，尽可能鼓励非现场制造，通过广泛使用预制技术最小化现场施工，在工厂组装面板，然后在现场完成部件。

提高现场执行力: 有四个关键的方法在行业中很有名，但没有被普遍采用。首先是引入了一个严格的计划过程最后计划系统(LPS)是一个有用的工具，以确保关键活动在时间和预算范围内完成。   例如，在大型油气项目中，综合规划工具的使用使项目的生产率提高了70%。

  其次是重塑业主和承包商之间的关系和互动，在解决现场问题的定期绩效会议上商定并使用关键绩效指标(kpi)。   将常用的kpi与附加的前瞻性计划一致性度量相补充，以识别并随后减少方差是至关重要的。

第三是通过确保所有前期工作(例如，获得批准和制定项目里程碑)在现场开工前完成，从而改进新项目的动员工作。

  最后，还需要对现场不同学科进行仔细的规划和协调，同时应用精益原则来减少浪费和可变性。   通过实施一个基于云的控制塔，可以快速地以接近实时的方式收集精确的数据，这些数据可以回溯和预测(例如，使用计划一致性和其他可变性和库存指标)，现场生产力可以提高50%。

引入数字技术，先进的自动化: 公司可以从在公司内部普及3D建筑信息建模(BIM)开始，同时使用数字协作工具、无人机和无人机进行扫描、监控和绘图。他们可以利用5D BIM等平台在设计、成本计算和进度可视化方面建立透明度(图2.8)，使自己处于最前沿。

Figure 2. 8 - 用于成本和时间估计的BIM 5D模型(www.blazethread.com)

物联网支持的高级分析技术，可改善对材料、劳动力和设备生产率的现场监测;数字协作和移动工具(如加载在移动设备上的建筑管理应用程序)可以更好地跟踪进度和实时协作。(图2.9)

Figure 2. 9 - 数字化建设组织(www.bimcommunity.com)

先进的自动化设备和工具，如砌砖和贴砖机器人，可以加快现场执行。数字制造(dfab)是一个非常广泛的领域，有着广泛的应用。

Dfab技术是基于计算设计方法和自动化施工过程的结合，通常分为减法、形成或添加(Kolarevic, 2003)。减法和形成化的数字制造正在成为建筑部件预制(非现场)的主流(例如，使用激光切割，数控铣削等)。

近年来，增材制造工艺，尤其是3D打印，在许多行业都有了迅速的发展。随着对添加剂制造兴趣的增长，对大规模工艺的研究开始揭示其在建筑领域的潜在应用(Labonnote等人，2016)。

现有的增材dfab技术可分为两大类:现场施工技术和非现场施工技术。一方面，现场数字化制造的目的是将增材制造工艺引入建筑工地。

Sousa等人(2016)将现场技术分为三类:大型机器人结构、移动机器人手臂和飞行机器人车辆。第一类中一个著名的例子是轮廓工艺，一个用于3D打印大规模建筑的机器人结构，由南加州大学开发(Khoshnevis, 2004)。

Figure 2. 10 - 轮廓工艺的发明者Behrokh Khoshnevis教授

培训劳动力: 如果不投资重组劳动力，建筑业就无法实现变革，因为劳动力正在老龄化，并通过移民改变其构成。建筑公司和工人需要不断地进行技能培训，以使用最新的设备和数字工具。其中应该包括学徒计划，比如西门子在英国运营的学徒计划，对一线工人进行目前不发达的核心技能培训，并通过打破季节性和周期性来提高劳动力的稳定性。

2.2 Brief on modular construction模块化结构简介

2.2.1 History of modular construction模块化建造的历史

1800s

1830年，伦敦木匠约翰·曼宁(John Manning)为他从英国搬到澳大利亚的儿子建造了第一个预制房屋。曼宁用碎片建造了一座预制房屋，然后把它运到“澳大利亚”，方便组装。

1840年，为了满足加利福尼亚淘金热的住房需求，模块化建筑进入了美国。“水晶宫”是为英国世界博览会而建造的，在1851年仍然是早期模块化建筑最著名的例子之一。在不到两周的时间内设计完成，它使用了轻而便宜的材料，如铁、木和玻璃;它只用了几个月就建成了。后来，宫殿被拆除，搬迁，并在另一个地方重建。

Figure 2. 11 - 位于伦敦的水晶宫建于1851年(blog.inoxstyle.com)

1900s

芝加哥的建筑工人奥古斯丁·泰勒(Augustine Taylor)设计了气球框架法(图2.12)，使墙体可以在工地外建造，然后运到预定的工地，以便快速组装。

目录房的兴起发生在1908年至1940年之间，当时西尔斯罗巴克公司(Sears Roebuck and Co.)通过目录直接向消费者销售了50多万套预制房屋。

当时，这些房屋的成本不到传统房屋的三分之二，而且许多房屋仍然存在于美国各地。

Figure 2. 12 - 气球框架墙，奥古斯丁·泰勒(Augustine Taylor)

WWII Housing Boom二战房地产繁荣

预制结构一直延续到第二次世界大战，以满足日益增长的军事人员大规模住宿的需求。所谓的“Quonset hut”，在英国被称为“Nissen hut”，由波纹钢组成，用于国内、军事和机构用途。

当士兵们开始返回家园时，美国需要迅速建造新房，以容纳这些不断扩大的家庭。模块化施工再次满足了这些需求，因为它高效、低成本和快速施工。今天，许多这样的装置仍在使用中。

Prefab in Post-war Europe

战后欧洲的预制件

欧洲的情况更加困难:虽然由于第二次世界大战的破坏，数以百万计的人在旧大陆上没有地方居住，但人们不愿意接受预制建筑。在德国，不仅因为轰炸失去了25%的住房，还不得不让1200万来自东欧前德国领土的难民融入社会，一种预制房屋的形式被广泛使用:Nissen Hut(类似于Quonset Hut)。

战后的法国也曾尝试用预制房屋来解决住房短缺问题。1944年，重建和城市规划部已经委托Jean Prouvé建造800所可以轻松拆卸的应急避难所。然而，只有400个“Maisons àportique”，配备了轴向钢框架，曾经被竖立。

Prouvé在1956年为皮埃尔修道院流浪者组织开发的阿尔巴之家也不成功。(Peter G?ssel, Arnt Cobbers, Oliver Jahn, 2012, architectureweek.com)。

Figure 2. 13 - Jean Prouvé建造了宽8米的钢柱廊的各种模块化建筑(modulart.ch)

The Pre-fabulous 60s

20世纪60年代是社会转型的时期，人们对预制房屋的态度也发生了变化。 在这个以太空旅行、登月为标志的时代，甚至在预言周末去遥远星系旅行的儿童书籍中，预制建筑被发现既是一种艺术表现形式，也是一种建造房屋的技术手段，为新的生活方式提供基础，在一个对进步极为乐观的社会中，这似乎是迫在眉睫的。

这些方法支持了用住宅胶囊建造巨型建筑的想法:建筑师Moshe Safdie当时只有24岁，他在67年蒙特利尔世博会上展示了他的巨型建筑Habitat 67: 158个住房单元，由354个混凝土模块组装而成。

英国建筑集团Archigram开发了由居住胶囊构成的建筑结构，作为一个建筑乌托邦，可以随意扩展，并联合起来形成整个城市。

Figure 2. 14 - Moshe Safdie的Habitat 67多胶囊项目(coastlineminigarage.com.au)

Eco-conscious 70s

1972年，日本建筑师黑川纪章(Kisho Kurokawa)在东京建造了中金胶囊塔;住宅单元在预制混凝土核心周围分层，形成一个14层的住宅塔。(图2.15)住宅胶囊式巨型建筑的想法多次被重新提出，如1974年Zvi Hecker在耶路撒冷的Ramot住宅开发项目。

20世纪70年代的生态运动结束了这种对技术进步和未来主义建筑梦想的狂热。现在，塑料或铝等高度现代的建筑材料似乎与回归自然不协调，因此声名狼藉。一种新的视角被取代，优先选择与不可再生资源关系最小的材料类型。

Figure 2. 15 - 东京的中金胶囊塔胶囊概念的另一个例子(archdaily.com)

90s

预制构件经常被用于建造高密度住房，这一事实进一步加剧了这种情况，现在普遍认为这是消极的。因此，装配式建筑现在被认为是一种审美和社会的失败，这种失败是在大城市的外围聚集起来的去个性化、自大的装配式板房。因此，直到20世纪90年代，欧洲大部分地区对预制房屋的接受度一直很低。

直到20世纪90年代，预制建筑才逐渐开始从土布、廉价、大规模生产的形象中解放出来。这主要是由于在设计和生产过程中使用了计算机操作程序。预制房屋行业现在正处于一个让人想起20世纪20年代和30年代的活力的关头。

Modern days

多年来，日本的无印良品(Muji)、斯堪的纳维亚的BoKlok以及最近在波兰和英国的BoKlok等公司一直在大量供应预制房屋。仅在只有900万居民的瑞典，每年售出1.4万套住房。无印良品提供由隈研吾和难波和彦设计的模型，它们既简单又优雅，远比跨国公司三菱、丰田和松下提供的建筑套件更有趣。(deluxemodular.com, 2019)

几十年来，世界各地的国家都采用了预制和模块化的建筑方法。例如，对各国所有预制独立住宅的估计显示，瑞典、美国、德国、荷兰和日本的增长潜力分别为84%、5%、9%、20%和28%。

今天， 预制和模块化被应用于美国每个主要城市的酒店、公寓楼、办公室、医院和学校的建设。 以下是每个行业使用某种形式的模块化结构的预制结构的百分比概述:(delxemodular.com, 2019)

49% of healthcare facilities

42% of college buildings and dorms

And 42% of manufacturing buildings

后续笔记包括   模块化建筑行业面临的共同挑战方面的实际调查   等，敬请期待......

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