场外和模块化建筑说明

场外施工涉及规划、设计、制造、运输和组装建筑构件的过程，以便快速进行现场组装，比传统的零碎现场施工具有更高的完成度。
场外建筑包括一系列材料、规模和系统、数字软件、制造和制造方法以及社会和技术整合的创新。
场外输出包括为结构、围护、服务和内部隔断系统服务的组件化、面板化和模块化元素。
异地优化策略是通过研究、设计、测试和原型设计来整合这些系统和供应链。

在场外产品中，模块化是工厂完成度最完整的产品，在某些情况下高达95%，作为3D体积单元运输和组装，这些单元是现场连接的服务或结构单元。模块化行业由两个不同的行业部分组成：可重新定位的模块化和永久模块化。可重新定位的模块化，有时也称为临时模块化，是满足临时空间需求的结构，可以在短期协议中租赁或直接购买。工作现场拖车、临时教室、通信舱和展示室就是一些例子。尽管永久性模块化建筑（PMC）在欧洲已经蓬勃发展了十多年，但它在北美是一个新兴市场。PMC可与符合 国际建筑规范 （IBC）的现场建筑结构相媲美，区别在于它只是在工厂内分块制造。PMC 部署用于多层多户结构、政府大楼、医疗保健设施、学校、酒店以及传统现场施工中的任何其他建筑类型。三到四年前，PMC仅占模块化行业市场份额的25%，而今天它占50%以上。

正在组装的预制混凝土结构。耶鲁大学的钢制模块化和砖饰面。 照片由Kieran Timberlake提供

模块化行业是制造商、制造商直销商和经销商的所在地。制造商生产模块以服务于总承包商或模块化经销商。制造商直接可以为总承包商和经销商制造，但也可以直接与业主签订合同，作为总承包商提供模块化解决方案。制造商和制造商直接组织都可以专门关注特定的建筑类型，例如住宅或商业，或者专注于可重新定位和/或永久性建筑。然而，越来越多的制造商在各种建筑类型、市场和行业领域变得知识渊博、技能娴熟。模块化建筑，临时和永久性，可以作为结构单元制造，一旦在现场组装，就构成建筑物的结构。非结构模块化，如工厂安装的浴室或服务舱，可以放置在较大的模块化上层建筑中，也可以放置在传统的现场建筑中。模块可以由许多不同的材料构成，包括：木框架、冷弯钢框架、热轧钢、混凝土或材料组合的组合。并非所有制造商都会使用多种材料进行制造;相反，制造商倾向于专注于特定类型的结构，以最大限度地提高工厂效率。利益相关者对材料的选择通常取决于项目需求、现场力量和项目成本。此外，项目可能具有材料解决方案的混合体，例如传统的现场建造结构、浴室模块或结构模块，以及由于程序化需求（例如大开口、跨度或其他难以在工厂预组装）而传统现场建造的建筑物的一部分。

交叉层压木屋顶板安装在威斯康星州麦迪逊。 照片由林产品实验室David Kretschmann提供； 镶板剪力墙系统， 照片由AISC提供

模块化制造使用由内而外的构建方法。模块化框架被构造成平面，装扮成盒子，然后从内到外完成。例如，宿舍单元可以遵循框架、内表面、电气、管道、机械、绝缘、外部护套和覆层的顺序。这与传统的由外而内的现场装配顺序不同，后者限制了在构建周期中相互重叠的多个行业。模块的工厂生产避免了不可预测的天气、相互等待的贸易以及与现场施工相关的不断延误的困难。

场外建造的酒店房间的建筑信息模型。 照片由Whiting Turner提供

模块化施工的过程与现场施工有很大不同。这让许多业主、建筑师和建筑商感到困惑，有时甚至被这个过程推迟。经销商作为总承包商签订交付可重新定位或永久性模块化结构的合同。随着建筑项目越来越复杂，规模越来越大，对MEP系统集成的要求越来越高，经销商在临时模块化行业中历史上相同制造的可重定位模组和永久性模块化建筑行业中复杂的商业建筑解决方案之间提供了知识渊博的项目交付能力。制造商和经销商正在为项目团队和建筑业主创造真正的价值，他们现在正在接受这种形式的施工和交付。

为什么要进行场外施工？

用于住房的预制封闭面板墙组件。 照片由Bensonwood Homes提供

传统的合同和现场施工实践严格界定了责任，并详细阐述了失败的后果。这种环境强化了降低风险的行为，导致项目团队不参与协作流程并呈现对抗性施工文化，这对所有利益相关者都不利。业主在项目上亏损，建筑师和工程师没有看到设计质量的提高，承包商在此过程中承担了大量的财务负担和风险。这种碎片化已经从浪费和生产力的角度进行了量化。建筑本质上是固定在原地的物体的设计和组装。因此，传统建筑是现场生产的商品，每次都是独一无二的，并且雇用临时团队——这三位一体可以称为 建筑的特殊性 ，将其与其他生产行业区分开来。为了使这个过程更有效率，我们可以移除场地，而不是使建筑物独一无二，并在项目之间保持劳动力完整。完全移除场地显然是不可能的，但在一定程度上消除场地特性相对于工厂生产肯定有帮助。保持团队的机智是一个想法，它为不断与相同的工程师、承包商和分包商合作的设计-建造实体和设计师或建筑商带来了成功。模块化生产能够通过控制工作流程来保持团队更加完整。最后，建筑设计和生产过程的独特性 是一个变量，实际上可以控制（或至少在工作流程中分段）， 消除浪费并在建筑过程中增加价值。根据美国劳工统计局的数据，进一步比较建筑业和制造业，57%的建筑活动是浪费和非增值的。这些活动没有得到补偿。制造业正好相反，62%的活动是增值的。通过模块化流程用制造效益取代建筑中的浪费元素，可以消除浪费并增加项目价值。

通过模块化提高施工效率需要检查施工性能。每个项目都必须考虑许多性能因素，包括：

成本： 资本和运营投资
劳动力： 熟练和非熟练的劳动力
范围： 项目计划的范围或广度
质量： 达到或超过设计和施工目标
风险： 面临潜在的财务损失

尽管在任何给定项目中并非所有因素都会得到同等重视，但它们通常彼此之间具有偶然关系。对于给定的程序，设计团队通常会在质量、进度和预算之间建立关系，甚至可能在不知不觉中，其中一个更改会影响所有其他更改。例如，业主团队可能会选择质量较低的材料，以节省成本或允许项目按时完成。在这种因素平衡中，风险起着关键作用。特别是场外和永久模块化，并不是每个建筑项目的全面解决方案。因此，成本、进度、劳动力、范围、质量和风险的原则代表了机会和权衡的滑动尺度，而不是明确的答案。当有意制定并预先规划时，模块化建筑可以成为一种解决方案，帮助在这些有时相互竞争的建筑性能目标之间找到平衡。异地交付和早期规划是共同的概念。在设计过程的早期让场外制造行业参与进来，帮助解决这个等式，是成功利用场外设计和施工过程的基础。

关于场外建筑的好处，已经进行了大量研究，并且正在进行中。与传统现场施工相比，非现场施工的优势包括：

更短的施工进度
成本可预测性更高
减少材料浪费
减少与现场施工相关的往返现场运输的碳排放
减少现场干扰，最终
提高工人和贸易设备的安全和保障。

与现场项目相比，非现场项目的劳动生产率提高了30%。最终，通过场外施工降低了风险。（麦格劳·希尔 2009;FMI 2013;莫滕森建筑 2014;Quale et al 2012）

建筑行业的场外生产范围。
图表由 R.E. 史密斯提供

许多项目已经证明，进度节省是最容易记录和最明显的节省，这是模块化结构的结果。通过模块化结构节省15%-50%的报道并不少见。这是由于同时进行的现场和工厂工作，以及工厂生产比现场框架更快，消除了与现场施工相关的天气延误和分包商序列延误。

显然，材料浪费减少了，因为脱落物在制造流中被重新捕获。然而，最近发表在《 工业生态学杂志 》上的一篇论文中记录的场外施工所证明的最大环境效益归因于工人全天通勤到工厂而不是工作现场和供应场而导致的运输能源和碳的减少。（Quale et al 2012）如今，模块化和面板化建筑项目经常符合LEED标准。

场外施工也存在明显的缺点，应指出：

结构笨重：地板到地板的高度和壁厚受到影响
运输限制限制模块和面板尺寸
设计的跨度和配置受到一定限制
如果新接触该流程，则在间接费用，利润率，运输，设置（起重机）以及相关的设计师费用增加方面缺乏透明度。
通过未来的翻新，结构的灵活性和可变性变得更加困难

异地流程如何运作？

场外行业已从主要可重新定位的模块化制造部门发展成为建筑交付部门。这给面板和单元制造商以及不了解场外、其交付过程以及如何有效参与该过程的传统建筑行业带来了困难。由于作为可重新定位的模块化行业的历史，这些制造商习惯于与业主直接谈判，以交钥匙合同交付建筑物。事实上，对于某些需要一站式方法的项目的业主来说，这可能是可取的。

然而，在更复杂的项目中，场外行业的经验较少。在涉及众多项目利益相关者（包括设计师、总承包商）的扩展建筑项目期间参与设计和交付过程的制造商，以及许多行业和合同，包括设计/建造、设计-投标-建造、CM 和其他形式的主流施工协议，正面临着相对较新的领域。

建筑业正在发生意识形态和结构上的转变，放弃传统的设计-投标-建造合同，转向依赖绩效合同和分担风险和回报的设计-建造和综合项目交付。场外施工是集成交付的代名词。研究表明，在设计开发阶段后决定在场外使用的项目由于在建筑交付过程中使用模块化太晚而对进度和预算产生了负面影响。

理想情况下，场外项目的利益相关者会在预 制架构 （Smith，2011）中概述的典型项目阶段提出以下问题。

预设计： 场外是否有助于满足项目的成本、时间、劳动力、现场和计划目标？
设计： 如果需要，项目是否与利益相关者一起设计，以进行异地制造、运输、组装和拆卸？
发展： 项目的设计是否为现场完成的工作和工厂制造的工作进行了结构化？
细节： 细节设计是否与设计团队、总承包商、制造商和安装商合作开发？
次序： 是否减少了设计变更，是否在短时间内下达了订单以降低成本？
制造： 是否与项目团队协调，使用原型和交货时间进行制造？
提供： 现场交付是否及时、装载和交付，以尽量减少处理？
聚集： 装配操作是否按照连续顺序进行协作设计，以确保满足安全、质量、时间和成本参数？

与传统现场交付相比，异地交付应考虑的一些差异包括：

大多数州要求第三方机构和/或有一个州计划来规范制造工厂建筑物的设计、批准和检查，以及现场工程的现场检查员。这些计划的范围或影响因州而异，以及此类计划的相关成本。
运输法规也逐州处理。因此，从制造模块的州运送到工厂所在的另一个州将需要不同的代码、许可、领头车和各种相关费用。每个项目都应仔细确保这一点得到充分考虑。一般的经验法则是从制造商运送到工作现场的最大 500 英里。例如，平均而言，模块化制造商被批准在 20 个州建造。
可能需要特殊的工程设计，以确保模块在结构上足够坚固，可以承受与运输相关的动态负载。通常，制造商或经销商将拥有自己的内部工程师，此外还有永久性模块化项目中的记录工程师，这些项目为与业主签约的传统设计和建造团队提供服务。
面板或模块将由起重机从卡车拖车上吊起并在现场设置的拾取点应设计为单元结构的一部分。木制模块可以使用环绕式皮带带。用于设置元件的最常见起重机是车载液压起重机、履带式起重机，在特殊情况下，还有塔式起重机。在合同谈判期间，应尽早确定由谁来设定要素。
关键路径法是最常见的施工调度方法，其中交易在现场按顺序堆叠。在场外施工中，并发调度优先于CPM，需要施工专业人员以完全不同的方式进行施工调度，成本，劳动力和供应链管理，以有利于项目的整体进度。

扁平包装交付。 照片由 Euclid Timber 提供； 屋顶组件正在现场交付和安装， 照片由Whiting Turner提供

什么时候应该使用场外施工？

这里的意图并不是说，一般来说，场外和任何一个场外系统都是解决每一个建筑问题的适当办法。在某些建筑类型、某些建筑团队和某些地点，场外的表现更好。这些指导方针并不意味着是确定的，但提示了在决定是否适合非现场时应考虑的因素

受时间表限制的项目，如新学年或新学期必须开放的学校和宿舍，必须为在国外的业务快速建立的大使馆，或必须打开大门以获得增加的收入回报的零售单位。今天，很难想象有哪一种建筑类型不需要更短的施工进度。
重复的项目，如相同的教室单元、宿舍单元、办公单元、实验室、高科技设施、通信结构和浴室舱。采用独特形式、独特可持续性要求或对最终产品具有更高控制程度的项目也将从场外施工中受益。工厂为原型设计、质量控制和集成复杂系统的能力提供了空间。因此，场外仅限于箱形，独特的项目实际上可能需要场外施工无法提供的几何形式。
业主选择的交付方式对确定是否使用异地服务有很大的影响。虽然场外合同可以以任何合同形式使用，但设计-投标-建造合同在设计过程中不考虑承包商的手段和方法，或者施工经理合同在没有业主投入的情况下就施工方法做出决定，可能会不利于场外交付。这可以通过选择设计-建造或集成合同来缓解，这些合同允许业主、设计师和建筑商与经销商和/或场外产品制造商在开发和示意图阶段直接通过设计协助进行早期制造决策。

使用场外集装箱模块进行旅行旅馆建设。
照片由彩鸿酒店提供

团队成员的一些特征是异地就业的决定因素。其中包括：

团队在以前的项目中使用模块化结构的经验有助于再次使用异地。具有场外经验的设计团队成员和承包商培养了再次交付的信心和技能。正如我们所讨论的，这些技能与现场施工不同，在现场施工中，协调运输、设置和缝合的行为需要一个集成的过程。
团队在多个项目上重复工作，在利益相关者之间建立信任。对于与特定经销商和制造商合作的项目利益相关者来说尤其如此，这些项目允许连续的工作流程和重复的决策、角色和责任过程。
希望保持对项目成本、进度和质量的控制和可预测性的业主可以选择异地交付，而不是传统的现场交付。此外，在项目开始时有资本在场外投资的业主更有可能实现其成功就业，因为根据与制造商的合同协议，可能需要尽早支付项目和提款。

场外有几个项目位置决定因素：

可进入的场地、负担得起的土地和全年的施工季节不太可能从场外工厂生产中受益。然而，难以进入现场施工的偏远地点和高密度城市场地、建造季节较短的场地或需要任何可能手段来减少总体建设预算的昂贵土地的场地从场外受益最大。
此外，获得各种负担得起的材料、使用棒状元件或平面元件的组件制造水平较低以及获得负担得起的劳动力的地点不太可能部署场外施工。
最后，并非所有建筑规范管辖区都对场外施工持开放态度。这可能需要建筑团队格外小心和预防措施，为许可和检查准备替代手段。与传统的现场施工相比，可能需要更长的审查和报告周期。最好的办法是与您当地的建筑部门联系，以确定场外监管审查要求的流程。

结论

场外施工可以为各种建筑和施工类型提供服务，例如教育、住房、医疗保健、办公室、政府、宿舍、零售和酒店。场外是一个建筑交付过程，因为它是建筑产品的融合。当利益相关者有意识地理解和部署时，通过早期项目规划，它是一个非常适合控制项目进度和预算，同时提高质量和减少环境影响的解决方案。当用于缩短建筑周期、重复或独特的项目以及准备接受与其交付相关的挑战和机遇的团队时，场外施工特别有效。