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为什么房子都在工地建造,而不在工厂制造呢?(赵钿)

转自:钢结构设计-公众号


来源:赵钿 公众号,作者:赵钿

1.  建造是大量消耗劳动力的低技术活动


在建筑行业,有一句尽人皆知的词,叫做“秦砖汉瓦”,说的是几千年以来,房屋都是一砖一瓦砌筑出来的。的确如此,建筑业可能是人类最古老的行业之一,在人类有居住需求的那一天起,房屋的建造活动就没有停止过。


历史上,人类创造了无数的建筑奇迹,古代有埃及的金字塔、希腊的神庙、印度的佛塔、中国的宫殿,这些都是人类建筑史上的一座座丰碑。


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图1:古埃及的金字塔(图片来源:百度图片)


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图2:古希腊帕提农神庙(图片来源:百度图片)


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图3:中国的故宫


到了近代,尤其是工业革命以后,科技的进步推动着建筑活动进入了前所未有的兴盛阶段——大量的城镇建了起来,大量的标志性建筑矗立在城市的中心。随着现代科技的进步,尤其是信息技术的发展,人类在建筑的高度上不断提高,世界上最高建筑的记录每过一段时间就被新的建筑刷新。


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图4:当前世界最高的建筑-哈里发塔828米(图片来源:网络)


据国家统计局数据,2019年我国建筑业总产值248,445.77万亿元,占国内生产总值(990,865.1万亿元)的比例高达25.07%。建筑业在国民经济中占有相当的比重,当然是国民经济的支柱产业。


然而,这样一个重要的产业,与其他行业相比,却并不是一个高技术的行业,相反,却靠着大量的劳动力支撑着。信息技术在建筑活动所起的作用,实在是太少了。据麦肯锡公司2015年研究,在行业信息化排名中,建筑业和农业在所有行业中排在最后两名。


2.   一砖一瓦,传统建筑是这样建造的


虽然现代的建筑行业已经不再是老祖宗的“秦砖汉瓦”,也已经用上了起重机、混凝土泵车、钢模板、脚手架,甚至在超高层的建设计中用了自升平台等高科技,但是大量的普通建筑,仍没有脱离以钢筋(材)、水泥、石材(子)、砂子、木材、玻璃等原材料或半成品、在工地上用工人的双手将建筑搭建起来的方式。


这种造房子的方式,在建筑行业有一个专有名词,叫做“施工(Construction)”。


建筑是消耗大量的材料、大量的人力的。地球人都知道的著名工程活动——古埃及法老建造金字塔、秦始皇修筑长城、隋炀帝开凿大运河……没有哪项不是耗费大量的民力、物力和财力,当然也就在历史书留下了响亮的(有时也不大好的)名声,其他著名的建筑也莫不如此。


建筑有着悠久的历史,也有着自身的建造逻辑。人类的祖先从树上一下来就需要居住,但是人只有一双手,所以人的体力和身体结构决定了所能制作的物品的尺寸是有一个大小和重量的限制范围的。现代科技,加长了人的双手、提高了人的提升重物、加速的人的运动,所有这些,都是建造建筑所需要的工具。所以,只有借助于有力的工具,人类才能创造出更大、更高、更快的建筑物,才能“生产更大的空间”。


工业革命以前,并没有专职的建筑师,建筑都是工匠带着做出来的。在西方是以石匠为主要的手艺人,在中国,是以木匠为主要的手艺人。他们基本上都是通过代代传承,承担着建筑的建造工作。中国古代的鲁班是中国建筑匠人的祖师爷,现在的建筑行业有一个“鲁班”奖,是施工企业的最高荣誉之一。除了鲁班,中国清代的样式雷家族,担任清皇室的御用“建筑师”,在200余年间主持了故宫、天坛、颐和园、避暑山庄、清东陵、清西陵等建筑的修建,是中国古代匠人取得的登峰造极成就的代表。

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图5:鲁班,姓公输,名班,春秋战国时期鲁国人。一生发明了斧、锯等木工器械、碾、磨等生活用品,留下了无数桥涵楼阁等建筑物,是世上杰出的工匠,发明家,与墨子同乡同代的平民圣人,百工圣祖。(图片来源:百度图片)


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图6:样式雷(图片来源:微信号: JinbuHUNG)

 

只有到了工业革命以后,随着技术的发展和社会分工的细化,才出现了专门从事建筑设计的工程师和建筑师。这也是为什么许多建筑师自称“匠人”。 说到这里,想起在大学学习的时候,在建筑系馆的墙上有一个石匾,上书“哲匠之门”四个大字,每次经过,一种自豪之情油然而生。我想,建筑师自称“哲匠”,也是一种谦虚的雅称吧。


3.   建造活动的要素有哪些


建筑的产业链很长,生产要素也很多,主要有知识、资金、人力、技术、软件、原材料、构配件、建筑部品、机械、器具、规章制度、环保措施等,归纳起来,也就是常说的“人、机、料、法、环”五大要素。


(1)首先要有资金,也就是钱。


有句俗话说,“有钱不是万能的,但是没有钱是万万不能的”,放在建筑行业,倒也十分贴切,要知道造房子是特别费钱的事。


建筑工程是一项重大的人类社会活动,往往需要耗费巨大的资源才能完成。没有充足的资金,想“盖个房子”是很困难的。所以当国家强盛、经济发达的时代,往往是著名建筑大量出现的时代;在经济萧条、国力衰弱的年代,很难有象样的建筑存世。


(2)其次要有足够的人力。


古往今来,建筑工程应该是最消耗人力的活动,也就是所谓的劳动密集型行业。著名的长城,从春秋战国开始修筑,到秦朝统一修筑,一直到明朝,修了二千多年,总长21000多公里,耗费了大量的人力、物力和财力。明长城从明朝建立之初,一直修到明朝末年。


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图7:箭扣长城   摄影:周青阳 (图片来源:网络)

 

根据国家统计局数据,2016年底建筑行业从业人员5185.24万,其中农民工占比高达80%以上,管理、技术人员占比不到20%。建筑行业是真正的劳动密集型行业。


从占主力的农民工来看,这些所谓的农民工,也就是农村进城务工人员,从事着建筑行业中高危、高强度的工作。由于没有保障,74%的农民工没有签订劳动合同,51.1%的农民工没有接受任何技能培训,他们长期在土地和工地之间徘徊,是建筑行业的主要劳动力来源。他们决定了建筑行业的主要生产方式。


根据国家统计局“2018年农民工监测调查报告”, 2018年农民工总量为28836万人。从行业分布来看,从事第三产业的农民工比重为50.5%,比上年提高2.5个百分点。从事第二产业的农民工比重为49.1%,比上年下降2.4个百分点。其中,从事制造业的农民工比重为27.9%,比上年下降2.0个百分点;从事建筑业的农民工比重为18.6%,比上年下降0.3个百分点。


表1 农民工从业行业分布

单位:%


2017年

2018年

增减

第一产业

0.5

0.4

-0.1

第二产业

51.5

49.1

-2.4

其中:制造业

29.9

27.9

-2.0

   建筑业

18.9

18.6

-0.3

第三产业

48.0

50.5

2.5

其中:批发和零售业

12.3

12.1

-0.2

   交通运输、仓储和邮政业

6.6

6.6

0.0

   住宿和餐饮业

6.2

6.7

0.5

   居民服务、修理和其他服务业

11.3

12.2

0.9

   公共管理、社会保障和社会组织

2.7

3.5

0.8

   其他

8.9

9.4

0.5

数据来源:国家统计局网站(http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201904/t20190429_1662268.html)


从农民工的年龄构成来看,农民工的平均年龄40.2岁,比上年提高0.5岁,其中50岁以上农民工占比22.4%,比上年提高1.1个百分点,近五年呈逐年提高趋势。农民工平均年龄的增长,也与许多人的印象相合——施工工地现场中很少有35岁以下的农民工,经常见到50多岁的还在工作,年轻人很少有愿意到工地上班。


表2 农民工年龄构成

单位:%


2014年

2015年

2016年

2017年

2018年

16-20岁

3.5

3.7

3.3

2.6

2.4

21-30岁

30.2

29.2

28.6

27.3

25.2

31-40岁

22.8

22.3

22.0

22.5

24.5

41-50岁

26.4

26.9

27.0

26.3

25.5

50岁以上

17.1

17.9

19.1

21.3

22.4

数据来源:国家统计局网站(http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201904/t20190429_1662268.html)


农民工月均收入稳定增长。农民工月均收入3721元,比上年增加236元,增长6.8%,增速比上年提高0.4个百分点。分行业看,制造业、建筑业、交通运输仓储和邮政业收入增速分别比上年提高1.9、1.1和0.1个百分点。


表3 分行业农民工月均收入及增速

单位:元、%


2017年

2018年

增速

合计

3485

3721

6.8

制造业

3444

3732

8.4

建筑业

3918

4209

7.4

批发和零售业

3048

3263

7.0

交通运输、仓储和邮政业

4048

4345

7.3

住宿和餐饮业

3019

3148

4.3

居民服务、修理和其他服务业

3022

3202

6.0

 数据来源:国家统计局网站(http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201904/t20190429_1662268.html)


随着建筑产业转型,劳动密集型向技术、知识和管理密集型转变,劳务人员结构也在快速变化,一些传统的工种如木工、泥瓦工、水电工、焊工、钢筋工、架子工、抹灰工、腻子工、幕墙工、管道工、混凝土工等岗位将会被淘汰。


许多研究表明,国内建筑工程中的人工成本比例约占建筑安装成本的10~30%,而在国外很多国家,人工成本要占到建筑工程总成本的30~60%。近几年,国内人工成本的上涨的幅度,已经超过了经济增长的幅度,这已经令许多施工企业吃不消,不得不大力向新型工业化建筑的道路上转型。可以预期,如果人工成本占到建筑工程的一半左右,那么市场上的主流建筑将是装配式建筑。


(3)材料


现代的建筑规模庞大,功能复杂,所用的建筑材料也是成千上万。基本上地球上所有的自然材料都可以用在建筑上,常见的主要有钢材、水泥、木材、砖瓦、石灰、砂石、油漆、五金、水管、电线等。当然,现在的建筑材料更多地向人工材料和复合材料发展。


按照用途分,可以分为结构材料、保温材料、防水材料、装饰材料。


按照形态分,可以分为原材料(如钢材、水泥、砂子、石灰、油漆等等)和制成品或半成本(如屋架、门窗、柱、梁、板等)。也有在建造的过程中会反复使用的材料,如模板、脚手架等;当然,建造过程中用的机械设备的零部件、施工过程中用的燃油、油料、小工具、防护用品等也可以算做是工程材料的一部分。


按照化学成分区别,可以分为有机材料、无机材料和复合材料三大类。有机材料分天然的和人工合成的,有机材料的优点是耐水性好;无机材料包括金属和非金属,具有耐久性好的特点;复合材料包括有机与无机非金属材料复合、金属与无机非金属材料复合及金属与有机材料复合三大类,复合材料克服了单一材料的不足,发挥复合材料的综合优势。


表4 工程中常用的材料

分类

实例

无机材料

金属材料

黑色金属

钢、铁及其合金等

有色金属

铜、铝及其合金等

非金属材料

天然石材

砂、石及石材制品

烧土制品

黏土砖、瓦、陶瓷制品等

胶凝材料与制品

石灰、石膏及制品、水泥及混凝土制品、硅酸盐制品等

玻璃

普通平板玻璃、特种玻璃等

无机纤维材料

玻璃纤维、矿物棉等

有机材料

植物材料

木材、竹材、植物纤维及制品等

沥青材料

煤沥青、石油沥青及其制品等

合成高分子材料

塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等

复合材料

有机与无机非金属材料复合

聚合物混凝土、玻璃纤维增强塑料等

金属与无机非金属材料复合

钢筋混凝土、钢纤混凝土等

金属与有机材料复合

PVC钢板、有机涂层铝合金板等


(4)工具和机械


“工欲善其事,必先利其器”,说的就是工具的重要性。在建筑施工如果没有机械设备(工具),几乎不可能建成稍大一点的房子。


常用的建筑工程施工用的大型工具和设备有:


  • 起重机械。建筑工程中最常见的起重机械有塔吊、汽车吊。起重设备可分为桅杆式起重设备、自行式起重设备和塔式起重机。桅杆式起重设备有独脚把杆、人字把杆、悬臂把杆、牵缆式桅杆起重机等;自行式起重机有履带式起重机、汽车式起重机、轮胎式起重机。


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图8:汽车吊(图片来源:百度图片)


  • 岩土工程机械。建筑工程的起点就是基坑工程和基础工程,常用的机械有打桩机、挖土机和运输车辆等。


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图9:三一中型液压挖土机(图片来源,三一公司网站:https://product.sanygroup.com/zw-sy215c-10.html)


  • 混凝土机械。混凝土是现代建筑中的基本材料,无论是基础、地下室还是建筑主体结构,大量采用混凝土,所以混凝土搅拌车、泵送设备、振动棒等就是必备的混凝土机械。


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图10:混凝土搅拌车(图片来源,三一公司网站:https://product.sanygroup.com/jbsjbc-YM5160THBE-P808Y(J).html )


  • 钢筋机械。钢筋是混凝土工程中的必须的受拉材料,钢筋加工的主要机械有钢筋调直机、钢筋弯曲机、钢筋切断机,钢筋对焊机等。


  • 其他如运输车辆、动力设备(发电机)、各种测试仪器和试验设备,以及各种小型手动或电动工具,都是建筑工程中必不可少的工具。


从世界范围看,建筑施工机械化的发展经历了三个阶段:


(1) 以机械建造代替人工建造,主要是第一次工业革命时期;


(2) 以自动化流水线代替单台机械的建造,主要是在第二次工业革命时期;


(3) 现代以数字化自动控制的建造,采用BIM技术,以机器人或数控机床进行批量生产和组装(智能制造)


当前阶段,我国的建筑施工仍然是以钢筋混凝土建筑现浇工法为主,采用少量机械由大量的人工进行建造,基本上处于第一次工业革命的早期。


可喜的是,中国的建筑工程机械在近些年发展迅速,产品质量快速提高,逐步对国外设备形成了代替,并赶超许多国外先进机械企业,处于世界领先水平。如三一集团的混凝土泵送设备,实现了在超高层建筑上泵送的新纪录;中建集团开发的超高层建筑施工平台,都达到了世界先进水平。常用的钢筋加工设备、混凝土泵送设备、大型塔机、施工电梯、超高层模架、钢结构焊接设备等的升级,对提高建筑施工的劳动生产效率,具有很大的作用。


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图11 三一混凝土泵车SYM5446THBF 560C-8A(图片来源,三一公司网站:https://product.sanygroup.com/bc-sym5446THBF%20560C-8A.html)


(5)技术


建筑技术内容包罗万象,按专业分可以分为建筑技术、结构技术、给排水技术、暖通空调技术、电气技术、智能化技术;按产业链分,可以分为设计技术、生产技术和施工安装技术。


现代建筑的建造技术,主要有两个特征,一是绿色化,另一个是工业化。当前智能制造和智能建造是行业热点。


但从行业现状来看,建筑行业中,技术创新对行业成长起的作用还远远没有发挥出来,行业的成长,仍然处于资源和人力的投入。新型建造技术,如BIM技术、物联网技术、机器人技术、大数据技术等在建筑工程中还没有普遍而成熟的应用。


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图12:BIM技术在建筑全生命期中的应用


不管怎么说,人仍然是建筑活动中最主要的制约因素。


4.   施工建造的流程是什么


一般建筑工程,大致按照施工准备,基础施工、结构施工、内外装修、机电安装,环境工程的顺序进行工作。大多数工作是以工地为主要工作场所,按照岩土、结构、建筑、机电、装修等专业进行顺序施工。

 

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图13 建筑施工的一般流程(图片来源:赵志刚 马其彬 主编,建筑施工全过程技术与质理管理图解(第二版),中国建筑工业出版社,2019)


现行主要的建筑施工的方式,基本上是按照专业、按照系统,从地下到地上,从主体到外围护、到机电安装、到内装修的顺序进行的。一般工程,都是先做基坑开挖、基础处理,然后进行地下室施工;地下室结构施工完成后,再进行地面主体结构施工;主体结构封顶后,进行主体结构验收;合格之后,才能进行建筑工程施工,主要是内外墙体、门窗的安装;一般在外墙封闭之后,才进行室内机电管线的安装;最后才进行室内装修。这种施工方式,受前端工序的制约,是一种串行的工作方式。由于作业面有限,前一工种的工作不完成,后一工种的工作是无法展开的;这就造成施工的效率难以提高。事实上,工程中组织工作不合理的情况,后续工作将前序完成的工作拆除才能进行的情况,造成反复施工,既造成浪费,也影响工程质量。


建筑行业采用的这种施工组织方式是一种典型的串行工作流程,这种方式的一个特征就是工期长——短则二三年,长则十余年。而汽车、轮船和飞机的制造,则是以月为单位进行规划的。制造行业已经普遍实行了系统工程、集成制造、精益制造、成组技术和并行工程等理论和方法,大幅度提高生产效率。另外,制造行业正在向智能制造方向演进,生产效率必将进一步提升。与制造业相比,建筑行业的生产组织方式还是很落后的。


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图14,船舶集成制造管理主要理论(图片来源:根据 王平、任南等,船舶集成制造管理理论与方法,科学出版社,2010 绘制)


5.   工程建设的组织模式有哪些


我国工程建设领域现行的主要组织模式DB(设计+施工)模式。由于采用分业管理,形成设计院(公司)管设计、建设单位管采购、施工单位管施工的模式。这种模式本质上是计划经济时代条块管理模式的产物。


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图15,我国现行的主要建筑工程组织D+B模式


这种组织管理模式将连续的建造活动分割成设计、施工两个阶段。设计归于勘察设计行业,归口规划设计部门进行管理;施工归于建筑行业,归口住建部门进行管理。设计与建设虽有前后关系,但由于各管一块,前后衔接很弱,关注重点也不相同,设计单位关注技术与安全,对经济性和可操作性并不关心;施工企业只关注工期与成本,不太关注技术和品质。这种管理模式造成参与各方没有哪一方能够对建筑进行整体把控,谁都不满意,谁都有责任,结果就是谁都不负责,出了问题,最终只能是建设单位买单。


这种模式,将一个系统化的工程分割成不同的专业条块,专业之间协同不足,各自为政,很难形成一个协调统一的整体,建筑性能低下,费效比差。


这种模式,在施工阶段,以包代管,层层分包,造成管理成本很高,工期长,资金浪费大,工程通病多,质量很难提高。


这种模式,建筑技术很难进步,组织协调各方非常困难,沟通管理的成本极高。


与DB模式相对的另一种模式是工程总承包模式,俗称EPC模式,也就是业主将建筑工程从设计、采购到施工的全过程或大部分工作交给一家总承包商,总承包商统筹设计、采购和施工,进行全专业、全过程的管理,能够避免现行模式的弊端。


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图16,工程总承包EPC组织模式


工程总承包模式,加上全过程工程咨询,是国家正在推广的主要改革措施。


6.   怎样才能组织好装配式建筑的设计呢?


装配式建筑是采用预制的部品部件在工地组合装配而成的建筑,所以与其他建筑相比,装配式建筑采用的是工厂生产的部品部件,不是钢筋水泥等散装原材料,这些部品部件,是将一些功能集成在一起的中间产品,如三明治墙板,是集结构承重(内叶板)、保温(中间的保温层)、防水和装饰(外叶板)于一体的集成化部品。因此,装配式建筑现场的主要工作是部品部件之间的连接。装配式建筑的基础理论是系统工程论,即建筑分为四个系统,即结构系统、外围护系统、内装修系统、设备和管线系统,这四个系统共同组成建筑的整体。每个系统进而分解成为部品或部件,或者将不同专业系统的部件集成于一个部品或部件上进行预制,最终组合而成。因此,装配式建筑与普通非装配式建筑相比,最大的区别在于专业的集成、系统的集成,以及模块化的组装方式。要实现这一点必须采用系统化、一体化的理论指导设计、生产、运输、施工,才有可能高效地提供高质量的建筑完整产品。


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图17  装配式建筑四个系统及其分类


由于装配式建筑是系统工程,因此装配式建筑的设计,不能再采用分割成方案设计、土建施工图设计、室内设计、市政工程设计、景观园林设计等大卸八块的管理方式,应将九个专业,采用并行设计的方式进行组织和管理。


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图18 现行建筑项目设计管理碎片化图示


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图19 装配式建筑多专业同步协同设计流程图

 

7.   为什么房子都在现场建造,而不在工厂制造?


由于房屋建筑尺度巨大,建成之后不可移动,这种特征决定了工地既是生产场所,也是最终产品的交付和使用场所,因此,建造活动的价值重心必然就是工地。这种建造模式,有其发展的历史惯性——传统建筑都是在工地,由工匠带着小工,一砖一瓦建造而成,几千年的传承形成了一种固定的组织模式。


以工地为主的建造模式有着成本优势。在工地集中大量的人工,利用简单的工具,采用钢筋、水泥等建筑原材料,进行工程建造,主要的优势是成本较低。由于改革开放以后,大量的农民工进入城市,给各行各业提供了极其丰富而低廉的劳动力资源,建筑行业尤其得以蓬勃发展。这种模式持续了三十多年,一方面为社会解决了大量的就业机会,另一方面也造成了建筑行业发展动力不足,技术水平低,建筑质量不高的局面。2015年以后,中国人口红利快速消失,人力成本快速上涨,另外,由于电商和快递行业迅猛发展,大量的年轻劳动力转向物流业,建筑行业难以吸引新的劳动力,劳动力的紧缺与人力成本的上涨对企业的利润空间造成强烈挤压,传统发展模式的成本优势在快速消解。


因此,历经各种探索(建筑工业化、住宅产业化、建筑产业化、建筑产业现代化等等)之后,发展装配式建筑成为中国实现建筑行业转型升级的最终现实选择。2016年9月,国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》国办发〔2016〕71号文件,启动了装配式建筑发展的开篇章。


装配式建筑是将建筑的部品部件转到工厂进行生产,在工地进行组合装配的新型建造方式。经过十多年的试验和探索,相关技术已经基本成熟,已经基本具备了实施装配式建筑的社会化资源配置。近几年的大范围工程实践,证明了装配式建筑具备了对传统建造模式的质量优势和效率优势。当然,由于成本上仍然无法降低到传统建筑的水平,在成本上还不具备对传统建造方式的代替。但由于人力成本上涨的趋势不可逆转,综合国外的经验来看,当人力成本占到建筑安装成本的40~50%时,装配式建筑在成本上也就具有了竞争的机会。


现在的装配式建筑,仍然处于发展的初级阶段,大多数建筑工程的管理仍然采用传统的管理和发包模式,装配式建筑的优势还没有充分发挥出来。现场建造的工作量仍然占很大的比重,工厂生产的优势并不明显。


装配式建筑的发展还面临着许多问题,主要有:


(一)建筑理论没有创新,仍然遵循着传统的分专业、分系统进行设计、施工的工作方式,对集成发展、信息化技术重视不足、应用不够,未能学习和吸取当今科技发展的先进成果。


(二)方法陈旧、工具落后,信息化、集成化差。无论是设计行业还是施工行业,虽然早已甩掉了图板,用上了电脑和网络,但设计方法仍停留在二维图形的层次,信息化的建设没能跟上建筑行业发展的需要;施工技术的机械化、信息化水平偏低,仍然是以采用简单工具为主、大量依赖人工。


(三)是工业基础差,工业化的功课没有补上。建筑行业享受着大量的农民工的低人力成本红利,在技术创新缺乏有效的研究,在组织模式上没有变革的动力,在建筑工业的设施建设上投入不足。


随着5G技术的普及、物联网、人工智能技术的发展,信息化智能化制造已经成为行业的热点。那么,房子为什么非得在工地进行施工呢?为什么不能放在工厂里进行制造呢?我们现在使用的手机、电脑、家具,体量大一些的汽车、甚至体量更大的轮船、飞机也都是在工厂制造的,为什么房子就不能在工厂制造呢?


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图20  现代船舶模块化制造,从接单到交船一般18-24个月(图片来源:网络视频截图)


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