徐海峰
(廣東天元建筑設(shè)計有限公司)
住建部行業(yè)調(diào)查報告顯示，中國是世界上建筑體量最龐大的國家，但是全國平均建筑壽命僅為30 年。相比之下，瑞士、美國等歐美發(fā)達(dá)國家建筑壽命在70～90年，而英國建筑更是長達(dá)132 年，百年建筑比比皆是[1]。這顯然與我國《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[2]的建筑設(shè)計使用年限相去甚遠(yuǎn)。
2012 年，中國與日本合作提出“百年住宅”的理念，意在解決日益嚴(yán)峻的短命建筑問題。百年住宅依托SI住宅體系構(gòu)建，是指支撐體S（Skeleton）與填充體I（Infill）完全分離的住宅建造體系，其核心是空間可變性與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，以適應(yīng)全生命周期建筑使用功能，從而達(dá)到建筑長壽化的目的[3]。
裝配式建筑（Prefabricated Construction），是建筑工業(yè)化與現(xiàn)代化的結(jié)晶產(chǎn)物，兼具高度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，有效實現(xiàn)建筑空間可變性的特點，同時亦是綠色低碳化的重要載體，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要方式。
歐陽建濤[4]在《中國城市住宅壽命周期研究》中對影響城市住宅的壽命進(jìn)行分析，并建立了壽命預(yù)測模型的計算方法。戴永琪[5]等基于概率分析方法，對影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的剩余壽命的因素進(jìn)行總結(jié)，并提出其剩余壽命預(yù)測模型。國外學(xué)者Pearce[6]對影響既有建筑壽命的因素分析，提出符合社會可持續(xù)發(fā)展觀才能延長建筑的壽命。
綜上所述，建筑壽命與壽命預(yù)測模型的研究在國內(nèi)外雖有進(jìn)展，但研究的關(guān)注點主要集中在現(xiàn)澆混凝土建筑，對于裝配式建筑的壽命分析研究目前尚有不足。因此本文圍繞裝配式建筑，分析影響裝配式建筑壽命的因素，基于概率可靠度建立裝配式建筑剩余壽命預(yù)測模型，為裝配式壽命研究提供理論分析支持。
1.1 裝配式建筑壽命
自然壽命，建筑在規(guī)定的時間內(nèi)，在正常使用與維護(hù)下具有足夠的可靠度，完成預(yù)定設(shè)計功能的壽命。我國《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》以及《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[7]明確指出：在正常使用下需具備安全性和適用性；
在正常維護(hù)下需具備耐久性。
功能壽命，是指建筑按既定設(shè)計意圖達(dá)到使用者的預(yù)定功能需求的目的，是建筑持續(xù)性能的呈現(xiàn)。當(dāng)建筑由于種種因素導(dǎo)致不能滿足使用者的預(yù)定功能需求時，也就意味著建筑的功能壽命結(jié)束。
社會壽命，作為建筑壽命的延伸，建筑的存在因人與社會的發(fā)展而發(fā)生改變，城市的規(guī)劃、國家的政策都會決定建筑的社會壽命，反映建筑的可持續(xù)發(fā)展的效應(yīng)。
1.2 影響裝配式建筑壽命因素
1.2.1建造質(zhì)量對裝配式建筑壽命影響
建造質(zhì)量包括設(shè)計階段的合理性與施工階段的質(zhì)量安全性，對裝配式建筑的自然壽命有著決定性的影響。建筑行業(yè)由于兼具知識集約型與勞動密集型的雙重屬性，導(dǎo)致了從設(shè)計、施工、運(yùn)維管理全周期是一個交融復(fù)雜的過程。設(shè)計的合理性與前瞻性，決定了建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，結(jié)構(gòu)安全可靠性，建筑維修與保養(yǎng)的難易性。施工技術(shù)措施的先進(jìn)性與管理組織可靠性，決定了建筑完成質(zhì)量的好壞，抵抗不利因素耐久性能的高低。
1.2.2功能適用性對裝配式建筑壽命影響
功能適用性是以使用者需求為核心，建筑功能價值的時效體現(xiàn)，對裝配式建筑的功能壽命有著重要影響作用。功能適用性主要體現(xiàn)在建筑空間布局靈活多變性、通風(fēng)采光舒適度、保溫環(huán)保造型等特定功能需求，功能適用性及其形式是一個不斷演變的過程，其演化的過程就是建筑不斷適應(yīng)時代的變化，適應(yīng)使用者更替的使用訴求[8]。當(dāng)建筑缺乏空間靈活多變的可能，跟不上時代需求的步伐，不符合個性化居住需求，其功能壽命將嚴(yán)重縮減。
1.2.3城市規(guī)劃與社會政策對裝配式建筑壽命影響
由于發(fā)展所需而遺留的歷史原因，我國的城市規(guī)劃平均周期為20年左右[9]，城市發(fā)展在整體上缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃的考慮，高頻的拆改重建對建筑的社會壽命產(chǎn)生毀滅性打擊。建筑作為國民經(jīng)濟(jì)重要支柱，同時也是資源能耗高消耗型產(chǎn)業(yè)，因此社會發(fā)展政策與建筑的社會壽命自然息息相關(guān)。建筑的社會屬性，決定了其壽命要符合可持續(xù)發(fā)展的社會需求，滿足國家政策對其物資文化價值調(diào)控的重要載體作用。
1.3 百年建筑理念下裝配式建筑壽命特點
1.3.1 集成產(chǎn)業(yè)化
裝配式建筑以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計為核心，配合BIM 信息化管理，實現(xiàn)工廠數(shù)字化生產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期集成產(chǎn)業(yè)化。技術(shù)分散向集成化的轉(zhuǎn)變，是建筑工業(yè)化的必然結(jié)果，能有效地降低甚至解決施工過程中技術(shù)偶然誤差或人為失誤誤差所導(dǎo)致的參差不齊的質(zhì)量問題，最大限度地保障建筑的產(chǎn)品質(zhì)量與工作性能。在BIM 數(shù)字化平臺下，裝配式高精度的生產(chǎn)模式將一改過往粗制濫造的現(xiàn)場作業(yè)模式所帶來的開裂滲漏等固有難題。
1.3.2 空間靈活多變性
裝配式建筑采用大空間、靈活可變空間，力求實現(xiàn)戶內(nèi)無梁無柱，為實現(xiàn)百年建筑，延長建筑壽命提供了可能性。大空間體系是建筑功能多變，適應(yīng)時代的變化，契合使用者需求的前提條件。百年建筑的核心是靈活的戶內(nèi)空間布置，以滿足跨年代的家庭全生命周期居住需求，可按生活變化改造的永久性居住建筑。建筑功能適用性的顯著增強(qiáng)，意味著裝配式建筑的功能壽命將得到有效延長。
1.3.3 可維修保養(yǎng)的運(yùn)維模式
裝配式建造體系將建筑主體分割為四大系統(tǒng)：建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)。與百年建筑依托的SI 體系有異曲同工之妙，由于設(shè)備與內(nèi)裝系統(tǒng)更新周期為10～30 年，而主體結(jié)構(gòu)可長達(dá)100 年，各系統(tǒng)獨立后更利于部品部件的集成化，降低了建筑后期保養(yǎng)與維護(hù)的難度，讓主體結(jié)構(gòu)免于二次維修時非必要的損傷，增強(qiáng)了功能適用性的同時也提供了結(jié)構(gòu)耐久性。
1.3.4 綠色低碳化
當(dāng)下我國“碳中和、碳達(dá)峰”的雙碳目標(biāo)任重道遠(yuǎn)，綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展理念，正是百年建筑的時代需求，而裝配式建筑就是其最好的踐行載體。低碳排放量，干作業(yè)生產(chǎn)模式，節(jié)約資源降低廢品率，構(gòu)件工業(yè)化運(yùn)維更替回收方式，決定了裝配式建筑將會是未來我國建筑業(yè)新的中堅力量。
2.1 建筑壽命預(yù)測方法
經(jīng)驗對比分析法，根據(jù)實驗室或現(xiàn)場大量的試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合經(jīng)驗系數(shù)以及理論推導(dǎo)模型，對既有建筑作半定量的剩余壽命預(yù)測。其理論的核心是，建筑在相似的工作環(huán)境下有相近的工作狀態(tài)，使用壽命亦相接近。該方法較為簡單可操作性強(qiáng)，但對于額外的影響因素顯得考慮不周，無法準(zhǔn)確反映建筑的真實剩余壽命。
概率可靠度分析法[10]，其核心內(nèi)容是將建筑物的作用效應(yīng)S 和自身抗力R 作為隨機(jī)變量,采用概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法,創(chuàng)建建筑可靠性功能函數(shù)Z,測算建筑的失效機(jī)率,使可靠性度指數(shù)與建筑物剩余壽命建立關(guān)系,以作為評價建筑物剩余使用壽命的基礎(chǔ)。這種方法基于數(shù)理統(tǒng)計的概率分析，綜合了影響建筑壽命的各種因素，能夠較為合理準(zhǔn)確地預(yù)測建筑剩余壽命。
2.2 裝配式建筑剩余壽命修正模型
裝配式建筑壽命是在傳統(tǒng)建筑壽命理論基礎(chǔ)上，考慮裝配式建筑獨有的“百年建筑”特點對其壽命的影響，并對壽命模型進(jìn)行修正。由于建筑剩余壽命受各種環(huán)境條件和材料本身性能的影響，考慮到建筑結(jié)構(gòu)在一般大氣工作環(huán)境下的正常維護(hù)以及簡化理論推導(dǎo)工作量而不考慮其較大的維修和加固因素。基于此前提條件，在前蘇聯(lián)的剩余壽命評估公式基礎(chǔ)上考慮裝配式建筑影響因子，裝配式建筑剩余壽命修正模型如下：
⑴確定建筑自然終結(jié)壽命Lr
根據(jù)《民用建筑可靠度鑒定標(biāo)準(zhǔn)》以及前蘇聯(lián)壽命評估理論[11]，建筑自然終結(jié)壽命Lr如下所示：
式中：
Lr——建筑自然終結(jié)壽命；
S——房屋損壞系數(shù)；
Nk——建筑自然損耗值；
λ——建筑折舊率。
根據(jù)研究顯示[12]，當(dāng)建筑物的自然損耗值達(dá)到70%～75%，即認(rèn)為建筑已喪失其使用價值，因此本文建筑自然損耗值Nk取0.7。
表1 房屋折舊率
建筑的損壞系數(shù)S由建筑各主要構(gòu)件損傷參數(shù)Di確定，損傷系數(shù)與關(guān)鍵構(gòu)件類型，對建筑結(jié)構(gòu)是重要作用以及構(gòu)件損壞程度直接相關(guān)，為簡化計算，建筑損壞系數(shù)S與各構(gòu)件損傷參數(shù)Di之間的關(guān)系可用下式表示：
S= 0.5D1+ 0.3D2+ 0.2D3
⑵確定裝配式建筑影響系數(shù)P
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO15686 條文中給出了壽命預(yù)估的“因子方法”( Factor Method)[13]。本文采用因子法與過時權(quán)重法，通過3 個影響因子構(gòu)建裝配式建筑影響系數(shù)P，其表達(dá)式如下所示：
式中：
P——裝配式建筑影響系數(shù)；
A——工業(yè)化影響因子；
B——空間靈活性影響因子；
表2 構(gòu)件損傷參數(shù)評定等級
C——維護(hù)水平影響因子。
影響因子含義解釋與取值詳見下表。
①工業(yè)化影響因子A由建筑裝配率、信息化水平兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評估方式，取值如表3：
表3 工業(yè)化指標(biāo)
②空間靈活性影響因子B 由內(nèi)墻預(yù)制率、節(jié)點靈活性兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評估方式，取值如表4：
表4 空間靈活性指標(biāo)
③維護(hù)水平影響因子C 由支配從屬關(guān)系、系統(tǒng)可達(dá)性兩部分組成，通過權(quán)重賦值法建立量化評估方式，取值如表5：
表5 維護(hù)水平指標(biāo)
2.3 工程實例應(yīng)用
本文以某裝配式住宅建筑為例，建筑物按照70 年設(shè)計周期，于2014 年竣工。整體裝配率為55%，內(nèi)墻預(yù)制率為92%，采用BIM和智能化技術(shù)，節(jié)點采用開放性線連接多重平行組裝的施工順序，通過對各主要構(gòu)件現(xiàn)場檢測確定建筑損壞系數(shù)S為0.281。
由上述條件，通過計算可得：建筑折舊率0.01，由上式得Lr= 59.9 年；
裝配式影響系數(shù)由上式可得P= 1.18，由此可得此裝配式住宅的剩余使用壽命Ls= 70.7 年。此預(yù)估結(jié)果與建筑的設(shè)計使用年限相吻合，由于裝配式建筑特有的“百年住宅”屬性，其壽命更加接近百年住宅的實際使用壽命。
⑴以百年建筑理念為核心，采用靈活可變空間布局，提高裝配式建筑的功能適用性。一般性的空間改造，通過內(nèi)部隔墻的重新排布，對原有空間重新分割，以滿足使用者不同時代背景下的功能需求。創(chuàng)造性功能改造，對于公共建筑可利用原有建筑結(jié)構(gòu)主體，通過改變建筑的使用性質(zhì)，發(fā)掘建筑的剩余價值[14]。
⑵推進(jìn)SI 體系在裝配式建筑領(lǐng)域的使用，增強(qiáng)建筑的可維修可保養(yǎng)性。裝配式概念不應(yīng)僅停留在主體構(gòu)件上，管線分離技術(shù)、內(nèi)隔墻一體化技術(shù)以及外墻非砌筑技術(shù)，不僅能優(yōu)化管道布置減少主體結(jié)構(gòu)二次損傷，而且提高了構(gòu)件維修可操作性，降低了后期運(yùn)維難度。
本文通過我國短命建筑的現(xiàn)實，研究分析了影響裝配式建筑壽命的主要因素，并基于概率可靠度與因子分析法，提出了裝配式建筑剩余壽命的修正模型。根據(jù)百年建筑的核心理念，提出延長裝配式建筑壽命的建議措施。本文模型仍需更多項目數(shù)據(jù)驗證及修正，以給裝配式建筑壽命研究領(lǐng)域提供更多理論支持。
猜你喜歡裝配式壽命因子裝配式建筑設(shè)計中BIM技術(shù)的應(yīng)用建材發(fā)展導(dǎo)向(2022年18期)2022-09-22裝配式EPC總承包項目管理建材發(fā)展導(dǎo)向(2022年10期)2022-07-28人類壽命極限應(yīng)在120～150歲之間中老年保健(2021年8期)2021-12-02裝配式建筑EPC總承包管理模式研究建材發(fā)展導(dǎo)向(2021年20期)2021-11-20因子von Neumann代數(shù)上的非線性ξ-Jordan*-三重可導(dǎo)映射數(shù)學(xué)物理學(xué)報(2021年4期)2021-08-30一些關(guān)于無窮多個素因子的問題中等數(shù)學(xué)(2020年1期)2020-08-24倉鼠的壽命知多少作文評點報·低幼版(2020年3期)2020-02-12影響因子文化創(chuàng)新比較研究(2020年8期)2020-01-02馬烈光養(yǎng)生之悟 自靜其心延壽命華人時刊(2018年17期)2018-12-07關(guān)于裝配式建筑的幾點思考智能城市(2018年7期)2018-07-10