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装配式建筑深度研究报告

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行业资讯
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2020/07/19 18:48
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装配式建筑的核心:部件预制化,施工拼接 
装配式建筑是指用由工厂生产的预制构件在工地装配而成的建筑。装配式建造模式采 用标准化设计、工厂化生产、装配化施工,把传统建造方式中大量的现场作业转移到工厂进行。是一种可实现建筑产品节能、环保、全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。

装配式建筑主要有三种技术模式:装配式预制混凝土结构(PC,Precast Concrete)、 钢结构和木结构,三大技术自成体系,各有优势。 装配式预制混凝土结构:是以预制构件为主要受力构件经组装而成的混凝土结构。大 致可以分成工厂预制和现场装配两个阶段。 钢结构:是由钢制材料组成的结构。主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架 等构件组成,各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。 木结构:是指结构承重构件主要使用木材的一种建筑方式。现代木结构构件是将木材 经过层压、胶合、金属连接等工艺处理,形成性能远超原木的建筑结构。

技术模式之一:装配式预制混凝土-成本相对较低,应用最为广阔 装配式预制混凝土(PC)是指在工厂中标准化加工生产的混凝土制品。具有结构性能好、产品质量高、施工速度快等特点,适用于各类工业化建筑,具有良好的灵活性和适用性,主要包括预制 PC 墙板、折叠楼板、楼梯和叠合梁等产品。由于与传统应用较广的现浇混凝土结构一脉相承,因此也是目前装配式建筑三大结构体系中推广最顺利,覆盖范围最大的一种。从住建部认定的首批 64 个装配式建筑示范项目来看,混凝土结构占比最大达 64%,共 41 项(钢结构 19 项,木结构 4 项) 。混凝土产业发展较早且成本方面具备 优势,但 PC 构件领域成本竞争激烈,且优化空间有限,短期之内难以对传统现浇混凝土形成替代。与预制钢结构相比,预制混凝土装配式建筑虽然占据成本优势,但难以满足抗风、抗震及超高度、跨度等设计要求。 装配式混凝土结构建造成本较低,适合量大面广的多层、小高层办公楼、住宅建筑。装配式混凝土结构在传统技术框架基础上侧重于外墙板、内墙板、楼板等构件的部品化, 部品化率为 40%~50%,如果延伸至现场装修一体化,成本可进一步压缩至接近传统技术成本,并能实现约 5 天建一层的高效率。在量大面广的多层建筑,尤其是住宅领域有广泛的应用场景。

技术模式之二:装配式钢结构-抗震性良好,适合高层建筑装配式钢结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成,各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域。目前国内钢结构行业市场化程度高,行业集中度低,同质化竞争严重。根据工艺和用途,钢结构行业又可分为轻钢结构、多高层钢结构、空间钢结构三个子行业。以厂房为代表的轻钢领域,应用广泛,技术相对成熟,进入壁垒相对较低,市场分散且竞争最为激烈;多高层钢结构领域,由于钢结构工程技术含量高,制作安装难度较大,产品质量及精度要求高,竞争较轻钢市场缓和;而空间结构主要运用于大型体育场馆、剧院、机场、火车站等大跨度公共建筑,对资金资质、产品质量和精度有着严格要求,进入门槛高,在三者中竞争最为和缓。

技术模式之三:装配式木结构-成本最高,国情决定应用场景受限 装配式木结构以木材为主要受力体系。由于木材本身具有抗震、隔热保温、节能、隔声、舒适性等优点,加之经济性和材料的随处可取,在国外特别是美国,木结构是一种常见并被广泛采用的建筑形式。然而,由于我国人口众多,房屋需求量大,人均森林资源和 木材贮备稀缺,木结构并不适合我国的建筑发展需要。此外,我国《木结构设计规范》明确规定木结构建筑层数不能超过 3 层,并且对最大长度和面积做出了限制。近年来出现的木结构大多为低密度高档次的木结构别墅,主要是为了迎合一定层面的消费者对木材这种 传统天然建材的偏爱,行业整体体量较小。

我国混凝土技术发展较早,有良好的工业基础,且预制混凝土有成本优势,可广泛应用于多层、小高层建筑。钢结构因良好的抗震性广泛应用于超高层以及大跨度建筑。国家对钢结构的补贴较多,一定程度上弥补了成本高昂的劣势。目前我国已形成装配式混凝土 结构份额最大,钢结构次之的格局。 装配式建筑相较传统建筑模式:节能环保、省工期 装配式建筑与传统浇灌式建筑相比,在施工周期、资源消耗、节能环保等方面占据先天优势。作业方式来看,传统建筑方式采用半手工操作,施工现场进行混凝土现浇,易产生大量废水、噪声与粉尘,造成水污染与粉尘污染。从浇灌定型到安装,耗时较长,严重影响施工速率。由于材料采购或进场验收环节把关不严、不同工人熟练度差别较大、施工现场管理不善等原因,建筑质量无法得到保证。浇灌过程中水泥、钢筋、木板等辅材消耗浪费严重,安装过程中人工作业量较大,因而存在着较高安全事故隐患。装配式建筑构件多在工厂依靠模具规模化生产,可控的工厂环境能较好的保证构件和部品质量,节约建筑材料,质量稳定可靠;运输至施工现场后,由专业化施工团队直接进行吊装与安装,人工作业量少、工程耗时短,相应的事故率也较低,因而装配式建筑拥有着先天优势。 用工量减少 30%-50% 装配式建筑比传统的现浇建筑用工量明显减少30%~50%(与预制率有关),在用工量上明显有优势,装配式建筑在施工现场的钢筋绑扎、模板支设等方面用工量明显降低,现场大量的预制构件均采用干法施工,大大减少了现场湿作业。

工期大幅缩短 对于精装交房的项目,装配式建筑的部品和构件均在工厂加工、现场组装,水电及内装修均可以在主体施工阶段穿插进行,这将明显降低了装配式建筑的总工期。同时,随着国内的装配式建筑工艺不断成熟,工期将进一步缩短。

用钢量、混凝土量略增,工程用水、用电、建筑垃圾大幅减少 装配式建筑相较于现浇结构在水、电、模板和垃圾的损耗上降低 20%~40%,装配式建筑在四节一环保上明显优势。

国际经验:政府主导,由量变到质变

各主要国家:依照国情选择发展路径,目前建筑工业化率远高于国内。二战后欧洲已经开始迅速推进建筑工业化。建筑工业化,暨装配式建筑,最早可以追溯到20世纪初英国工程师 John Alexander Brodie 提出的装配式公寓设想,但他的想法并 没有被太多人接受。直至二战后,建筑工业化才随着英国、法国等战争重灾区大力推广装配式建筑迎来高峰。其发展背景主要基于三个条件:工业基础较好、劳动力短缺、建筑需求大。

最优路径:政府主导,量变引发质变 纵观发达国家的建筑工业化历史,虽然各国因地形地貌、工业基础、人口结构和历史文化等差异选择了不同的工业化模式,但整个工业化进程有许多共同特点。 政府主导作用明显。英国政府曾明确建筑生产领域需要通过新产品开发、集约化组织、 工业化生产以实现“成本降低 10%,时间缩短 10%,缺陷率降低 20%,事故发生率降低 20%,劳动生产率提高10%,最终实现产值利润率提高 10%”的具体目标;日本通过政 府主导专题研究、财政补贴、技术引导、贷款支持等手段支持建筑工业化的推进。

行业标准规范体系完善,通用性强,执行严格。美国国会在 1976 通过了国家工业化住宅建造及安全法案。同年,美国联邦政府住房和城市发展部(HUD)颁布了美国工业化住宅建设和安全标准(简称为 HUD 标准),对设计、施工、强度和持久性、耐火等方面进行了规范。随后又出台了联邦工业化住宅安装标准,用于审核所有生产商的安装手册和州立安装标准;日本建立了优良住宅部品(BL)认定制度、住宅性能认定制度,日本预制协会还出版了各种工业化模式的详细设计规范;以严谨著称的德国更是制定了全面详细的规范体系,所有的产品必须出具满足相关规范要求的检测报告或产品质量声明。 

经历了从追求数量到注重质量的过程。工业化初期各国为了满足大量的房屋需求纷纷快速大量地建造住宅。随着经济水平的提升,质量和功能愈发受到重视,结合环保意识的 不断增强,新型绿色节能、资源循环型建筑成为主流。

我国已进入装配式建筑快速发展阶段

过去 3 年 CAGR 超过 55% 。

我国建筑业工业化历程大致可分为四个阶段:建筑工业化最早期、建筑工业化起伏期、 建筑工业化提升期、建筑工业化快速发展期。 在 20 世纪 50 年代建筑工业化最早期阶段,我国开始学习苏联的多层砖混经验。从 1950 年至 1975 年,我国全面学习苏联,包括各式建筑设计规范全部译自俄文。期间国务 院印发了《关于加强和发展建筑工业的决定》,强调建筑业必须积极地往“设计标准化、构件生产工业化、施工机械化”方向发展。在国家推动下,一度几乎所有的建筑都有“预 制装配元素”。 从 1976 年到 1995 年,我国建筑业工业化步入了 20 年漫长的起伏期,经历了停滞、 发展、再停滞的波折发展。1976 年唐山大地震调查表明,按照当时规范而建造的预制装 配式建筑抗震性能差,倒塌严重。震后全国划分了抗震烈度区,颁布了新的建筑抗震设计规范,现浇板成为主流;随后,提出了“四化、三改、两加强”,建筑工业化迎来一轮高 峰,标准化设计体系快速建立,大批大板建筑、砌块建筑纷纷落地。80 年代末,因防水、 冷桥、隔声等一系列问题的出现,加之现浇混凝土机械化的出现,装配式建筑的发展再次骤然止步。 从 1996 年到 2015 年,我国建筑工业化进入了发展提升期。1999 年发布了《关于推 进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》,明确了住宅产业现代化的发展目标、任务、措施等。但住房的商品化、多样化要求,大量廉价劳动力进城就业等因素致使现浇体系大 规模发展,此阶段装配式建筑占比依旧较低,发展缓慢。 从 2016 年开始我国建筑业工业化步入快速发展期。进入“十三五”以来,国务院发 布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》后,装配式建筑市场规模呈显著 的加速发展态势,我国建筑工业化正式步入快速发展期。构配件生产企业数量在快速增加,截止 2016 年底,全国共有 156 家生产企业,较 2015 年增长 20%。行业产值方面,2018 年全国装配式建筑约 2 亿平方米,产业规模达 5234 亿元,过去 3 年复合增长率达 55%。

多维驱动力:政策不断落地,劳动力因素是根本

从 2013 年发展改革委、住房城乡建设部发布《绿色建筑行动方案》开始,国家密集 颁布关于推广装配式建筑的政策文件。在发展规划、标准体系、产业链管理、工程质量等多个方面作出了明确要求。2016 年 2 月,国务院颁发《关于进一步加强城市规划建设管 理工作的若干意见》,标志着国家正式将推广装配式建筑提升到国家发展战略的高度。《意 见》强调我国须大力推广装配式建筑,建设国家级装配式生产基地;加快政策支持力度, 力争用 10 年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达 30%。 

2017 年 3 月,住建部出台《“十三五”装配式建筑行动方案》,明确到 2020 年,全国 装配式建筑占新建建筑的比例达到 15%以上,其中重点推进地区达到 20%以上,积极推 进地区达到 15%以上,鼓励推进地区达到 10%以上。

各地政府紧跟国家步伐,陆续颁发推广装配式建筑的相关文件。不完全统计, 地级市以上政府及其相关部门就装配式建筑发布的政策文件超过 100 份。当前时点国家顶层设计完善,地方细则落地,未来十年装配式建筑将借政策东风获得高速发展。

发展装配式是必然之路:人口红利逐渐消失,劳动力成本快速上升 传统的混凝土浇筑模式是典型的劳动力密集型生产方式。过去数十年,现浇混凝土式的建筑模式受益于我国丰富的劳动力资源而广泛发展。但随着人口红利的逐渐消失,劳动 力成本的快速攀升,这一模式将难以为继。 我国农民工增速从 2011 年开始下滑,劳动人口在 2013 年见顶后下降。国家统计局 发布的数据显示,2018 年全国农民工总量 2.88 亿人,同比增长 0.6%,增速较 2013 年的 4.4%下降-3.8pcts;16-60 周岁劳动人口在 2013 年见顶后开始下降,2018 年全国劳动人 口数量 9.11 亿人,占总人口比例下滑至 65.26%。

16-60周岁劳动人口数量和占比下降

农民工年龄不断提高,年轻农民工占比越来越低,从事建筑行业的农民工比重下降明显。2017 年农民工平均年龄 39.7 岁,比 2016 年提高 0.7 岁;40 岁以下农民工所占比重 52.4%,较 2016年降低-1.5pcts,而 50岁以上农民工所占比重较2015年+2.2pcts至21.3%。 同时,从事建筑业的农民工比重在逐步下降,2017 年占比 18.9%,较 2016 年下降-0.8pct。 

农民工年龄构成%

建筑业劳动力成本在快速攀升。2009-2017 年建筑行业私营企业工资的 CAGR 为 12.3%,非私营企业为 11.6%,高于同期高于 GDP 增速。由于传统建筑施工为劳动密集 型产业,且竞争较为充分,人工成本的提高将进一步压缩有限的利润空间。

建筑业农民工人均成本持续上升

劳动力成本的快速上升将大大缩减装配式建筑的成本劣势。装配式建筑是一种集约生 产方式,产业链高度机械化,劳动力大幅减少。如年产能 120 万平方米的叠合楼板专业工 厂的生产线上不到 10 个工人,而传统的手工作业生产相同数量楼板需要 200 多个工人; 一栋 30 层的建筑,使用装配式建造模式只需要 12 个工人工作 180 天,与传统施工相比功 效至少提升 30%。 中国城镇化率还将继续攀升,人口红利弱化将加速传统建筑业向建筑工业化升级。建筑业从业人口增速下降,供需失衡促使劳动力成本逐年上升。建筑工业化高度 机械化、人力成本占比低,相较于劳动力密集型的现浇式建筑模式有明显的优势。

规模化生产叠加人工成本上升将迅速强化装配式建筑的经济适用性

装配式建造模式的成本增量主要来源于预制构件。以装配式混凝土结构为例,根据《建 筑经济》对某公租房项目的测算,装配式建造模式的增量成本约为 695 元/m2。在电气工 程、给排水工程等方面,装配式有明显优势,但预制混凝土构件导致的单价差达 1435 元 /m2。

某公租房项目装配式设计和现浇设计造价对比

预制构件的成本可分为变动成本和规模化生产可降低的成本。前者包括钢筋、混凝土 等原材料费用,占比约 42%;后者主要包括模具、人工费、管理费等通过规模化生产可以 有效降低的成本,占比约 58%。

预制混凝土构件的成本构成

当前装配式建筑成本较高的主要原因是规模化优势尚未体现,随着产能利用率的提升,成本将会大幅下降。据住房和城乡建设部住宅产业化促进中心对某项目的测算,专门为一 栋楼生产构件,出厂价格 3344 元/m3;而为较大规模的项目供应高标准化程度的构件,出厂价格可降低至 2563 元/m3,两者差额达 780 元/m3。假定其他条件不变,年产能 15 万立 方米的生产线负荷为 18%时,预制构件平均售价为 3200 元/m3 方可达到盈利,而当实现 80%产能时,预制构件的盈亏平衡均价仅 1640 元/m3。 

考虑政府补贴因素,PC 装配式有望在 2021 年年内与传统现浇成本持平 根据《装配式建筑工程消耗量定额》公布的标准混凝土小高层住宅为例,2018 年现浇建筑成本2061元/m2,其中建安造价合计1752元/m2; 60%PC率的装配式建筑成本2556 元/m2,其中建安造价合计 2171 元/m2。以此数据测算,装配化率在 40%以上的 PC 装配 式建筑有望在 2021 年年内与现浇建筑成本持平。 核心假设 1:人工成本年增长率为建筑行业农民工收入在过去五年的平均增长率 7.2%。 核心假设 2:现浇建筑材料成本为通胀率 2%,考虑规模生成和产能利用率的上升,20%、40%、50%、60%PC 率的材料费增长率分别为-1%、-4%、-6.5%、-7%。 核心假设 3:机械使用成本为通胀率 2%。 核心假设 4:生产毛利润率为 5%。 核心假设 5:组织措施费率 5%,企业管理费率 5%,税率 9%。 核心假设 6:补贴政策为 50%税收即征即退,只有 PC 率为 40%以上(含)的建筑才享受补贴优惠.

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