Модульная конструкция

Модульное строительство — это метод строительства, который предполагает предварительное изготовление 2D-панелей или 3D-объемных конструкций на внешних заводах и их транспортировку на строительные площадки для сборки. Этот процесс потенциально может превзойти традиционное строительство с точки зрения времени и затрат, при этом заявленная экономия времени составит от 20 до 50 процентов быстрее, чем традиционные методы строительства.

По оценкам, к 2030 году модульное строительство может обеспечить 22 млрд долларов США ежегодной экономии затрат для строительной отрасли США и Европы, помогая заполнить разрыв производительности в 1,6 трлн долларов США. Текущая потребность в стандартизированных, повторяемых 3D объемных жилых сборных блоках и проектах для студенческих общежитий, доступного жилья и отелей стимулирует спрос на модульное строительство.

Преимущества

В практическом примечании 2018 года NEC утверждает, что преимущества, получаемые от строительства вне площадки, в основном связаны с созданием компонентов в заводских условиях, защищенных от непогоды и с использованием производственных технологий, таких как сборочные линии со специализированным оборудованием. Благодаря использованию соответствующих технологий модульное строительство может:

Недостатки

В отличие от преимуществ, упомянутых ранее, модульная конструкция представляет собой два существенных препятствия:

Время

Модульное строительство неизменно происходит как минимум на 20 процентов быстрее, чем традиционное строительство на месте. В настоящее время процесс проектирования модульных строительных проектов обычно занимает больше времени, чем процесс традиционного строительства. Это связано с тем, что модульное строительство — довольно новая технология, и не многие архитекторы и инженеры имеют опыт работы с ней. Короче говоря, отрасль еще не научилась работать таким образом. Ожидается, что проектные фирмы разработают библиотеки модулей, которые помогут автоматизировать этот процесс. Эти библиотеки модулей будут содержать различные предварительно разработанные 2D-панели и 3D-структуры, которые будут собираться в цифровом виде для создания стандартизированных структур.

Фундамент конструкции является важной частью ее жесткости. Величина и сложность таких работ будут варьироваться в зависимости от размера и общего веса конструкции. Таким образом, разница в весе дома, построенного традиционным способом, и сборной конструкции будет означать, что необходимый фундамент будет меньше и быстрее строиться.

Выездное производство — это вершина модульного строительства. Возможность координировать и повторять действия на заводе вместе с возросшей помощью автоматизации приводит к значительному сокращению времени производства по сравнению со строительством на месте. Большая экономия времени – это возможность параллельно работать над фундаментом конструкции и изготовлением самой конструкции. При традиционном строительстве это было бы невозможно. Конструкция на месте радикально упрощается. Сборка готовых компонентов так же проста, как сборка 3D-модулей и подключение служб к основным соединениям сайта. Команда из пяти рабочих может собрать до шести 3D-модулей или эквивалент 270 квадратных метров готовой площади за один рабочий день.

Алгоритмы производства

Поскольку технология изготовления компонентов модульного строительства необходима, сборные части модульных зданий осуществляются на модульных заводах. Чтобы оптимизировать время, модульные фабрики учитывают спецификации и ресурсы проекта и адаптируют алгоритм планирования для удовлетворения потребностей этого уникального проекта. Однако современные методы планирования предполагают, что количество ресурсов никогда не достигнет нуля, что представляет собой нереалистичный рабочий цикл.

Модульная фабрика, выполняющая один проект в любой момент времени, встречается редко и будет приносить низкую прибыль. В исследовании Хёна и Ли предлагается модель планирования на основе генетического алгоритма (GA), которая учитывает различные характеристики проекта и распределяет ресурсы. На производственную последовательность этого алгоритма во многом будет влиять то, какие модули необходимо доставить на какой объект и в какие сроки они должны быть доставлены. После рассмотрения переменных производства, транспортировки и сборки на месте целевая функция равна:$${\displaystyle min\Sigma (S),\ldots S=S_{i}+P_{i}-E_{i}}$$Где S_i — количество хранящихся единиц в день, P_i — количество единиц в день, а E_i — количество единиц, установленных в день. Производственные алгоритмы постоянно разрабатываются для дальнейшего ускорения производства модульных зданий, увеличивая разрыв в экономии времени по сравнению с традиционными методами строительства.

Расходы

Модульная конструкция может обеспечить экономию до 20 процентов от общей стоимости проекта. Однако существует также риск увеличения стоимости на 10 процентов. Это происходит, когда экономия на рабочей силе в строительстве перевешивается увеличением затрат на логистику и материалы. Предварительное изготовление компонентов, используемых в модульном строительстве, требует более высоких затрат на логистику, чем традиционное строительство. Поскольку панели или 3D-конструкции должны быть изготовлены на заводе и доставлены на строительную площадку, представлены новые переменные, которые изменяют ход строительства.

Транспорт

Транспортировка готовых компонентов, естественно, обходится дороже, чем транспортировка сырья. Во-первых, даже несколько 2D-панелей, сложенных вместе, гораздо сложнее транспортировать, чем сырой цемент, древесину или материал, используемый для их изготовления. Панели подвергаются высокому риску получения незначительных или серьезных повреждений при транспортировке по суше. Если панель будет повреждена, ее, скорее всего, придется полностью заменить. Заводу придется временно остановить производство других панелей, чтобы заменить эту, что увеличит общее время производства и, следовательно, стоимость. Помимо времени производства, также увеличится время транспортировки, что увеличит еще одну стоимость. Несмотря на это, транспортировка 2D-панелей по-прежнему является хорошей альтернативой строительству на месте.

Пика себестоимости транспортировка достигает при доставке объемных 3D конструкций. В то время как для транспортировки 250 км 1 м² 2D-площади требуется примерно 8 долларов США, его эквивалент в 3D-площади занимает 45 долларов США. Если добавить к этому стоимость замены, если конструкция будет повреждена во время транспортировки, это приведет к значительному увеличению затрат.

Строительство

Сборка компонентов на заводе за пределами завода означает, что рабочие могут использовать повторяемость конструкций, а также использование автоматизации для облегчения производственного процесса. Путем стандартизации общей конструкции конструкций работы, которые обычно требуют дорогостоящих рабочих с определенными навыками (например, механиков, электриков и сантехников), могут выполняться дешевыми производителями, что снижает общую стоимость заработной платы. Поскольку очень мало производства происходит на месте, до 80% традиционной трудовой деятельности может быть перенесено за пределы предприятия на завод по производству модулей. Это приводит к меньшему количеству необходимых субподрядчиков, что еще больше снижает общие затраты на заработную плату. В целом, чем больше трудоемкая часть проекта, тем больше будет экономия при использовании модульной конструкции.

Такие проекты, как студенческие общежития, гостиницы и доступное жилье, являются отличными кандидатами для модульного строительства. Повторяемость их структур приводит к сокращению сроков производства и, следовательно, к снижению общей стоимости. Между тем, если проект представляет собой (например) современный пляжный домик с очень неровными стенами и потолками, традиционные методы строительства могут быть предпочтительнее. Поскольку отрасль продолжает адаптироваться и расти, однажды эти повторяемые конструкции можно будет модифицировать и адаптировать для всех типов конструкций с меньшими затратами.

Безопасность

Строительство считается одной из самых опасных отраслей. Рабочие падают с высоты, роняют предметы, напрягаются мышцы и могут возникнуть опасности для окружающей среды. Модульная конструкция ограничивает всю производственную деятельность уровнем земли, чистым пространством и меньшим количеством рабочих. По оценкам, количество регистрируемых несчастных случаев сокращается более чем на 80% по сравнению с трудоемким строительством. На вопрос об управлении безопасностью в строительной отрасли, проведенном McGraw Hill Construction в 2013 году, 50% представителей строительной отрасли считали, что сборные конструкции безопаснее, чем традиционное строительство на месте, и только 4% ответили, что сборные или модульные конструкции оказало негативное влияние на показатели безопасности. Из опрошенных генеральных и специализированных подрядчиков 78% и 59% заявили, что наибольшее влияние на безопасность оказывает выполнение сложных задач на уровне земли. По данным CDC, падение является основной причиной несчастных случаев на производстве в строительстве, на долю которых приходится более одной трети смертей в отрасли. Снижение высоты, на которой работникам приходится выполнять задачи, впоследствии снижает риск смертельного исхода, с которым они сталкиваются, что значительно повышает общую безопасность отрасли.  Кроме того, 69% генеральных подрядчиков, а также 69% специализированных подрядчиков отметили, что сокращение количества рабочих, выполняющих различные задачи на стороннем заводе, также повысило безопасность строительной площадки. В целом модульная конструкция безопаснее по следующим причинам:

Модульное строительство до сих пор не считается полностью безопасной альтернативой. Тем не менее, это значительно снижает количество несчастных случаев и смертей. Особенно в процессе производства проекта. 48,1% всех несчастных случаев при строительстве на объекте были связаны с падениями, тогда как на производственных предприятиях только 9,1% несчастных случаев произошли из-за падений. Рабочие производственных предприятий чаще подвергались ударам каким-либо предметом или оборудованием (37,1%), а переломы и ампутации имели такую ​​же частоту травм — 27,3%. Тем не менее, поскольку строительная отрасль продолжает адаптироваться и переходит к более устойчивым методам строительства, таким как сборные модульные конструкции, ожидается, что общее количество несчастных случаев на строительных площадках снизится.

Сторонники методов предотвращения посредством проектирования в строительстве поощряют использование модульных методов строительства. Он включен в качестве рекомендуемого средства контроля опасностей для строительных проектов в «PtD — Модуль обучения архитектурному проектированию и строительству», опубликованный Национальным институтом безопасности и гигиены труда.

Устойчивое развитие

Модульное строительство является прекрасной альтернативой традиционному строительству, если рассматривать количество отходов, производимых каждым методом. При строительстве высотного здания в Вулверхэмптоне было использовано 824 модуля. В ходе этого процесса около 5% от общего веса конструкции было произведено в виде отходов. Если сравнить это со средним показателем отходов традиционных методов в 10–13%, можно заметить небольшую разницу. Эта разница может показаться незначительной, если говорить о небольших сооружениях; однако, если говорить о здании весом 100 000 фунтов/фут2, это значительный процент. Кроме того, количество поставок на место сократилось на 70%. Вместо этого поставки переносятся на модульный завод, где можно получить больше материала. Также значительно снижается шумовое загрязнение на месте. Перенос производственного процесса на завод за пределами площадки, обычно расположенный за пределами города, не влияет на соседние здания, как это было бы при традиционном процессе строительства.

Модульные строительные системы

Компоненты аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом и коммерческие компоненты, используемые в модульном строительстве, включают: открытые балки, битовые балки, создающие балки, решетчатые балки, контрапторы, компоненты OpenStructures и т. д. Системы пространственных каркасов (такие как Mero, Unistrut, Delta Structures и т. д.) также имеют тенденцию иметь модульную конструкцию. Другие материалы, используемые в строительстве, которые являются взаимосвязанными и, следовательно, многоразовыми / модульными по своей природе, включают взаимосвязанные кирпичи.