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行业视角 | 装配式建筑何以成为国家战略?

 浏览次数:287    |      2019-04-22

我国为什么要发展装配式建筑?

城市化发展

改革开放后,大批农业劳动力涌向城市,城市化极速发展,且人类平均寿命延长,人口总量迅速上升,居住问题日益突出。

大批农村人口涌向城市


科技的进步

在人类的科学技术水平爆发式地推进发展下,建筑行业也必然将由劳动密集型产业向技术密集型转变。

今昔的罐头加工厂


劳动力成本上升

人民生活水平的提高,人口老龄化的出现,体力将会变成一种昂贵的资源,劳动力成本会不断上涨。

我国制造业平均工资涨幅


对建筑质量与可靠度的需求提升

随着我国综合国力的上升,从今年国家对《建筑结构可靠度设计统一标准》的修订也可以看出,我们对建筑工程建设的要求只会越来越高。从提高质量、合理加快工期、环保节能等方位出发,工业化模式下的装配式建筑有着得天独厚的优势。

装配式建筑施工现场


一带一路

国内建筑产能过剩,发展装配式建筑,有利于对外输出产能。即有利于国内建筑行业健康发展,又能让我国强大的工程建设能力为世界服务。

我国首艘30万吨VLCC货轮“远大湖号”


节能环保与绿色施工

传统建筑行业会产生大量建筑粉尘、施工噪声、建筑垃圾等环境污染物。而工场生产,现场拼装的模式将会大大减少污染物的排放,更加合理地配置资源的使用,达到节能环保的效果。

整洁的装配式建筑施工现场


装配式建筑的三大方向


目前装配式建筑根据结构材料的选择,有三条主要的发展道路,分别是装配式木结构,装配式钢结构和装配式混凝土结构。三种形式的装配式结构各有千秋,而采用何种形式就应该因地制宜了。


装配式木结构

北京故宫博物馆


在钢材和水泥被发明之前,木材是主要的建筑材料之一。我国古代曾经是木结构发展最恢弘的时期之一,手工制作榫卯连接的宫殿或庙宇层出不穷。随着时代和科技的发展, 现代木结构建筑采用新材料、新工艺和 工厂化的精确化生产,与传统木结构建筑相比更具绿色环保、舒适耐久、保温 节能、结构安全等优势,具有优良的抗震、隔声等性能,比钢筋混凝土结构和砌体结构更具优越性。


胶合木材料


最早的装配式建筑应该追溯到17世纪向美洲移民时期所用的木构架拼装房屋。目前轻型木结构住宅占北美住宅的 85% 以上。现今的木结构体系大致分为以下4类。

轻型木结构体系

轻型木结构是由规格材、木基结构板材或石膏板制作的木构架墙体、楼板和屋盖系统构成的单层或多层建筑结构。构件之间可采用钉、螺栓、齿板连接及通用或专用金属连接,以钉连接为主。轻型木结构可建造居住、小型旅游和商业建筑等。

轻型木结构体系


胶合木结构体系

胶合木结构是采用20~45mm厚的锯材胶合而成的层板胶合木构件制造的房屋结构体系。胶合木房屋的墙体可以采用轻型木结构、玻璃幕墙、砌体墙以及其他结构形式。构件之间主要通过螺栓、销钉、钉、剪板以及各种金属连接件连接。胶合木结构适用单层工业建筑和多种使用功能的大中型公共建筑,如大空间、大跨度的体育场馆。

日本兵库县朝来市温水游泳馆


曼海姆多功能厅


原木结构体系

原木结构采用规格及形状统一的方木、圆形木或胶合木构件叠合制作,是集承重体系与围护结构于一体的木结构体系。具有优良的气密、水密、保温、保湿、隔声、阻燃等各项绝缘性能,原木建筑自身具有可呼吸性, 能调节室内湿度。适用于住宅、医院、疗养 院、养老院、托儿所、幼儿园、体育建筑等。

原木建筑疗养院


木结构组合体系

木结构组合建筑指由木结构或其构、部件和其他材料(如钢、钢筋混凝 土或砌体等不燃结构)组成共同受力的 结构体系。上部的木结构与下部的钢筋 混凝土结构通过预埋在混凝土中的螺栓 和抗拔连接件连接,实现木结构中的水 平剪力和木结构剪力墙边界构件中拔力 的传递。与下部钢筋混凝土结构相比,上部 木结构质量轻,抗侧刚度较小,具有下 重上轻、下刚上柔的非均匀结构特点。

某轻木-混凝土上下组合建筑


木结构小结

木结构建筑能使人与自然达到和谐统一,在我国木结构主要应用于低层别墅及风景区建筑,不适用于解决大量人口居住问题。且木材自身就是一种可燃材料,建筑防火问题突出。


装配式钢结构

芝加哥的家庭保险公司大楼


1885年,世界第一幢42米高的摩天大楼问世,位于美国芝加哥的家庭保险公司大楼。从此钢材就以其轻质高强特点在大跨、超高、异形等复杂超限建筑中独霸一方。由于钢结构的施工特点,钢结构的主体结构天生就具有部分装配式特点,在维护体系方面再下点功夫,装配式钢结构体系就能成型。经过多年发展,下面列举几个装配式钢结构的类型:

轻型钢结构

主要建筑材料为薄壁H型钢、压型钢板等轻钢,采用高强螺栓、普通螺栓及自攻螺丝等连接件和密封材料组装起来的低层和多层预制装配式钢结构房屋体系。由于结构轻便,安装迅速,且抗震性能优越,在日本建筑市场很受欢迎,超过一半的新增低层住宅采用轻型钢结构。

日本轻钢结构住宅


钢结构住宅成套集成技术体系

杭萧钢构主导研发的钢结构住宅成套集成技术体系,采用钢管束组合结构。钢铁结构构件为承重骨架,楼板采用预制装配式钢筋桁架楼承板,以轻型建筑墙体材料为围护结构。

钢管束组合结构住宅体系的构成


北京大兴国际机场


束筒钢结构装配式体系

长沙远大可建公司在19天内使用束筒钢结构装配式体系建造了57层高的高楼“小天城”。该建筑由若干单筒组合而成,每个单筒中,楼盖由四块相同构造的主板拼装组合而成,主板由压型钢板-混凝土组合楼板与双向桁架组合而成。

楼盖组成主要构件示意图

现场施工图


新型钢—混凝土板柱结构住宅体系

中冶建筑研究总院主导研发了《新型钢—混凝土板柱结构住宅体系》。将组合结构运用在了装配式建筑上,融合利用了钢结构连接方便可靠与混凝土良好耐久性的特点,针对性解决了传统装配式混凝土住宅体系和钢结构住宅体系的共性技术问题。

装配式维护墙板

施工现场及完工效果图


钢结构小结

钢结构轻质高强、安装便利、环保等诸多优点使其在建筑材料中独树一帜,向装配式建筑方向发展也具有先天优势。但钢结构造价较高,而且为了确保结构的耐久性与防火性能,钢结构建筑还需要定期进行维护,因此目前主要应用于超高层和公共建筑,对面大量广的住宅建筑还存在一定的应用局限性。


装配式混凝土结构

自1824年波特兰水泥(硅酸盐水泥)的出现,混凝土成为了建筑行业主要的工程材料之一。

英国砖瓦匠J.阿斯普丁,波特兰水泥的发明者


钢筋混凝土这种为建筑而生的材料一跃成为了建筑界的宠儿,其物美价廉和优越的受力性能极大推动了人类建筑工程的发展。战争、灾难、城市化推动着西方国家率先发展起了装配式混凝土建筑。以下介绍国内外的装配式混凝土建筑发展状况。

欧洲装配式混凝土建筑

欧洲是预制建筑的发源地,早在17世纪就开始了 建筑工业化之路。第二次世界大战后,由于劳动力资源短缺,欧洲更进一步研究探索建筑工业化模式。无论是经济发达的北欧、西欧,还是经济欠发达的东欧,一直都在积极推行预制装配混凝土建筑的设计施工方式,积累了许多预制建筑的设计施工经验,形成了各种专用预制建筑体系和标准化的通用预制产品系列,并编制了一系列预制混凝土工程标准和应用手册,对推动预制混凝土在全世界的应用起到了非常重要的作用。

“赫鲁晓夫楼”,1960年代末


蒙特利尔67号住宅,1967


北美地区装配式混凝土建筑

北美的美国和加拿大PCI组织都完成了PC技术的规范和标准的制定工作,都拥有完备的使用手册,所以其装配式混凝 土建筑应用非常普遍。北美的预制建筑主要包括建筑预制外墙和结构预制构件两大系列, 预制构件的共同特点是大型化和预应力相结合,可优化结构配筋和连 接构造,减少制作和安装工作量,缩短施工工期,充分体现工业化、标准化和技术经济性特征。

多层立体停车场是北美预制混凝土结构应用最广泛的建筑类型。采用干法连接的预制剪力墙-梁柱体系,由预制剪力墙承担全部的水平力,梁柱铰接形成的排架部分只承担竖向力。

北美多层立体停车场


日本和韩国装配式混凝土建筑

日本和韩国借鉴了欧美的成功经验,在探索预制建筑的标准化设计施工基础上,结合自身要求,在预制结构体系整体性抗震和隔震设计方面取得了不错的进展。日本装配式建筑主要以框架结构为主,具有代表性成就的是日本2008年采用预制装配框架结构建成的两栋58层的东京塔。同时,日本的预制混凝土建筑体系设计、制作和施工的标准规范也很完善,目前使用的预制规范有《预制混凝土工程》(JASS10)和 《混凝土幕墙》(JASS14)。

日本RPC结构套筒灌浆施工


我国装配式混凝土建筑

借鉴了国外装配式的经验,目前预制装配式混凝土结构(简称PC结构)在国内占据了主导地位。其在工厂以构件为单位制作完毕后运至现场,通过套筒灌浆连接组装而成。在国家的号召下,各省也大力推动装配式建筑的发展,陆续有PK预应力混凝土叠合板等新型技术的出现。

预制剪力墙吊与灌浆连接

预制框架柱吊装对位与灌浆连接


装配式混凝土结构小结

混凝土结构优越的耐久性和受力性能,在高层住宅方面有广泛的应用高前景,因此发展装配式混凝土结构相对来说更为符合我国国情的要求。目前国内外装配式混凝土结构均以PC结构为主导,国外PC结构大多用于低层和多层,而在高层采用PC结构且要达到高装配率,成本增加和建造效率降低是需要考虑的问题。

更为重要的是,与现浇结构相比,套筒灌浆连接在可靠性上有一定差距;构件钢筋数量多,施工对位困难;体外灌浆的质量在检测手段上需要进一步的深入研究;我国建筑工人的培训与职业素养尚需进一步的提高。这一系列问题都是装配式混凝土结构面临的直接挑战。


装配式建筑的发展方向

>>  打破旧有的技术思维惯性,研发新的混凝土装配式技术体系,解决连接安全性问题。

>>  简化装配式建筑构件的安装,提高功效,真正做到又好又快。

>>  与BIM建筑信息管理结合,实现科学设计、科学施工、科学管理。


结语

我们应该打破僵化的思维,走出传统装配式模式给我们束缚,在装配式产业各个环节引入新技术新方法,开拓新思路才能更快迎来装配式建筑的春天。