裝配式建筑何以成為國家戰略?

2019-06-15
作為一名建筑工程師

你曾有過(guò)類(lèi)似想法?

“要像造汽車(chē)一樣精準地制造房子”

如果有

那你的想法可能即將變成現實(shí)

下面跟大家淺談一下裝配式建筑

 
 
我國為什么要發(fā)展裝配式建筑?
 
城市化發(fā)展
 
改革開(kāi)放后,大批農業(yè)勞動(dòng)力涌向城市,城市化極速發(fā)展,且人類(lèi)平均壽命延長(cháng),人口總量迅速上升,居住問(wèn)題日益突出。

 

 
▲ 大批農村人口涌向城市


科技的進(jìn)步

在人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)水平爆發(fā)式地推進(jìn)發(fā)展下,建筑行業(yè)也必然將由勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型轉變。


 
 
▲ 今昔的罐頭加工廠(chǎng)
 


勞動(dòng)力成本上升

人民生活水平的提高,人口老齡化的出現,體力將會(huì )變成一種昂貴的資源,勞動(dòng)力成本會(huì )不斷上漲。


 

 
▲ 我國制造業(yè)平均工資漲幅
 


對建筑質(zhì)量與可靠度的需求提升

隨著(zhù)我國綜合國力的上升,從今年國家對《建筑結構可靠度設計統一標準》的修訂也可以看出,我們對建筑工程建設的要求只會(huì )越來(lái)越高。從提高質(zhì)量、合理加快工期、環(huán)保節能等方位出發(fā),工業(yè)化模式下的裝配式建筑有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢。


 

 
▲ 裝配式建筑施工現場(chǎng)

 
一帶一路

國內建筑產(chǎn)能過(guò)剩,發(fā)展裝配式建筑,有利于對外輸出產(chǎn)能。即有利于國內建筑行業(yè)健康發(fā)展,又能讓我國強大的工程建設能力為世界服務(wù)。


 

 
▲  我國首艘30萬(wàn)噸VLCC貨輪“遠大湖號”

 
節能環(huán)保與綠色施工

傳統建筑行業(yè)會(huì )產(chǎn)生大量建筑粉塵、施工噪聲、建筑垃圾等環(huán)境污染物。而工場(chǎng)生產(chǎn),現場(chǎng)拼裝的模式將會(huì )大大減少污染物的排放,更加合理地配置資源的使用,達到節能環(huán)保的效果。


 

 
▲  整潔的裝配式建筑施工現場(chǎng)
 

 
裝配式建筑的三大方向
 

目前裝配式建筑根據結構材料的選擇,有三條主要的發(fā)展道路,分別是裝配式木結構,裝配式鋼結構和裝配式混凝土結構。三種形式的裝配式結構各有千秋,而采用何種形式就應該因地制宜了。
 

 
裝配式木結構

 

 
▲ 北京故宮博物館
 
在鋼材和水泥被發(fā)明之前,木材是主要的建筑材料之一。我國古代曾經(jīng)是木結構發(fā)展最恢弘的時(shí)期之一,手工制作榫卯連接的宮殿或廟宇層出不窮。隨著(zhù)時(shí)代和科技的發(fā)展,現代木結構建筑采用新材料、新工藝和 工廠(chǎng)化的精確化生產(chǎn),與傳統木結構建筑相比更具綠色環(huán)保、舒適耐久、保溫 節能、結構安全等優(yōu)勢,具有優(yōu)良的抗震、隔聲等性能,比鋼筋混凝土結構和砌體結構更具優(yōu)越性。
 

 

 
▲  膠合木材料
 
最早的裝配式建筑應該追溯到17世紀向美洲移民時(shí)期所用的木構架拼裝房屋。目前輕型木結構住宅占北美住宅的 85% 以上?,F今的木結構體系大致分為以下4類(lèi)。

輕型木結構體系

輕型木結構是由規格材、木基結構板材或石膏板制作的木構架墻體、樓板和屋蓋系統構成的單層或多層建筑結構。構件之間可采用釘、螺栓、齒板連接及通用或專(zhuān)用金屬連接,以釘連接為主。輕型木結構可建造居住、小型旅游和商業(yè)建筑等。
 
膠合木結構體系

膠合木結構是采用20~45mm厚的鋸材膠合而成的層板膠合木構件制造的房屋結構體系。膠合木房屋的墻體可以采用輕型木結構、玻璃幕墻、砌體墻以及其他結構形式。構件之間主要通過(guò)螺栓、銷(xiāo)釘、釘、剪板以及各種金屬連接件連接。膠合木結構適用單層工業(yè)建筑和多種使用功能的大中型公共建筑,如大空間、大跨度的體育場(chǎng)館。
 
原木結構體系

原木結構采用規格及形狀統一的方木、圓形木或膠合木構件疊合制作,是集承重體系與圍護結構于一體的木結構體系。具有優(yōu)良的氣密、水密、保溫、保濕、隔聲、阻燃等各項絕緣性能,原木建筑自身具有可呼吸性,能調節室內濕度。適用于住宅、醫院、療養 院、養老院、托兒所、幼兒園、體育建筑等。

木結構組合體系

木結構組合建筑指由木結構或其構、部件和其他材料(如鋼、鋼筋混凝 土或砌體等不燃結構)組成共同受力的結構體系。上部的木結構與下部的鋼筋 混凝土結構通過(guò)預埋在混凝土中的螺栓 和抗拔連接件連接,實(shí)現木結構中的水 平剪力和木結構剪力墻邊界構件中拔力 的傳遞。與下部鋼筋混凝土結構相比,上部木結構質(zhì)量輕,抗側剛度較小,具有下 重上輕、下剛上柔的非均勻結構特點(diǎn)。

木結構小結

木結構建筑能使人與自然達到和諧統一,在我國木結構主要應用于低層別墅及風(fēng)景區建筑,不適用于解決大量人口居住問(wèn)題。且木材自身就是一種可燃材料,建筑防火問(wèn)題突出。
 

 
裝配式鋼結構

 
 
▲ 芝加哥的家庭保險公司大樓
 
1885年,世界第一幢42米高的摩天大樓問(wèn)世,位于美國芝加哥的家庭保險公司大樓。從此鋼材就以其輕質(zhì)高強特點(diǎn)在大跨、超高、異形等復雜超限建筑中獨霸一方。由于鋼結構的施工特點(diǎn),鋼結構的主體結構天生就具有部分裝配式特點(diǎn),在維護體系方面再下點(diǎn)功夫,裝配式鋼結構體系就能成型。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,下面列舉幾個(gè)裝配式鋼結構的類(lèi)型:

輕型鋼結構

主要建筑材料為薄壁H型鋼、壓型鋼板等輕鋼,采用高強螺栓、普通螺栓及自攻螺絲等連接件和密封材料組裝起來(lái)的低層和多層預制裝配式鋼結構房屋體系。由于結構輕便,安裝迅速,且抗震性能優(yōu)越,在日本建筑市場(chǎng)很受歡迎,超過(guò)一半的新增低層住宅采用輕型鋼結構。
 
鋼結構住宅成套集成技術(shù)體系

杭蕭鋼構主導研發(fā)的鋼結構住宅成套集成技術(shù)體系,采用鋼管束組合結構。鋼鐵結構構件為承重骨架,樓板采用預制裝配式鋼筋桁架樓承板,以輕型建筑墻體材料為圍護結構。
 
束筒鋼結構裝配式體系

長(cháng)沙遠大可建公司在19天內使用束筒鋼結構裝配式體系建造了57層高的高樓“小天城”。該建筑由若干單筒組合而成,每個(gè)單筒中,樓蓋由四塊相同構造的主板拼裝組合而成,主板由壓型鋼板-混凝土組合樓板與雙向桁架組合而成。
 
新型鋼—混凝土板柱結構住宅體系

中冶建筑研究總院主導研發(fā)了《新型鋼—混凝土板柱結構住宅體系》。將組合結構運用在了裝配式建筑上,融合利用了鋼結構連接方便可靠與混凝土良好耐久性的特點(diǎn),針對性解決了傳統裝配式混凝土住宅體系和鋼結構住宅體系的共性技術(shù)問(wèn)題。
 
鋼結構小結

鋼結構輕質(zhì)高強、安裝便利、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)使其在建筑材料中獨樹(shù)一幟,向裝配式建筑方向發(fā)展也具有先天優(yōu)勢。但鋼結構造價(jià)較高,而且為了確保結構的耐久性與防火性能,鋼結構建筑還需要定期進(jìn)行維護,因此目前主要應用于超高層和公共建筑,對面大量廣的住宅建筑還存在一定的應用局限性。
 

 
裝配式混凝土結構
 
自1824年波特蘭水泥(硅酸鹽水泥)的出現,混凝土成為了建筑行業(yè)主要的工程材料之一。
 
 

 
▲ 英國磚瓦匠J.阿斯普丁,波特蘭水泥的發(fā)明者
 
鋼筋混凝土這種為建筑而生的材料一躍成為了建筑界的寵兒,其物美價(jià)廉和優(yōu)越的受力性能極大推動(dòng)了人類(lèi)建筑工程的發(fā)展。戰爭、災難、城市化推動(dòng)著(zhù)西方國家率先發(fā)展起了裝配式混凝土建筑。以下介紹國內外的裝配式混凝土建筑發(fā)展狀況。

歐洲裝配式混凝土建筑

歐洲是預制建筑的發(fā)源地,早在17世紀就開(kāi)始了建筑工業(yè)化之路。第二次世界大戰后,由于勞動(dòng)力資源短缺,歐洲更進(jìn)一步研究探索建筑工業(yè)化模式。無(wú)論是經(jīng)濟發(fā)達的北歐、西歐,還是經(jīng)濟欠發(fā)達的東歐,一直都在積極推行預制裝配混凝土建筑的設計施工方式,積累了許多預制建筑的設計施工經(jīng)驗,形成了各種專(zhuān)用預制建筑體系和標準化的通用預制產(chǎn)品系列,并編制了一系列預制混凝土工程標準和應用手冊,對推動(dòng)預制混凝土在全世界的應用起到了非常重要的作用。
 

北美地區裝配式混凝土建筑

北美的美國和加拿大PCI組織都完成了PC技術(shù)的規范和標準的制定工作,都擁有完備的使用手冊,所以其裝配式混凝 土建筑應用非常普遍。北美的預制建筑主要包括建筑預制外墻和結構預制構件兩大系列,預制構件的共同特點(diǎn)是大型化和預應力相結合,可優(yōu)化結構配筋和連 接構造,減少制作和安裝工作量,縮短施工工期,充分體現工業(yè)化、標準化和技術(shù)經(jīng)濟性特征。

多層立體停車(chē)場(chǎng)是北美預制混凝土結構應用最廣泛的建筑類(lèi)型。采用干法連接的預制剪力墻-梁柱體系,由預制剪力墻承擔全部的水平力,梁柱鉸接形成的排架部分只承擔豎向力。
 
日本和韓國裝配式混凝土建筑

日本和韓國借鑒了歐美的成功經(jīng)驗,在探索預制建筑的標準化設計施工基礎上,結合自身要求,在預制結構體系整體性抗震和隔震設計方面取得了不錯的進(jìn)展。日本裝配式建筑主要以框架結構為主,具有代表性成就的是日本2008年采用預制裝配框架結構建成的兩棟58層的東京塔。同時(shí),日本的預制混凝土建筑體系設計、制作和施工的標準規范也很完善,目前使用的預制規范有《預制混凝土工程》(JASS10)和 《混凝土幕墻》(JASS14)。
 
我國裝配式混凝土建筑

借鑒了國外裝配式的經(jīng)驗,目前預制裝配式混凝土結構(簡(jiǎn)稱(chēng)PC結構)在國內占據了主導地位。其在工廠(chǎng)以構件為單位制作完畢后運至現場(chǎng),通過(guò)套筒灌漿連接組裝而成。在國家的號召下,各省也大力推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展,陸續有PK預應力混凝土疊合板等新型技術(shù)的出現。


 
裝配式混凝土結構小結

混凝土結構優(yōu)越的耐久性和受力性能,在高層住宅方面有廣泛的應用高前景,因此發(fā)展裝配式混凝土結構相對來(lái)說(shuō)更為符合我國國情的要求。目前國內外裝配式混凝土結構均以PC結構為主導,國外PC結構大多用于低層和多層,而在高層采用PC結構且要達到高裝配率,成本增加和建造效率降低是需要考慮的問(wèn)題。

更為重要的是,與現澆結構相比,套筒灌漿連接在可靠性上有一定差距;構件鋼筋數量多,施工對位困難;體外灌漿的質(zhì)量在檢測手段上需要進(jìn)一步的深入研究;我國建筑工人的培訓與職業(yè)素養尚需進(jìn)一步的提高。這一系列問(wèn)題都是裝配式混凝土結構面臨的直接挑戰。
 

 
裝配式建筑的發(fā)展方向
 
>>  打破舊有的技術(shù)思維慣性,研發(fā)新的混凝土裝配式技術(shù)體系,解決連接安全性問(wèn)題。
 
>>  簡(jiǎn)化裝配式建筑構件的安裝,提高功效,真正做到又好又快。
 
>>  與BIM建筑信息管理結合,實(shí)現科學(xué)設計、科學(xué)施工、科學(xué)管理。
 

 
結語(yǔ)
 
我們應該打破僵化的思維,走出傳統裝配式模式給我們束縛,在裝配式產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節引入新技術(shù)新方法,開(kāi)拓新思路才能更快迎來(lái)裝配式建筑的春天。