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裝配式建筑為什么這么火

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裝配式建筑為什么這么火我國為什么要發展裝配式建筑??城市化發展改革開放后,大批農業勞動力涌向城市,城市化極速發展,且人類平均壽命延長,人口總量迅速上升,居住問題日益突出。?▲?大批農村人口涌向城市科技的進步在人類的科學技術水平爆發式地推進發展下,建筑行業也必然將由勞動密集型產業向技術密集型轉變。▲今昔的罐頭加工廠勞動力成本上升人民生活水平的提高,人口老齡化的出現,體力將會變成一種昂貴的資源,勞動力

裝配式建筑為什么這么火

我國為什么要發展裝配式建筑?

 城市化發展

改革開放后,大批農業勞動力涌向城市,城市化極速發展,且人類平均壽命延長,人口總量迅速上升,居住問題日益突出。

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▲ 大批農村人口涌向城市

科技的進步

在人類的科學技術水平爆發式地推進發展下,建筑行業也必然將由勞動密集型產業向技術密集型轉變。

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▲ 今昔的罐頭加工廠

勞動力成本上升

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

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▲ 我國制造業平均工資漲幅

對建筑質量與可靠度的需求提升

隨著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越來越高。從提高質量、合理加快工期、環保節能等方位出發,工業化模式下的裝配式建筑有著得天獨厚的優勢。

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▲ 裝配式建筑施工現場

一帶一路

國內建筑產能過剩,發展裝配式建筑,有利于對外輸出產能。即有利于國內建筑行業健康發展,又能讓我國強大的工程建設能力為世界服務。

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▲  我國首艘30萬噸VLCC貨輪“遠大湖號”

節能環保與綠色施工

傳統建筑行業會產生大量建筑粉塵、施工噪聲、建筑垃圾等環境污染物。而工場生產,現場拼裝的模式將會大大減少污染物的排放,更加合理地配置資源的使用,達到節能環保的效果。

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▲  整潔的裝配式建筑施工現場

 

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

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▲ 北京故宮博物館

 

在鋼材和水泥被發明之前,木材是主要的建筑材料之一。我國古代曾經是木結構發展最恢弘的時期之一,手工制作榫卯連接的宮殿或廟宇層出不窮。隨著時代和科技的發展, 現代木結構建筑采用新材料、新工藝和 工廠化的精確化生產,與傳統木結構建筑相比更具綠色環保、舒適耐久、保溫 節能、結構安全等優勢,具有優良的抗震、隔聲等性能,比鋼筋混凝土結構和砌體結構更具優越性。

 

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▲  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。現今的木結構體系大致分為以下4類。

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、小型旅游和商業建筑等。

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▲ 輕型木結構體系

 

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。構件之間主要通過螺栓、銷釘、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、大跨度的體育場館。

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▲ 日本兵庫縣朝來市溫水游泳館

 

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▲ 曼海姆多功能廳

 

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。

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▲ 原木建筑療養院

 

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 混凝土結構通過預埋在混凝土中的螺栓 和抗拔連接件連接,實現木結構中的水 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。

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▲ 某輕木-混凝土上下組合建筑

 

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景區建筑,不適用于解決大量人口居住問題。且木材自身就是一種可燃材料,建筑防火問題突出。

 

裝配式鋼結構

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▲ 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高強特點在大跨、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,鋼結構的主體結構天生就具有部分裝配式特點,在維護體系方面再下點功夫,裝配式鋼結構體系就能成型。經過多年發展,下面列舉幾個裝配式鋼結構的類型:

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,且抗震性能優越,在日本建筑市場很受歡迎,超過一半的新增低層住宅采用輕型鋼結構。

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▲ 日本輕鋼結構住宅

 

鋼結構住宅成套集成技術體系

杭蕭鋼構主導研發的鋼結構住宅成套集成技術體系,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

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▲ 鋼管束組合結構住宅體系的構成

 

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▲ 北京大興國際機場

 

束筒鋼結構裝配式體系

長沙遠大可建公司在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。

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▲ 樓蓋組成主要構件示意圖

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▲ 現場施工圖

 

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,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問題。

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▲  裝配式維護墻板

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▲ 施工現場及完工效果圖

 

鋼結構小結

鋼結構輕質高強、安裝便利、環保等諸多優點使其在建筑材料中獨樹一幟,向裝配式建筑方向發展也具有先天優勢。但鋼結構造價較高,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主要的工程材料之一。

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▲ 英國磚瓦匠J.阿斯普丁,波特蘭水泥的發明者

 

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,其物美價廉和優越的受力性能極大推動了人類建筑工程的發展。戰爭、災難、城市化推動著西方國家率先發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展狀況。

歐洲裝配式混凝土建筑

歐洲是預制建筑的發源地,早在17世紀就開始了 建筑工業化之路。第二次世界大戰后,由于勞動力資源短缺,歐洲更進一步研究探索建筑工業化模式。無論是經濟發達的北歐、西歐,還是經濟欠發達的東歐,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驗,形成了各種專用預制建筑體系和標準化的通用預制產品系列,并編制了一系列預制混凝土工程標準和應用手冊,對推動預制混凝土在全世界的應用起到了非常重要的作用。

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▲ “赫魯曉夫樓”,1960年代末

 

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▲ 蒙特利爾67號住宅,1967

 

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是大型化和預應力相結合,可優化結構配筋和連 接構造,減少制作和安裝工作量,縮短施工工期,充分體現工業化、標準化和技術經濟性特征。

多層立體停車場是北美預制混凝土結構應用最廣泛的建筑類型。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。

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▲ 北美多層立體停車場

 

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,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)。

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▲ 日本RPC結構套筒灌漿施工

 

我國裝配式混凝土建筑

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

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▲ 預制剪力墻吊與灌漿連接

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▲ 預制框架柱吊裝對位與灌漿連接

裝配式混凝土結構小結

混凝土結構優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,因此發展裝配式混凝土結構相對來說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;體外灌漿的質量在檢測手段上需要進一步的深入研究;我國建筑工人的培訓與職業素養尚需進一步的提高。這一系列問題都是裝配式混凝土結構面臨的直接挑戰。

 

裝配式建筑的發展方向

>>  打破舊有的技術思維慣性,研發新的混凝土裝配式技術體系,解決連接安全性問題。

 

>>  簡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,實現科學設計、科學施工、科學管理。

 

結語

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,在裝配式產業各個環節引入新技術新方法,開拓新思路才能更快迎來裝配式建筑的春天。

 

參考資料

裝配式現代木結構建筑 張樹君

2 國內外裝配式混凝土建筑發展綜述  蔣勤儉

3 圖片來源于谷歌圖片、百度圖片

 
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