文章搜索:   作者搜索:  

装配式建筑发展简史(下)

丁成章(高级工程师)


作者研究领域:轻骨架(2×4 轻木骨架、冷轧轻钢、SIP) 建筑;装配式建筑(模块化建筑、绿色建筑、住宅产业化、住宅制造装备);市场研究与产品开发。出版专著有《低层轻钢骨架住宅设计、制造与装配》《低层轻钢骨架住宅设计—— 工程计算》《高密度低层住宅住区规划与建筑设计》《工厂化制造住宅与住宅产业化》《无障碍住区与住所设计》《轻钢(木)骨架住宅结构设计》《轻钢住宅节点详图》《轻钢骨架住宅》。

六、钢结构建筑与装配式建筑
(一)钢材建筑物大趋势
尽管钢材作为建筑材料使用已经有近2000 年的历史(公元58~75 年,中国人用铁链建成了兰津桥),大批量工业化使用钢材(一般认为从公元1779 年,在英格兰塞温河上建造科尔布鲁克德尔大桥开始)也已经有200 多年时间了(图20),但真正意义上的现代钢结构建筑,是起始于公元1851 年,约瑟夫·帕科斯顿设计和建造的伦敦世界博览会会场水晶宫。

图20

20 世纪的许多建筑大师首先都是把住宅建筑作为自己的试验场地,来试验各种新型建筑体系、建筑工艺和建筑材料,尤其是钢材,成功之后再推广应用到大型和高层建筑物上。
最早在住宅建筑里采用钢材的人是19 世纪著名的比利时新艺术派建筑师维克多·霍塔,其经典之作是他1898 年在布鲁塞尔设计的私家住宅,现在已经改建为霍塔纪念馆(图21)。

图21

他不但在建筑物立面使用了大量的钢材,在内部也采用了钢材结构,效果极富有感染力。
在住宅里使用钢材作为承重骨架,则起源于德国鲍豪斯学派。画家乔革·玛恰和阿道夫·迈耶为1923 年的德国鲍豪斯展览会设计了一套实验钢材骨架住宅。
在将近一个世纪的历史行程中,通过几代人的苦苦追寻和持久探索,钢结构住宅技术终于越来越成熟。在澳大利亚、美国、加拿大、日本和欧洲,都广泛采用钢材作为建筑承重结构材料。主要原因是钢材加工工艺在不断的进步,质量越来越好。另外,钢材本身的性能优越,特别适合大批量工业化生产,对环境的危害小。因此,钢结构住宅在全球范围内都受到了追捧。
进入20 世纪90 年代以后,由于传统的木骨架住宅受到环保、造价、生产技术和制造工艺等方面原因的逼迫,迫使美国人对成熟的木骨架住宅技术进行改造和发展,并加入新的发明创造,开发出了冷轧钢骨架住宅。这才真正使得钢材骨架住宅在全球范围内得到快速普及。
另外,钢材作为建筑材料,提供了极其稳定的价格,也提供了出众的性能特性。钢材的尺寸稳定,质量始终如一。钢材不会腐烂、翘曲、劈开、破裂或蠕动。白蚁不会吃它,并且不会燃烧。所有这些优点,加上木材的难题长期存在,所以世界各国的钢材产业和建筑产业都在加紧参与这个新市场。澳大利亚、新西兰、美国、加拿大、日本和欧洲,都在加紧推广冷轧钢材骨架住宅。最近几年来,冷轧钢材骨架住宅的新技术、新材料、新工艺和新体系正在不断的推陈出新,日新月异,让人有点目不暇接。
在20 世纪90 年代初期,美国全国各行各业(政府、建筑行业、钢铁行业、制造业、各种各样的社会组织和消费者)突然一起奋力,以迅雷不及掩耳的速度推出了冷轧钢材骨架体系住宅,使得住宅产业化和工厂化制造住宅技术有了突飞猛进,并迅速普及到了全球范围内(美国、加拿大、澳大利亚、新西兰、日本、欧洲),在中国也能够见到少量的冷轧钢材骨架住宅(图22)。在美国,不但早已把预制成型的冷轧钢材骨架用于多层和高层建筑的内隔墙和楼层上,现在已经把预制成型的冷轧钢材骨架用于重钢或钢筋混凝土框架结构大厦的外墙上(图23)。


图22


图23a


图23b

到2000 年左右,美国的镀锌冷轧钢材住宅就激增到了325000套。到2000 年,澳大利亚的钢结构住宅已经占到整个住宅总数量的50%。在日本,到20 世纪90 年代末,钢结构住宅占到了71%。在欧洲,甚至是北欧寒冷地区,钢结构住宅也十分普及。

(二)钢结构建筑与现代建筑
实际上,现代建筑几乎就等同于钢结构建筑。
在很长的一段时间内,国内一直都是限制钢结构建筑的发展,一直到了20 世纪90 年代,有关部门才发觉应该鼓励和促进钢结构建筑发展。
国内高等院校长期不开钢结构课程(现在土木工程专业48 门课程中虽然只有一门《钢结构》课程,但却并不是所有建筑院校都开设它)。大学里的专业设置就像封建帮会,江湖老大凭借着过去的武功,各自占据着一个“码头”,不容外人染指,是针扎不透,水泼不进。每人都在自己熟悉的一亩三分地(专业)里领着徒子徒孙们玩耍。由于缺少不同建筑技术体系之间以及和其它各种学科之间的“异花授粉”,近亲繁殖、品种退化的现象非常严重。
由于目前大多数建筑设计人员都是学土木工程的,只熟悉“梁柱式”建筑体系和“砌块类”建筑维护结构,设计的建筑物都是四平八稳的箱型构造,对千奇百怪的钢结构建筑体系非常生疏。
实际上到了1890 年,钢骨架建筑(skeleton construction)或框架结构(Frames Structure)就已经基本完善,办公大楼、百货公司和仓库都可以采用该结构体系建造。发达国家(包括日本)的市政(尤其是城市中心)建设从此就告别了“土木建筑”,而进入了“钢结构建筑”时代。建筑教育和科研也随之发生了重大变化,车、钳、铆、锻、焊、钣金、冲压、滚轧、翻砂、铸造、紧固件和传动链,以及像钢丝绳这样的特殊建筑材料的设计、加工、制造、连接,安装、维护和保养,也就成了建筑专业学生的必修课或选修课。另外,钢结构建筑热力特性也不能像砌块类建筑那样,光依靠增加墙体厚度(即建筑师经常所说的“几坯砖”)来保证,而是要依靠各种建筑材料的保温特性和建筑围合的气密性来保证;如果要进行产业化大生产,学生们还应该去学习计算机辅助制造系统(CAM)和柔性制造系统。
进入20 世纪90 年代之后,由于大量的大型钢结构建筑大量涌入到中国,回避是不行了,发展钢结构建筑已经成了一项非常必要和十分紧迫的任务,但由于早先很多建筑院校都取消了钢结构和木结构课程,因此就只好让现有建筑人员赶紧补上钢结构知识这一课。当“玻璃幕墙”、“铝扣板”、“石材干挂”、“门式刚架”、“膜结构”、空间网架、Stucco、冷轧钢骨架住宅这些新型建筑产品进入中国市场后,相关企业实在没有办法,就只好从相近专业里寻找技术人员来自我培训。
(三)钢结构建筑与装配式建筑
钢结构建筑的一个主要特点就是创新性。100 多年来,各种建筑新材料、新工艺和新体系不断涌现,人们对建筑功能和建筑造型的理解也发生了翻天覆地的变化。钢结构建筑另一个特点是使建筑高度产业化。除了相对落后的地区,或是大型和高大的建筑物之外,整个世界建筑业都在向着大批量工业化生产方向靠拢。这一切在很大程度上都得益于钢材的高强度和易加工性。
由于钢结构建筑属于高技术、低污染、造价低(在发达国家)、性能(尤其是抗震性能)好,所以发达国家的大多数建筑都是采用钢结构。由于钢筋混凝土结构(尤其是现浇混凝土)属于低技术、高污染、造价低(在发展中国家),性能(尤其是抗震性能)差,所以发展中国家的大多数建筑都采用钢筋混凝土结构。
目前除了大型水利设施(水库大坝)、桥梁(桥墩)、机场(跑道)、高速公路(路面)和大型建筑物的基础必须要采用耐压、抗渗漏的钢筋混凝土外,发达国家建筑物主体部分基本上都是采用不同建筑体系的钢结构建筑,这才给装配式建筑提供了坚实的产业化基础。
在我国,钢结构建筑仍然处在初期启蒙阶段,与发达国家还存在着巨大的差距,建筑师和结构工程师的思维基本还停留在钢筋混凝土框架结构体系上,离开了现浇混凝土,就不知道怎么“玩建筑”。
(四)预先浇筑预应力混凝土建筑(1954~ 现在)
尽管预先浇筑混凝土建筑比装配式钢结构建筑起步晚了近百年,美国人说话也比较直接,绝不藏着掖着。美国PC 行业的一些文献就公开承认:“预先浇筑混凝土骨架施工过程正好类似于钢材骨架”(The construction process for precast concrete framing is directly parallel to that for steel framing),即预先浇筑混凝土骨架是模仿钢材骨架。
因为真正的“干连接”的预先浇筑混凝土结构可以模仿钢材骨架,建造真正的“铰接”节点(图24),可以像钢结构建筑那样“以柔克刚”的吸收地震能量,抵抗地震。


尽管现代意义上的预先制造装配式建筑是从钢结构建筑开始,但是预先浇筑混凝土建筑也是装配式建筑一个重要的产品线。研究装配式建筑发展历史是绕不开预先浇筑混凝土建筑的。
预应力混凝土是从欧洲开始的, 但真正大量的应用是从美国开始。同时对美国预先浇筑混凝土行业也是非常重要的一环。
1954 年,第一个预应力混凝土规范公布,为当时的结构工程师提供了一个设计先拉法预应力混凝土的规范。也提供了一个可以继续探讨及分析的起点。
1955 年,T.Y.Lin (林同炎)出版了 《预应力混凝土结构设计》这本书,替结构工程师提供了预应力混凝土设计的理论,更提供了详细分析和设计的步骤。
1956 年,第一本 PCI 杂志出版为工程师,教授和预制厂提供了一个交换新知识的平台。
1957 年,成立PCI 技术委员会,主要是由一群有名望的结构工程师和教授组成。它提供了一个发展新设计产品的道路。
1958 年,公布PCI 预应力混凝土工厂准则,近年已发展成工厂质量控制体系。而每一个 PCI 工厂会员一定要经过这体系的认可与监督。现在很多美国施工规范规定一定要由 PCI 认可的工厂供应预制构件,以确保品质。
PCI 也出版了一系列的指南:
◆ 1971 年第一版的PCI 设计手册。现在已出版到第七版. 而内容也增加了一倍。
◆ 1973 年第一版的PCI 装饰外墙设计手册。现在已出版到第三版。
◆ 1977 年第一版的PCI 立体停车场设计手册。
◆ 1985 年第一版的PCI 预应力空心楼板设计手册。
《PCI 设计手册》不仅在美国,而且整个国际上也是具有非常广泛的影响力的。从1971 年的第一版开始,《PCI设计手册》已经编制到了第7版。
预先浇筑和预应力共同进退,预应力的应用是美国预先浇筑混凝土行业在高度竞争的自由市场能继续发展的重要因素。利用预应力增加板、梁、墙的跨度,简化结构体,提供大开间,降低成本,缩短工期,增加经济效益成了业主选择使用预制构件的要素。而板、梁、墙、柱的预应力长生产线成了美国预制厂必备的生产工具。
经过六十年实际工程的证明,“干连接”的预先浇筑预应力混凝土结构是一个安全且有效的结构体系。
海纳百川,有容乃大,PCI 规范具有强大的技术包容性,它把预先浇筑混凝土构件应用到了所有现在正在使用的各种各样的建筑结构体系上(“干连接“的装配式混凝土结构”、钢结构、现代轻木结构、冷轧轻钢结构,甚至还包括现场浇筑混凝土结构)

(图25)。
七、结束语
现代意义上的“装配式建筑”起源于工业革命,磕磕碰碰,发展缓慢。与制造业相比,就是“老牛拉破车”,还在“半山腰”。
但是,国际上“装配式建筑”的研发和推广却一直没有停顿下来,历史上曾经有过几次高速发展期:
◆ 1910 年3 月,沃尔特·格罗皮厄斯向德国通用电气公司 AEG 的艾米尔·拉特诺提交了一份合理化生产住宅建筑的备忘录,这份备忘录到今天仍然是对标准化住宅单元的预制、装配和分布的先决条件的最为透彻的阐述。
◆二次世界大战结束后,世界各国为了快速解决居住问题,都加强了装配式建筑的研发和推广。
◆ 20 世纪80~90 年代,全球范围内掀起了一拨“装配式建筑”研发和推广浪潮(恰好就是这个时段,中国建筑界退出了“预制混凝土建筑”研发和推广,一些地区甚至勒令禁用预制混凝土结构),其成果已经惠及全球建筑产业。
◆ 2016 年,中华人民共和国住房和城乡建设部密集推出了三个装配式建筑技术规范:
《装配式混凝土建筑技术规范》GBT51231—2016;
《装配式钢结构建筑技术规范》GBT51232—2016;
《装配式木结构建筑技术规范》GB51233—2016。
近年来,制造业已经获得重大技术进步,特别是在信息技术、机器人、质量和供应链控制等领域。
建筑产业明显滞后于这些创新的应用。应该把制造流程的这些优秀成果纳入到装配式建筑制造和建造过程中。
在日本,已经有几个汽车制造商早就开始在他们的投资组合中包含了装配式建筑,以便他们在制造能力方面的投资获得最大回报。
为了最优化的使用这些先进技术,必须要在装配式建筑的早期阶段建立项目战略。采用预制、预组装和模块化会给建筑项目带来许多变化,以及新的需求和管理技巧。这些方法可能改变建筑项目主体、改变规划和监理,需要更多的协作,以及改变项目结果。
当然,随着信息技术和柔性制造技术的发展,装配式建筑将会从大规模复制建造迈进到大规模定制建造。
用制造业的成功经验改造建筑业已经是世界大势!这一点新加坡做的最为成功,他们很早就把制造业的制造和装配设计(DfMA)引入建筑业。目前新加坡约10%项目采取制造和装配设计(DfMA),新加坡建设局(BCA)希望到2020 年能把这个比率提高到40%。
不但这样,新加坡还采用制造和装配设计(DfMA)技术来设计“厢式预制装配系统”(PPVC)。当前大约一半的政府土地出让地块都需要采用“厢式预制装配系统”(PPVC)。另外,在接下来的两年,35% 的组屋单位,都将采用“厢式预制装配系统”(PPVC)新技术

(图26)!

(来源:深圳市建设科技促进中心)
(编辑:郑阿曼)

 

装配式建筑发展简史(下)-任天堂娱乐官网杂志

作者: