裝配式建筑結(jié)構(gòu)研究綜述

卓柯先

（廣州工程總承包集團有限公司）

0 前言

隨著人口對建筑需求量增大、勞動力資源緊缺以及對環(huán)保要求的提高，以往傳統(tǒng)勞動力密集型、生產(chǎn)技術(shù)水平低和環(huán)境污染的建筑工程已滿足不了目前我國可持續(xù)發(fā)展的要求，建筑工業(yè)化是建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。建筑工業(yè)化發(fā)展的核心部分是裝配式建筑，裝配式建筑是通過預(yù)制廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，然后運送到施工現(xiàn)場進行裝配，具有節(jié)約能源、高效、保護環(huán)境等優(yōu)點[1]。國內(nèi)外裝配式建筑發(fā)展了數(shù)十年，在裝配式節(jié)點連接部位可靠性、裝配式建筑的技術(shù)管理、經(jīng)濟和效益分析、潛在的風險等方面進行了大量的的研究，極大地推動了裝配式建筑的發(fā)展。

1 裝配式建筑研究現(xiàn)狀

1.1 國外裝配式建筑現(xiàn)狀

1920 年，國外預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)開始興起，尤其在第二次世界大戰(zhàn)后，戰(zhàn)爭破壞了大量房屋，導(dǎo)致大量房屋需要修建，住宅產(chǎn)業(yè)化在此時萌生。法國、美國、日本、丹麥等各個國家都紛紛走上了建筑工業(yè)化之路。

法國為了推進裝配式工業(yè)化發(fā)展，成為史上最早推行預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的國家之一。1960 至1977 年期間[2]，法國成立了建筑構(gòu)件協(xié)會，并建設(shè)科學(xué)技術(shù)中心推行大型板式PCa 構(gòu)法，此后法國建筑產(chǎn)業(yè)化得到大力發(fā)展。

1960 年丹麥為了能盡快解決住宅稀缺難題，提出了“住宅工業(yè)化計劃案”促進建筑工業(yè)化發(fā)展。丹麥的工業(yè)化住宅主要采用通用設(shè)計的標準構(gòu)件，包括3M 和1M的設(shè)計標準，構(gòu)件達到標準化生產(chǎn)，不同廠家的同類產(chǎn)品具有互換性[3]，有利于推動建筑工業(yè)化發(fā)展。

瑞典在1959 年成立了住宅建設(shè)委員會，通過“100萬戶建設(shè)計劃”（用10 年時間新建住宅100 萬戶的供給計劃），在這個時期，瑞典與丹麥一樣，主要推行裝配式建筑工業(yè)化手段大規(guī)模建設(shè)。至今，瑞典建造的住宅數(shù)量在世界名列前茅，他們的裝配率甚至達到95%，其中有80%以上的住宅預(yù)制構(gòu)件采用以住宅通用體系為基礎(chǔ)的通用部件[4]。

20 世紀50 年代,美國開始使用并發(fā)展預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[5]。1954 年成立了預(yù)制/預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會。1962 年預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品產(chǎn)量高達153 萬立方米。1977年美國頒布了《美國統(tǒng)一建筑規(guī)范》UBC97，規(guī)范指出采用預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)節(jié)點和整體的承載力、剛度和穩(wěn)定性等應(yīng)不低于同等條件下的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。2012年，PCI 出版了《PCI 預(yù)制及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》明確了構(gòu)造要求、施工技術(shù)要點、質(zhì)量驗收規(guī)范。

日本[1]1966 年提出《住宅建設(shè)的工業(yè)化構(gòu)想》，大力發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化。1969 年日本建設(shè)省工業(yè)技術(shù)研究院開始實行《關(guān)于推進住宅產(chǎn)業(yè)標準化的五年計劃》，制定了住宅的基本尺寸和模數(shù)。日本在歐洲的PCa 構(gòu)法基礎(chǔ)上研發(fā)出W-PC 構(gòu)法。2002 年，日本出版的標準《現(xiàn)澆等同裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計指南及解說》中，對裝配式結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用提出了明確的各項要求。

1.2 國內(nèi)裝配式建筑現(xiàn)狀

我國在1959 年開始裝配式建筑，在20 世界80 年代，裝配式建筑在我國大力發(fā)展，并達到鼎盛時期[6]。但由于當時我國生產(chǎn)力落后和資源有限，制造預(yù)制構(gòu)件的能力欠缺，生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量與現(xiàn)澆的差距甚遠，且連接技術(shù)不成熟，結(jié)構(gòu)整體性能較差，導(dǎo)致抗震能力較差。所以，上世紀末期，預(yù)制裝配式建筑開始慢慢減少，不再作為建筑業(yè)發(fā)展的主要方向[7]。進入21 世紀后，由于我國綜合國力不斷增強，生產(chǎn)力不斷增強，國家對建筑行業(yè)的要求也越來越高，對環(huán)保的重視也在加強，并且裝配式建筑不僅滿足我國對環(huán)保的要求，也符合我國未來建筑發(fā)展的大方向[8]，所以國家住建部和地方政府出臺了一系列文件要求大力推進裝配式建筑的發(fā)展進程。如2017 年，《廣東省人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實施意見》發(fā)布，要求到2025 年年底前，省內(nèi)裝配式建筑占新建建筑面積比例達到35%以上。

2 裝配式梁柱節(jié)點形式

裝配式梁柱節(jié)點是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。目前裝配式梁柱節(jié)點連接形式主要分為干式連接和濕式連接。

2.1 干式連接

2.1.1 牛腿連接

牛腿連接是梁柱干式連接中采用最多的連接方式，分為明牛腿和暗牛腿，如圖1（a）、（b）。明牛腿節(jié)點多用于預(yù)制裝配式廠房結(jié)構(gòu)中，暗牛腿多用于住宅建筑中。牛腿連接節(jié)點施工簡便，穩(wěn)定性好，承載力高，但美觀和空間受影響。尤其當剪力較大時，梁高抗剪能力不足，則型鋼牛腿能夠提高抗剪能力[9]。東南大學(xué)黃祥海[10]提出含有預(yù)埋件的暗牛腿采用焊接連接形式承載能力是可靠的。其中，無論是混凝土牛腿還是型鋼牛腿的暗牛腿均能滿足設(shè)計要求。

圖1 牛腿連接

2.1.2 焊接連接

美國裝配式建筑結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點最常采用的是焊接連接，如圖2 所示。這種干式連接方式簡便，節(jié)省工期，并且不需要濕作業(yè)。

圖2 焊接連接

2.1.3 螺栓連接

比利時裝配式建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點比較常用的連接形式是采用牛腿和螺栓連接，見圖3（a）。這種螺栓連接的接頭安裝簡易、受力明確，缺點是螺栓位置在預(yù)制時精度要求高。為了避免構(gòu)件在運輸和安裝過程受損，應(yīng)當采取措施保護。盧靜夫[11]采用螺栓連接預(yù)埋柱端剛牛腿與梁端，鋼節(jié)點在預(yù)制構(gòu)件制作時預(yù)埋在柱端（見圖3（b）），澆筑養(yǎng)護完成后，鋼節(jié)點成為預(yù)制樁的一部分，梁柱節(jié)點安裝時可實現(xiàn)干式連接。該節(jié)點充分利用了材料各自特性，受力合理，構(gòu)造簡單，安裝簡單，作業(yè)效率高，已在深圳坪山區(qū)實驗學(xué)校南校區(qū)二期項目中成功運用。

圖3 螺栓連接

2.2 濕式連接和干濕結(jié)合連接

徐科杰[12]通過對濕式連接和干式連接中不同節(jié)點類型的特征描述，分析了不同梁柱節(jié)點連接方式的優(yōu)缺點，濕式連接采用如同現(xiàn)澆的方式連接，如圖4 所示；卓柯先[13]采用螺栓連接與濕連接相結(jié)合的梁柱節(jié)點形式，如圖5 所示。圖5 的做法安裝簡單，剛度大，主要是將鋼板預(yù)埋在混凝土內(nèi)部，板材之間采用螺栓連接提高彎矩和剪力的承載能力，最后澆筑混凝土將節(jié)點連成一體。該做法已成功運用在廣州國際生物島標準產(chǎn)業(yè)單元四期項目。

圖4 濕式連接

圖5 干濕結(jié)合連接

3 裝配式建筑運用BIM 技術(shù)

隨著裝配式建筑發(fā)展需要，BIM 技術(shù)應(yīng)運而生。采用BIM 技術(shù)對施工過程中進行智能信息化管理以及提升預(yù)制構(gòu)件運輸和建造效率，能達到節(jié)省成本的目的。國家出臺相關(guān)政策[14,15]要求企業(yè)對裝配式建筑的施工進行信息化管理和追蹤。王蘭芝[16]用BIM 技術(shù)對裝配式結(jié)構(gòu)進行模擬安裝，確保在施工前能發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，高效指導(dǎo)構(gòu)件實際的生產(chǎn)和施工。卓旬[17]提出了“深化設(shè)計-工廠預(yù)制-虛擬預(yù)裝配模型一體化”的BIM 模型控制設(shè)計方案，并應(yīng)用于實際項目中，證明其合理性。在裝配式建筑施工和運維階段的信息化管理中，常春光[18]結(jié)合BIM 技術(shù)和RFID 技術(shù)，總結(jié)了施工運維管理系統(tǒng)需要包含的功能，并在此基礎(chǔ)上提出了綠色運維管理理念。在對構(gòu)件和施工人身安全實施實時監(jiān)測研究方面，齊賀[19]也將RFID 和BIM 這兩項技術(shù)用于施工管理中。白庶[20]分析了BIM 在裝配式建筑投標、設(shè)計、施工、生產(chǎn)以及運營階段的應(yīng)用價值。丁少華[21]針對目前沒有完善的裝配式編碼體系的問題，首先提出了預(yù)制構(gòu)件分類規(guī)則，其次建立了“構(gòu)件類型-構(gòu)件名稱-構(gòu)件尺寸”的三層編碼體系。田東[22]利用BIM 技術(shù)對預(yù)制構(gòu)件系統(tǒng)進行了分析，提出了BIM 構(gòu)件庫的建立原則，提出了裝配式建筑深化設(shè)計的方法。

4 裝配式建筑效益分析

聯(lián)合國UNEP 指出，建筑業(yè)消耗了全球40%的能源、30%的原材料和25%的固體廢物，并產(chǎn)生了36%的溫室氣體排放[23]。建筑業(yè)的全球溫室氣體排放量以每年1.5%的速度持續(xù)增長[24]。即使在發(fā)達國家，建筑行業(yè)的碳排放也占很高的比例，英國、日本和美國建筑業(yè)產(chǎn)生的碳排放分別占社會總產(chǎn)出的50%、33%和40%以上[25]。如果裝配式建筑替代傳統(tǒng)建筑工藝，采用預(yù)制構(gòu)件和裝配式施工技術(shù)，結(jié)合新型節(jié)能技術(shù)，就能提高建筑質(zhì)量，降低能耗，縮短施工周期，在建筑生命周期內(nèi)節(jié)約成本[26-29]。He Wang[23]以日本一座裝配率為40%的建筑為例進行評估，結(jié)果表明，預(yù)制裝配式建筑在整個生命周期的總能耗和碳排放分別比傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑低7.54%和7.17%；此外，每平方米的預(yù)制建筑的成本低于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑10.62%，說明裝配式建筑在降低成本和減少全球變暖、酸雨等方面具有優(yōu)勢。Jaillon[30]研究表明，采用預(yù)制方式可以減少約52%的建筑垃圾。Cao[31]通過比較中國預(yù)制裝配式建筑和傳統(tǒng)建筑對環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)對資源耗損、健康損害、生態(tài)系統(tǒng)的損害可分別減少35.82%、6.61%和3.47%。Mao[32]報告稱，采用預(yù)制構(gòu)件，每平方米的溫室氣體(GHG)排放量可減少9%。

此外，裝配式建筑的其他好處包括：節(jié)省時間，節(jié)省成本，以及在施工過程中更好的質(zhì)量和安全性能。

5 裝配式建筑存在的風險

Wang Z[33]采用重要性能分析方法對中國預(yù)制裝配式建筑的關(guān)鍵風險因素進行了研究。研究采用問卷調(diào)查和專家訪談的方式，征求他們對中國裝配式建筑關(guān)鍵風險的意見。研究結(jié)果顯示，目前裝配式建筑存在以下風險:分解體系不合理，工廠管理水平低，質(zhì)量保證體系不健全，預(yù)制構(gòu)件規(guī)范偏差，構(gòu)件體系缺陷，建筑零部件目錄缺失，預(yù)制構(gòu)件在運行階段適應(yīng)性差，并且缺乏實際案例來證明裝配式建筑的環(huán)境效益。曹安美[34]通過對國內(nèi)項目的調(diào)研得知，多數(shù)項目存在項目組織結(jié)構(gòu)不合理、進度計劃不科學(xué)、裝配式施工技術(shù)整體水平偏低、進度管控能力不足的問題，導(dǎo)致項目實施過程中遇到各種阻力，項目的進度難以如期推進。

6 結(jié)語

裝配式建筑結(jié)構(gòu)具有施工簡單、作業(yè)效率高、減少濕作業(yè)并且耐久性、耐火性好的優(yōu)點，采用裝配式建筑不僅能降低建造成本，而且能有效降低碳排放，保護環(huán)境。雖然目前裝配式建筑在發(fā)展過程中仍然存在諸多風險，但裝配式建筑的優(yōu)勢相對于傳統(tǒng)建筑有目共睹，推廣裝配式建筑是大勢所趨，因此裝配式建筑結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用前景。