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李伟兴、徐伟栋:美国建筑工业化考察系列,装配式建筑应用状况

2018-03-07 15:40  来源:中国钢结构资讯网   编辑:张丽娜  点击:次   [我要评论]

  考察概况
 
  目前,我国新型建筑工业化尚处于起步阶段,由于长期以来设计、生产、施工等各环节一直处于割裂状态,大大限制了产业链之间的相互衔接和深度融合。无论是设计、生产能力,还是施工、管理能力,我国建筑工业化水平与西方发达国家之间都存在较大的差距。
 
  而美国是市场化水平最高的国家,在装配式建筑与建筑产业化方面走在国际前列,取得了突出的成就,因此我们将其作为本次考察的目标国家。
 
  美国的装配式混凝土住宅起源于 20 世纪 30 年代,1976 年美国国会通过了国家工业化住宅建造及安全法案,同年开始出台一系列严格的行业规范标准。
 
  1991年美国 PCI(预制预应力混凝土协会)年会上提出将装配式混凝土建筑的发展作为美国建筑业发展的契机,由此带来装配式混凝土建筑在美国二十多年来长足的发展[1],尤其是在停车场、大型超市、体育馆、工业厂房、酒店、监狱等类型的建筑中应用广泛。
 
  作为国内建筑工业化先行者,自 2007 年起,天华一直耕耘在装配式建筑设计的第一线,积极开展技术研发与工程实践,在新时代的行业变革浪潮中,天华始终把握政策及市场方向,砥砺前行。
 
  为学习和借鉴美国先进的装配式建筑设计理念、高效的预制构件制造工艺、完善的生产施工管理经验,作为“十三五”国家重点研发计划课题“建筑工业化技术标准体系与标准化关键技术”的子课题任务参与方,2018年1月5~15日期间,上海天华建筑设计有限公司组织课题组成员及骨干工程师赴美国开展了考察交流活动,考察主题为:美国建筑工业化的相关技术及标准体系。
 
  结合中国的实际情况,为了解美国抗震地区的建筑工业化发展以及预制混凝土建筑技术应用,本次考察专门选择了环太平洋地震带的美国西部城市作为考察地:洛杉矶、凤凰城、图森、萨克拉门托、旧金山。
 
  考察出行之前,课题组提前明确了本次考察活动的目标,收集汇总了计划交流的话题以及课题研究需要调研的内容。
 
  天的考察行程,我们有幸邀请到美国 PCI 协会会士(Fellow)、《PCI 设计手册》第六版编委会主席 Kim Seeber 先生全程陪同。
 
  一路上,考察团成员与 Kim 先生进行了深入的交流,内容覆盖美国建筑工业化的方方面面, Kim 先生耐心、专业的讲解以及他对预制混凝土行业的热爱给大家留下了深刻印象。
 
  在为期 10 天的旅途中,考察团行程安排紧凑、内容丰富:先后参观了洛杉矶、凤凰城、图森、萨克拉门托、旧金山等大中城市的装配式建筑,考察了洛杉矶的 CORESLAB、凤凰城的 TPAC 及萨克拉门托的 CTU 三家预制构件厂,在图森期间拜访了亚利桑那大学的Robert B. Fleischman 教授,邀请 Robert 教授演讲了关于装配式混凝土结构干式连接节点的抗震研究,邀请 Kim 先生演讲了预制双 T 板在美国的发展历程及相关技术。演讲后,考察团成员与 Robert 教授和 Kim 先生进行了深度对话交流,收获良多。
 
  装配式建筑应用状况考察
 
  美国物质技术基础较好,商品经济发达,而且建筑业一直沿着工业化产业道路发展,已达到较高水平。美国装配式住宅与建筑产业化的发展中,已经实现设计体系标准化、材料制造工厂化、构配件供应配套化、现场建造工业化、材质结构长寿化与综合指标绿色低碳化的程度很高,几乎达到 100%。
 
  结合本次考察所见所闻,本文就预制混凝土建筑、木结构建筑、钢结构建筑以及现浇混凝土建筑在美国的应用状况,逐一进行介绍。
 
  预制装配式混凝土建筑
 
  在美国,多层立体停车场是预制混凝土结构应用最广泛的建筑类型,随处可见。停车场常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。
 
  竖向预制构件大多数情况一通到顶,有时也在楼层标高采用螺栓连接或灌浆套筒连接(应用情况较少)。
 
  停车场楼盖普遍采用预制双 T 板的形式,西部地区由于处于环太平洋地震带,双 T 板楼面设置叠合现浇层仍是主流的做法,建造年代早些的停车场楼面常采用预制单向梁+现浇楼板。
 
  预制墙板的上下和左右均采用预埋件+后焊钢板连接,预制柱与预制梁普遍为牛腿搁置的做法(铰接),预制双 T 板的搁置节点一般是采用牛腿搁置或倒 T 梁的做法,对于外墙或边梁,也常采用预留槽口作为搁置节点。
 
  干法连接的预制剪力墙‐梁柱体系的停车场,常利用楼梯间交通核、分区隔墙和坡道侧墙的位置,布置抗侧力的预制剪力墙。
 
  凤凰城机场航站楼的屋盖,采用了预制单 T 板实现大跨度:
 
  南加州大学新校区,采用预制混凝土结构+预制装饰混凝土外墙板的教学办公楼,其高品质的建筑外立面效果,依赖建筑设计+结构设计+工艺设计的紧密配合。
 
   在凤凰城的一栋采用全预制混凝土剪力墙结构+预制空心板+预制外墙板的多层酒店建筑。
 
  由于层高的限制,楼面结构的高度要越小越好,设计通过横跨酒店两单元布置大跨度无次梁空心板,结合预应力筋的使用成了最优选的楼盖方案,而无施工安装支撑的预应力空心板的使用也成了最经济有效的建材。
 
  同时我们看到,预制空心板的拼缝外露在这样的公寓式酒店建筑中并不是一个值得关注的问题,拼缝倒角后只在凹口内角打胶进行了封缝处理。
 
  美国住宅建筑以低层建筑为主流,占比在 90%以上,高层住宅占比很少,一般只在市区内用地比较紧张的区域存在,有豪宅也有针对中低收入人群的公寓楼,其外立面普遍采用预制外墙板或玻璃幕墙。高层住宅主体结构体系可以选择:
 
  (1)带支撑钢框架结构+预制空心板;
 
  (2)现浇无梁楼盖‐剪力墙(或核心筒)结构;
 
  (3)全预制剪力墙(或核心筒)‐梁柱结构(预制空心板);
 
  (4)全预制剪力墙结构+预制空心板。
 
  在美国这样充分市场化竞争的国家,最终采用何种结构体系,取决于该体系在具体项目中的适应性和竞争力。
 
  美国高层住宅中全预制混凝土结构的应用比例并不高,占所有高层建筑的比例不到 20%,主要原因是在18层以上的高层建筑中,塔吊的构件吊装能力受限且吊装效率不高,采用预制混凝土体系缺乏市场竞争力。
 
  木结构建筑
 
  美国的木结构建筑的市场占比大约为 2/3 左右,在大量的低矮住宅中木结构建筑占比更是高达 80%以上。美国住宅部品构件的生产和建设已经进入专业化设计和标准化、模块化、通用化建造阶段,建立了非常完善的产业化装配建筑及其产品技术体系。
 
  美国装配式住宅相对于传统设计区别在于更加强调完整的标准化设计体系。美国装配建筑大多数的标准化设计体系由标准化户型模块及标准化交通核模块共同构成,以统一的建筑模数为基础,形成标准化的建筑模块,促进专业化构配件的通用性和互换性。
 
  在美国各地的市场上,关于装配式住宅与建筑的部品与构件样式齐全,而且轻质板材、装修制品以及设备组合构件、花色品种繁多,可供用户任意选择。
 
  用户可通过产品目录,买到所需的产品。这些装配式构件结构性能好,有很大通用性,也易于机械化生产。
 
  美国发展装配住宅与建筑材料的特点是基本上消除了现场湿作业,同时具有较为配套的施工机具。特别是厨房、卫生间、空调和电器等设备近年来逐渐趋向组件比,以提高工效、降低造价,便于非技术工人安装[3]。
 
  先生告诉我们说,美国很多城市还有大型住宅超市,消费者可以在超市买好部品构件运回家,然后按照产品使用说明书组装自己的家。
 
  建造工作可以聘请老墨(墨西哥人)或华人工人干,也可以 DIY。由于本次考察时间有限,没有安排行程去这样的住宅超市亲身体验,只能留待下次了。
 
  除在低层住宅中广泛应用外,木结构也在公共建筑中有所应用:
 
  钢结构建筑
 
  钢结构建筑也是美国主要的建筑类型,在住宅、公共建筑和高层建筑中都有大量应用,目前市场占比大约为 20%多一些,这个占比还在不断扩大。除了高层钢结构外,还有另外三种钢结构建筑形式,应用也比较广泛:
 
  (1)轻钢结构建筑:以部分型钢与镀锌轻钢作为房屋的支承和围护的绿色环保建筑,主要应用于低层住宅;
 
  (2)钢‐混凝土混合结构建筑:主要有钢柱框架‐混凝土混合体系或钢管混凝土柱框架‐混凝土混合体系;
 
  (3)模块集成化钢结构建筑:该体系是指利用模数协调新技术集成装配整个建筑或者建筑群,在基地现场进行组装。在建造过程中,集成材料被直接运送到场地、组装到位、接上水电管网系统,相互搭接后加以密封,将现场步骤尽量简单化[3]。
 
  现浇混凝土高层建筑
 
  高层或超高层的办公、酒店或豪宅中,现浇混凝土板柱‐剪力墙(或核心筒)结构也是美国主要的结构体系之一,在现浇的建造工艺中,爬架、工具式支架和模板、成型钢筋等工业化施工手段在项目中被普遍地采用。
 
  美国的工程师认为,这些类型的建筑中采用现浇混凝土结构比采用全预制混凝土结构更有成本和效率的优势。
年会2015

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