淺談?lì)A(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展

1預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的概念為了解決建筑對(duì)環(huán)境的影響和資源消耗的問題，低碳、節(jié)能、綠色、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展等概念在建筑中得到了廣泛應(yīng)用。許多國家通過建立定量評(píng)價(jià)體系來降低能源和資源的消耗，提高環(huán)境的要求。主體結(jié)構(gòu)也在評(píng)價(jià)體系中發(fā)揮著重要作用。實(shí)際上主體結(jié)構(gòu)在高層建筑的建造中占據(jù)主要部分,應(yīng)該對(duì)主體結(jié)構(gòu)的資源性能和環(huán)境性能提出相應(yīng)的要求各種有利于主體結(jié)構(gòu)建造中降低能源資源消耗和保護(hù)環(huán)境的技術(shù)來考察,采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是一種通過改變建造方式實(shí)現(xiàn)資源性能和環(huán)境性能要求的技術(shù)途徑。因?yàn)轭A(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)具有可以轉(zhuǎn)變建設(shè)模式、提高效率、保證質(zhì)量、有利于管理等特點(diǎn),所以國務(wù)院2013年1月1日《綠色建筑行動(dòng)方案》中明確要求推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系,加快發(fā)展建設(shè)工程的預(yù)制和裝配技術(shù),提高建筑工業(yè)化技術(shù)集成水平。預(yù)制和裝配技術(shù)的發(fā)展也同時(shí)轉(zhuǎn)變了建筑業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。建筑業(yè)的工業(yè)化可以概括為建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)配件預(yù)制工廠化、施工機(jī)械化和組織管理科學(xué)化等“四化”,建筑工業(yè)化是一種重大的技術(shù)和組織變革。預(yù)制和裝配技術(shù)是技術(shù)變革的核心,對(duì)目前建筑業(yè)大量使用的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和混合或組合結(jié)構(gòu)來說,預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)體系和混合或組合結(jié)構(gòu)體系是技術(shù)變革的重點(diǎn),為此總結(jié)目前各地實(shí)施的預(yù)制和裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系,分析其特點(diǎn)和適用范圍,對(duì)推動(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展具有積極意義。2預(yù)制和安裝建筑結(jié)構(gòu)體系2.1柱、板、筒體特點(diǎn)建筑結(jié)構(gòu)體系按材料可以分為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)(如型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu))和混合結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件可分為水平布置的構(gòu)件與豎向布置的構(gòu)件,水平布置的構(gòu)件包括梁、板(組成樓蓋結(jié)構(gòu)、屋蓋結(jié)構(gòu))、剛臂等,豎向布置的構(gòu)件包括柱、剪力墻、支撐、筒體等。基本構(gòu)件因材料、截面形狀、布置、建造方式、構(gòu)成形式等的不同會(huì)形成滿足不用使用和性能要求的各種構(gòu)件,如梁因材料不同可以是鋼筋混凝土梁、鋼梁、型鋼混凝土梁、鋼-鋼筋混凝土組合梁等,柱因截面形狀不同可以是方柱、矩形柱、圓柱、異型柱等,板因建造方式不同可以是現(xiàn)澆板、預(yù)制板和疊合板等,支撐因布置不同可以是中心支撐、偏心支撐、單層支撐和多層支撐等,而筒體因構(gòu)成形式不同可以是實(shí)腹筒、框筒、支撐筒、桁架筒等。由不同的基本構(gòu)件可以形成各類建筑結(jié)構(gòu)體系,如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)體系等。基本構(gòu)件的變化多樣使得形成的建筑結(jié)構(gòu)體系可以花樣繁多,這為建立各種建筑結(jié)構(gòu)體系提供了極大便利和豐富的資源,所以目前滿足各種建筑要求的結(jié)構(gòu)體系種類繁多,如框架結(jié)構(gòu)中的鋼框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)、組合框架結(jié)構(gòu)等因其梁和柱的材料不同、柱子變型、預(yù)應(yīng)力施工等一項(xiàng)或多項(xiàng)變化可以形成混合框架、異型柱框架、預(yù)應(yīng)力混凝土框架以及型鋼混凝土異型框架等各種形式的框架結(jié)構(gòu)體系(圖1),每種框架結(jié)構(gòu)體系都有相應(yīng)的規(guī)范要求,以便進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收。同樣其它結(jié)構(gòu)體系也可以有各種變化。要適應(yīng)日益豐富的建筑創(chuàng)作,研究和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系,以結(jié)構(gòu)成就建筑之美成為目前迫切的需要。伴隨我國超高層建筑數(shù)量和高度的迅速發(fā)展,在高層建筑中越來越多的采用了各種混合結(jié)構(gòu)體系。在建筑工業(yè)化過程中,如何將這些種類繁多的結(jié)構(gòu)體系采用預(yù)制和裝配技術(shù)建造是轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。2.2結(jié)構(gòu)體系規(guī)劃目前各地實(shí)施的預(yù)制和裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系主要為預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)體系。由于鋼結(jié)構(gòu)體系本身的構(gòu)件工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)組裝施工特點(diǎn),一開始就滿足建筑工業(yè)化的“四化”要求,在產(chǎn)業(yè)鏈組織、技術(shù)資格、經(jīng)濟(jì)核算等方面都形成了與建筑工業(yè)化要求相匹配的管理體系,所以預(yù)制和裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的難點(diǎn)在混凝土結(jié)構(gòu)體系。研究確定預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系就是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的首要任務(wù),總結(jié)各地實(shí)施的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系可以為進(jìn)一步開發(fā)研究提供參考。深圳市實(shí)施的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系主要由豎向現(xiàn)澆構(gòu)件、預(yù)制疊合梁板、預(yù)制外掛墻板構(gòu)成,結(jié)構(gòu)體系包括了框架、框架-剪力墻和框架-核心筒結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹饕芰?gòu)件仍然采用現(xiàn)澆,所以同目前大量采用的混凝土結(jié)構(gòu)體系差異較小,但把材料消耗多、工期長的梁、板、外墻等構(gòu)件采用了預(yù)制裝配技術(shù),提高了結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配率。上海市首先對(duì)住宅采用了裝配整體式混凝土體系,結(jié)構(gòu)體系包括裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)、預(yù)制疊合混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)兩種。預(yù)制疊合混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻采用預(yù)制疊合墻、連接節(jié)點(diǎn)部分現(xiàn)澆的剪力墻結(jié)構(gòu)。江蘇省采用的是預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系由墻板、疊合樓板、樓梯及陽臺(tái)等混凝土預(yù)制構(gòu)件組成,在施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝后,采用墻板間豎向連接縫現(xiàn)澆、上下墻板間主要豎向受力鋼筋漿錨連接以及樓面梁板疊合現(xiàn)澆形成整體的一種結(jié)構(gòu)形式,屬于專用的一種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系。北京市準(zhǔn)備采用的是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系有裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、圓孔板剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配式型鋼剪力墻結(jié)構(gòu)三種。這些裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系也屬于專用的一種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配率很高,但結(jié)構(gòu)的最大適用高度限制嚴(yán)格,并把適用范圍擴(kuò)大到8度抗震設(shè)計(jì)。南京大地集團(tuán)從法國引進(jìn)了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系有預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)、預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架-剪力墻結(jié)構(gòu)兩種。框架結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配率很高,而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)比較低。安徽西偉德混凝土預(yù)制件(合肥)有限責(zé)任公司從德國西偉德企業(yè)集團(tuán)引進(jìn)了疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系由疊合式樓板和疊合式墻板,輔以必要的現(xiàn)澆混凝土剪力墻、邊緣構(gòu)件、梁、板,共同形成剪力墻結(jié)構(gòu),專門用于住宅建筑,預(yù)制裝配率很高。遼寧省本著消化吸收的原則,參照鹿島建設(shè)株式會(huì)編制的《構(gòu)架式預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》,制定了DB21/T1868-2010《裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(暫行)》。結(jié)構(gòu)體系包括裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)、裝配整體式混凝土框架-核心筒、裝配整體式混凝土密柱框架筒、裝配整體式混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。黑龍江省準(zhǔn)備采用的是預(yù)制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),其中豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件為預(yù)制混凝土剪力墻,水平構(gòu)件為預(yù)制混凝土疊合梁、疊合板,樓梯為預(yù)制混凝土樓梯,及其他可采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。吉林省頒布的DB22/T1779-2013《裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系居住建筑技術(shù)規(guī)程》也是采用了剪力墻結(jié)構(gòu)體系。河北省提出了一種裝配整體式約束混凝土柱組合梁混合結(jié)構(gòu),是指由裝配式約束混凝土柱、裝配式組合梁組裝成的整體框架或由該框架與支撐組裝成的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制裝配整體式預(yù)應(yīng)力板柱體系是由南斯拉夫塞爾維亞材料研究院的伯蘭柯·熱熱立(BrankoZezely)教授于1956年首創(chuàng)的板柱結(jié)構(gòu)體系,這種板柱住宅建筑可以獲得很經(jīng)濟(jì)的高度和跨度。1993年我國就頒布了整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱建筑技術(shù)規(guī)程,結(jié)構(gòu)體系有板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)和純板柱結(jié)構(gòu)兩種,它由預(yù)制柱、預(yù)制的帶邊肋的屋面板和樓板組成,屋面板和樓板為雙向預(yù)應(yīng)力暗密肋夾芯板,一個(gè)柱網(wǎng)一塊。目前正在制定的《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出的結(jié)構(gòu)體系包括框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)體系將適用于非抗震設(shè)計(jì)及抗震設(shè)防烈度為6~8度抗震設(shè)計(jì)的乙類及乙類以下的裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)。總結(jié)以上各地實(shí)施的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系可以看出,采用專用結(jié)構(gòu)體系,則預(yù)制裝配率很高,但使用范圍有限。采用通用結(jié)構(gòu)體系,則預(yù)制裝配率一般,但使用范圍廣泛。主體結(jié)構(gòu)梁、柱、剪力墻采用預(yù)制裝配技術(shù),則建筑高度、層數(shù)、抗震設(shè)防烈度等適用范圍受限嚴(yán)格,但可以獲得很高的預(yù)制裝配率,充分體現(xiàn)建筑工業(yè)化的優(yōu)勢(shì),如果主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆或部分內(nèi)墻現(xiàn)澆,擴(kuò)大了建筑適用范圍,但現(xiàn)澆和預(yù)制同時(shí)存在,施工工期縮減不明顯,建筑工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不足。與目前的建筑結(jié)構(gòu)體系比較,預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)構(gòu)體系很有限,能夠采用的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要是框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和板柱結(jié)構(gòu),其建筑高度、層數(shù)、抗震設(shè)防烈度等適用范圍比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)要更加嚴(yán)格。3結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)國外多層房屋建筑常用的裝配式結(jié)構(gòu)多是鋼結(jié)構(gòu)的框架體系、預(yù)制樓板和墻板,考慮建造成本,我國多層房屋建筑采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是比較合適的,但多層房屋在大中城市建造的越來越少,主要分布在小城市或鄉(xiāng)村,會(huì)面臨距離預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工廠遠(yuǎn)、配套企業(yè)不易解決等問題。面對(duì)大中城市建造的越來越高的房屋建筑,采用預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)需要更多滿足高層建筑高度、層數(shù)、使用功能、抗震設(shè)防烈度等要求的結(jié)構(gòu)體系。整合設(shè)計(jì)、研究、施工、開發(fā)商、構(gòu)件生產(chǎn)、預(yù)制成套設(shè)備供應(yīng)商、專項(xiàng)產(chǎn)品供應(yīng)商等各類涉及預(yù)制裝配建筑的核心單位開發(fā)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系是一項(xiàng)首要工作。充分發(fā)揮工廠預(yù)制構(gòu)件的優(yōu)勢(shì),將各種有利于構(gòu)件性能提高的技術(shù)體現(xiàn)在預(yù)制構(gòu)件上是促進(jìn)建筑工業(yè)化發(fā)展的有力手段。如預(yù)應(yīng)力混凝土梁可實(shí)現(xiàn)的跨度為15~40(m)、經(jīng)濟(jì)跨度為15~25(m),預(yù)應(yīng)力混凝土板可實(shí)現(xiàn)的跨度為6~12(m)、經(jīng)濟(jì)跨度為7~10(m)。可以大幅度減少材料用量、增加結(jié)構(gòu)適用范圍。目前預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震規(guī)程都頒布實(shí)施,這為預(yù)制構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)提供了保證。再如采用各種高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)鋼筋、纖維混凝土制造梁、柱、剪力墻等構(gòu)件不僅可以改善性能,而且可以節(jié)約材料、擴(kuò)大適用范圍。如果用更好性能得新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件就可能提高預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的性能,解決使用上的限制問題,如剪力墻構(gòu)件采用帶豎縫剪力墻、縫槽剪力墻、設(shè)連接鍵帶縫剪力墻、摩阻式帶縫剪力墻、豎向耗能剪力墻、暗支撐剪力墻等。充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)裝配的優(yōu)勢(shì),將各種有利于提高結(jié)構(gòu)性能的技術(shù)應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)上,可以極大地提高預(yù)制裝配式混凝土的技術(shù)水平。如結(jié)構(gòu)體系中采用隔震和消能減震技術(shù),就可以大幅度提高預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)適用高度和層數(shù),并在高地震區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。從建筑結(jié)構(gòu)整體考慮,設(shè)置人工塑性鉸、加設(shè)支撐等都可以提高結(jié)構(gòu)性能、擴(kuò)大適用范圍。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的框架梁柱節(jié)點(diǎn)、端部等關(guān)鍵部位一般采用現(xiàn)澆,這些關(guān)鍵部位采用高性能混凝土、纖維混凝土、工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料、高阻尼隔震橡膠等可以提高結(jié)構(gòu)性能,大幅提升裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用高度。從結(jié)構(gòu)整體考慮,主體結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn),主體結(jié)構(gòu)采用高性能材料,次要結(jié)構(gòu)采用一般材料,可以既提高結(jié)構(gòu)性能又降低造價(jià),成為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的專門技術(shù)。發(fā)揮疊合構(gòu)件部分現(xiàn)澆處理的優(yōu)勢(shì),既增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性,又解決了建筑部件、暖通空調(diào)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等建筑和設(shè)備專業(yè)的要求,在不降低結(jié)構(gòu)安全性的前提下,優(yōu)化了建筑性能和功能。將保溫隔熱等建筑熱工要求與結(jié)構(gòu)體系結(jié)合,可以從建筑整體上降低材料、能源消耗,這為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系開發(fā)提供了更加廣闊的途徑。4結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化通過總結(jié)各地實(shí)施的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系,并與目前的建筑結(jié)構(gòu)體系相比較,可以看出,可以采用的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系類型比較少,建筑的使用功能、高度、層數(shù)、抗震設(shè)防烈度等適用范圍比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)要更加嚴(yán)格。為適應(yīng)目前越來越高的建筑需要,提高預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的性能、擴(kuò)大適用范圍是主要的科研開發(fā)任務(wù)。從保證較高的預(yù)制裝配率,充分發(fā)揮預(yù)制裝配提供的技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā),未來預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)該充分發(fā)揮工廠預(yù)制構(gòu)件的優(yōu)勢(shì),將預(yù)應(yīng)力技術(shù)、高強(qiáng)和高性能