李勝強(qiáng) 郭紅燕 何勇毅 楊 博 張年文

(廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 引言

目前，我國勞動力成本急劇上升、社會整體工業(yè)化水平大幅提升，而建筑行業(yè)仍然大量采用需要繁重現(xiàn)場手工作業(yè)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。提高建筑行業(yè)工業(yè)化水平已是社會發(fā)展的迫切需要，推廣采用裝配式建筑是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1 我國裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

我國裝配式建筑從結(jié)構(gòu)材料分主要有四大類，即鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑、混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)裝配式建筑[1]及木結(jié)構(gòu)。其中木結(jié)構(gòu)由于我國森林資源有限，應(yīng)用較少。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

由于鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其本身就是裝配式的，甚至可以認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)是目前最為成熟的裝配式建筑。由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好；拆除時建筑垃圾少、綠色環(huán)保；施工效率高、工期短等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用越來越廣泛。其應(yīng)用主要包括以下領(lǐng)域：

1)大跨度結(jié)構(gòu)。

鋼材具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)特別適用于大跨度結(jié)構(gòu)。在大跨度位置設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨越，空間布置比混凝土結(jié)構(gòu)更加靈活方便[2]。體育館、影劇院等單層大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，通常采用鋼結(jié)構(gòu)[3]。

2)需要快速建造的建筑物。

由于鋼結(jié)構(gòu)施工效率高、工期短、快捷高效，因此，對于需要快速建造的建筑物，如展館、倉庫、廠房等，通常也優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)。

3)部分多、高層建筑。

鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，有利于降低建筑物基礎(chǔ)造價；此外，鋼結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)越、建造工期短。因此，部分多、高層建筑也選擇采用鋼結(jié)構(gòu)。但是，由于鋼結(jié)構(gòu)在防腐、防火、保溫等方面稍顯復(fù)雜，特別是鋼材不耐火，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用受到一定局限。

綜上，目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于單層大跨度建筑、工期緊的建筑，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用較少。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)中葉至20世紀(jì)末，我國就已經(jīng)建造了大量的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)房屋，這些房屋大多是采用以空心板、大板為裝配樓板的多層混合結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代，我國就已初步創(chuàng)立裝配式建筑技術(shù)體系，如大板住宅體系、大模板住宅體系、框架輕板住宅體系[4]。1989年，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》開始施行，由于現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)的整體性優(yōu)于裝配式，并且隨著人民生活水平不斷提高，20世紀(jì)末至今，現(xiàn)澆式成為了混凝土結(jié)構(gòu)房屋的主流。

隨著社會發(fā)展，勞動力成本急劇上升，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)需要繁重手工作業(yè)已逐漸與時代要求不相適應(yīng)。2013年1月，國務(wù)院頒發(fā)《綠色建筑行動方案》，推廣裝配式結(jié)構(gòu)。自此，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)重新被重視，并在政策的大力推動下，近年來裝配式混凝土結(jié)構(gòu)從計算理論、節(jié)點(diǎn)連接、施工技術(shù)等各方面均進(jìn)行了大量的探索，形成了一整套可操作的規(guī)范、流程。

當(dāng)前我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要是裝配整體式，其主要做法是：豎向構(gòu)件通過套筒灌漿或漿錨搭接等方式連接[5,6]，然后安裝預(yù)制梁、板，再澆筑梁板疊合層及節(jié)點(diǎn)混凝土形成裝配整體式結(jié)構(gòu)。此外，為了提高裝配率，提高施工效率，一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如預(yù)制樓梯、預(yù)制墻板、預(yù)制衛(wèi)浴等也采用裝配式。裝配整體式是我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)目前的主流結(jié)構(gòu)形式，全裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)目前在我國應(yīng)用較少[7]。

1.3 鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)由于充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自優(yōu)點(diǎn)，越來越得到重視。裝配式鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)[8]與裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)相比，其做法主要是豎向構(gòu)件采用鋼管混凝土柱或鋼管束混凝土剪力墻代替預(yù)制混凝土柱或混凝土剪力墻。施工時先安裝鋼管或鋼管束，現(xiàn)場再在鋼管空腔內(nèi)灌注混凝土形成豎向構(gòu)件。目前豎向構(gòu)件有三種主要形式：

1)普通方鋼管混凝土柱。

豎向構(gòu)件采用普通方鋼管混凝土柱，節(jié)點(diǎn)采用隔板貫通節(jié)點(diǎn)[9]，形成框架—支撐、框架—剪力墻或框架—現(xiàn)澆筒體等結(jié)構(gòu)形式。目前該體系已有較為成熟的計算理論，并實際應(yīng)用于工程項目。

2)方鋼管混凝土異形柱[10]。

方鋼管混凝土異形柱采用單根方鋼管混凝土柱作為柱肢[9，11]，其截面形式為L形、T形或十字形(見圖1)。單根方鋼管混凝土柱通過綴條或綴板連接后，可明顯提高柱肢的強(qiáng)度及抗側(cè)剛度[12]。

方鋼管混凝土異形柱住宅體系由天津大學(xué)陳志華等提出，其主要做法是，豎向構(gòu)件采用方鋼管混凝土組合異形柱、節(jié)點(diǎn)采用外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)、樓板采用現(xiàn)澆、墻體采用蒸壓加氣混凝土墻板。該住宅體系已列入相關(guān)設(shè)計規(guī)程并在部分工程項目中實施。

3)鋼管束組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系[10,13]。

鋼管束組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系由杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司研發(fā)，其充分結(jié)合了鋼筋混凝土剪力墻和鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其做法為：預(yù)制墻狀的密排鋼管束，施工時先安裝鋼管束，再在鋼管束空腔內(nèi)灌注混凝土形成剪力墻(見圖2)。這種體系承載能力、抗側(cè)剛度、延性和抗震耗能等各方面性能指標(biāo)均較為優(yōu)越，可用于高層及超高層建筑。目前，該結(jié)構(gòu)體系已逐步推廣，應(yīng)用于廣州保利國際廣場、武漢民生銀行大廈等國內(nèi)外一系列項目中。

1.4 木結(jié)構(gòu)裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

我國木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，但由于我國木材資源減少等原因，木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用一段時間陷于停滯。隨著社會對建筑節(jié)能、建筑工業(yè)化要求的提高，近年來木結(jié)構(gòu)建筑有所復(fù)蘇，而且出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。主要體現(xiàn)在，木結(jié)構(gòu)由以往單純用木梁、木柱通過榫卯連接形成傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的形式，發(fā)展為以復(fù)合木材料、木混合結(jié)構(gòu)為主要應(yīng)用方向的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑。

1)以復(fù)合木材料為結(jié)構(gòu)材料的木結(jié)構(gòu)建筑。

復(fù)合木材料以膠合木[14]為常用，膠合木是一種以較小規(guī)格的實木鋸材，利用膠粘劑順紋加壓膠合而成的一種工程木，其質(zhì)量均勻、強(qiáng)度較高，可作為多高層建筑的豎向承重構(gòu)件，也可制作成拱、網(wǎng)架、網(wǎng)殼或桁架等，營造大跨度建筑空間。木結(jié)構(gòu)的質(zhì)感、色澤和紋理使得建筑更顯生動、輕盈，深受建筑師及業(yè)主的喜愛，近年來應(yīng)用越來越多。

2)木結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)材料混用的木混合結(jié)構(gòu)建筑[15]。

這種木混合結(jié)構(gòu)形式多樣，有的是鋼木混合，即結(jié)構(gòu)體系由膠合木構(gòu)件與鋼構(gòu)件混合構(gòu)成，如鋼框架—輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻[14]的鋼木結(jié)構(gòu)、鋼框架—屋面木結(jié)構(gòu)梁的鋼木混合結(jié)構(gòu)等；有的是混凝土結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)混合，如上海世博會溫哥華館一層為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，而2層、3層為木結(jié)構(gòu)[14]，還有些是采用混凝土框架—輕型木結(jié)構(gòu)填充墻[15]的混合結(jié)構(gòu)。

木混合結(jié)構(gòu)總體上布置比較靈活，可以發(fā)揮木與混合材料各自的優(yōu)點(diǎn)，對于鋼木混合結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)快速裝配施工，而混凝土—木混合結(jié)構(gòu)，裝配化的優(yōu)勢不明顯。

2 目前我國裝配式建筑存在的問題

雖然近年來我國裝配式建筑取得了較快的發(fā)展，但是也存在一些問題。這些問題阻礙了裝配式建筑的發(fā)展，必須設(shè)法解決。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在的問題，實際上就是鋼結(jié)構(gòu)建筑存在的問題[16]。由于鋼材存在不耐火、全壽命周期防腐成本高、節(jié)點(diǎn)連接較為復(fù)雜、保溫隔熱不易處理等問題[9]，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用受到很大的局限，至今無法成為主流結(jié)構(gòu)形式。

在鋼結(jié)構(gòu)存在的問題中，以不耐火這一局限最為突出。未經(jīng)防護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，耐火極限只有15 min～30 min；即使經(jīng)過處理達(dá)到一級耐火等級，耐火極限也只有3 h。受到火災(zāi)影響的鋼結(jié)構(gòu)建筑，通常需要拆除重建。這樣就使得鋼結(jié)構(gòu)建筑在高層建筑中的應(yīng)用受到局限。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在的問題

2014年以來，由于政策的大力推動，混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑得到較快發(fā)展，但是混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在一些亟待解決的問題。

1)豎向鋼筋連接質(zhì)量難以保證[17,18]。

目前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件鋼筋連接的主要方式是套筒灌漿連接或漿錨搭接連接[5]，這兩種連接技術(shù)雖然都有相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)程，但都存在事后檢測困難的問題。事后檢測困難造成豎向鋼筋連接質(zhì)量難以保證，對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度造成一定影響。

2)對裝配精度要求很高。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中，中大型構(gòu)件吊裝工程量大且對施工精度要求很高，施工困難，不僅影響工程進(jìn)度，甚至影響工程質(zhì)量。

3)建造成本偏高。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件重量大、不易標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致運(yùn)輸、吊裝成本上升[19]；此外，豎向構(gòu)件連接預(yù)埋件多、裝配與現(xiàn)澆經(jīng)?；煊玫纫蛩匾苍黾咏ㄔ斐杀?。以多高層住宅建筑為例，據(jù)測算目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)相比，成本普遍偏高[20]，部分造價偏高大于300元/m2。

4)裝配式建筑設(shè)計、施工人才缺乏。

目前裝配式建筑設(shè)計、施工人才缺乏，極大地妨礙了裝配式建筑，特別是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。此外，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化不夠，導(dǎo)致設(shè)計、施工較為復(fù)雜，也增加了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的難度。

2.3 鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在的問題

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，近年來是裝配式建筑的一個重要發(fā)展方向。目前鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件大多使用鋼管與混凝土的組合，因此也普遍存在鋼結(jié)構(gòu)防腐、防火、保溫等共性問題。此外，不同類型的結(jié)構(gòu)形式，還存在一些個性問題。

1)普通方鋼管混凝土柱房屋。如果柱截面較大，則鋼管對混凝土的約束作用不明顯[8，9]，方鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱相比沒有明顯優(yōu)勢；如果柱截面較小，則只能應(yīng)用于荷載較小的建筑，應(yīng)用受到局限。

2)方鋼管混凝土組合異形柱房屋。梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，異形柱肢平面外剛度小，容易發(fā)生破壞；施工也有一定難度。目前這種結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用于輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅中，其他類型建筑較少應(yīng)用。

3)鋼管束組合剪力墻結(jié)構(gòu)房屋。體系中使用工字型鋼梁作為水平構(gòu)件，鋼梁與鋼管束的連接與普通鋼結(jié)構(gòu)基本相同。這種結(jié)構(gòu)體系總體上屬于鋼結(jié)構(gòu)，其主要是在豎向構(gòu)件上有所改進(jìn)。鋼結(jié)構(gòu)存在的問題在該體系中均有體現(xiàn)。

2.4 木結(jié)構(gòu)裝配式建筑存在的問題

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合木材料或木混合結(jié)構(gòu)，極大拓展了木結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間。但是，木結(jié)構(gòu)的發(fā)展總體上受到我國木材資源貧乏的局限；加上木結(jié)構(gòu)存在防火、防腐、節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜等問題。因此，木結(jié)構(gòu)房屋在我國目前應(yīng)用較少。

3 對裝配式建筑的一些看法

1)勞動力成本上升、社會工業(yè)化大發(fā)展，建筑業(yè)推廣采用裝配式是時代發(fā)展的必然要求、勢不可擋。

2)裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系發(fā)展成熟，應(yīng)大力推廣使用。但是應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、集成化生產(chǎn)方面加以提高，以充分發(fā)揮裝配式的優(yōu)勢。

3)高層建筑擁有巨大的市場空間，而且量大、構(gòu)件更易標(biāo)準(zhǔn)化。從這個角度，高層建筑最適宜采用裝配式。但是高層建筑應(yīng)用裝配式時技術(shù)研發(fā)的系統(tǒng)性不夠，缺乏全產(chǎn)業(yè)鏈一體化技術(shù)研究[4]，目前存在的一些問題阻礙了裝配式建筑的發(fā)展。

4)與現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)相比，目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在建造成本、工期及質(zhì)量上的比較優(yōu)勢不明顯，甚至略顯劣勢，增加了被市場認(rèn)可的難度。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步降低預(yù)制、運(yùn)輸、吊裝成本，提高現(xiàn)場建造速度，提高建筑產(chǎn)品質(zhì)量。

5)從建筑工業(yè)化的角度，個人認(rèn)為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可以考慮采用半裝配式結(jié)構(gòu)體系。將需要大量勞動力的復(fù)雜工序(如模板、鋼筋)放在工廠預(yù)制，而商品混凝土工業(yè)化程度已經(jīng)很高，可以盡量將混凝土澆筑工序留待現(xiàn)場完成。

預(yù)制構(gòu)件可以考慮預(yù)留空腔或凹槽，以減小預(yù)制構(gòu)件重量，降低運(yùn)輸及吊裝成本；此外，在預(yù)制構(gòu)件的預(yù)留空腔或凹槽內(nèi)現(xiàn)場澆筑混凝土，可以提高結(jié)構(gòu)整體性。這種做法可以兼具裝配式結(jié)構(gòu)及現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

推廣采用裝配式建筑是時代發(fā)展的必然要求。裝配式建筑中，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，但也各自存在一些問題。必須設(shè)法解決這些問題，才能消除裝配式建筑發(fā)展的障礙。本文提出的半裝配式結(jié)構(gòu)體系是一種思路及設(shè)想，提供給業(yè)界參考。