來源 | 中國建材產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級創(chuàng)新發(fā)展研究文集 作者 | 侯建群
多年來，我國在住宅建設(shè)過程中，采用過砌塊建筑、裝配式壁板建筑、大模板住宅、滑升模板住宅、框架輕板建筑等。我國在20世紀50年代，就提出建筑工業(yè)化的問題，借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗，開始在全國建筑業(yè)推行標準化、工廠化、機械化，發(fā)展預制構(gòu)件和預制裝配建筑。從20世紀70年代初到80年代中期，預制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)經(jīng)歷了大發(fā)展時期，到20世紀80年代末，全國已有上萬家構(gòu)件廠，全國預制混凝土年產(chǎn)量達2000多萬立方米。
自1978年我國實行改革開放政策以來，在大規(guī)模的住宅建設(shè)過程中，所采用的工業(yè)化方式也在發(fā)生變化。在工廠生產(chǎn)現(xiàn)場裝配的大板住宅體系等因交通運輸、經(jīng)營成本等原因而逐漸萎縮。20世紀90年代以后，從南方發(fā)源的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系開始流行，這種采用現(xiàn)場制作混凝土模板、現(xiàn)場澆注混凝土的施工體系，包括現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)住宅、現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)住宅以及二者的結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系得到了較大的發(fā)展。近年來，預制裝配式整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系的使用又逐年增多。
1、現(xiàn)有住宅結(jié)構(gòu)體系
1.1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系
在我國，鋼筋混凝土工程在多、高層住宅建筑中占主導地位，而且就其成本和成型方面的優(yōu)勢而言，在尋找到更經(jīng)濟、更便于施工的替代材料之前，它仍將占主導地位。不過，目前鋼筋混凝土工程的施工多采用現(xiàn)澆體系。這一體系在工程界得到廣泛的認可和使用，必然有它巨大的優(yōu)越性，但它在工程實施中也存在著明顯的缺陷。如：阻礙全面工業(yè)化生產(chǎn)的實現(xiàn)、工程施工工期長、工程成本難以有效控制、工程質(zhì)量難以得到可靠保證。
1.2 預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系和預制裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系
20世紀80年代初期，建筑業(yè)曾經(jīng)開展了一系列新工藝，如大板、升板體系、南斯拉夫體系、預制裝配式框架體系等等，對建筑工業(yè)化發(fā)展起到了有益的推進作用。但這些有益的實踐之后，均未有大規(guī)模的推廣。究其原因，主要是因為當時的這些新工藝在高度、建筑型式、功能要求等方面有很大的局限。另外，受技術(shù)水平的限制，構(gòu)件接頭處理不善，極易造成漏水，而且接頭構(gòu)造處理不當，削弱了其受力性能，在抗震設(shè)防區(qū)產(chǎn)生的影響更大。這些客觀的技術(shù)經(jīng)濟條件遏制了裝配式結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的勢頭。
裝配式鋼筋混凝土體系，主體結(jié)構(gòu)的墻、梁、板，均可完全在工廠加工，實現(xiàn)完全的工業(yè)化大生產(chǎn)，現(xiàn)場只要將其拼裝起來即可。工廠化的加工，就可以利用最先進的現(xiàn)代技術(shù)，進行全自動化生產(chǎn)和計算機控制及管理，行業(yè)的監(jiān)督機制更為規(guī)范，工人的數(shù)量較少，可以相對固定和高技能化，這些在客觀上可以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量。現(xiàn)場的拼裝需要工人數(shù)量也較少，可以雇傭熟練工人。由于工序簡單，監(jiān)督管理相對容易，拼裝質(zhì)量易得到保證。同時，工程的工期可以大大縮短，使項目可以及早發(fā)揮經(jīng)濟效益。工程成本由于工序簡單也易于控制。另外，長期困擾市民的工地噪音、粉塵污染等問題迎刃而解，工地更易實現(xiàn)文明施工。
1.3 鋼結(jié)構(gòu)體系
鋼結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，但鋼結(jié)構(gòu)住宅的工程造價偏高，原因是為解決結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火、防腐問題，解決墻體材料輕質(zhì)、保溫、隔聲、耐久等問題，造成鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價成本較高。即使大批量生產(chǎn)建造，造價仍會比鋼及混凝土結(jié)構(gòu)高出一些。
2、應重點培育和發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系
由于對木材資源的消耗量大，木結(jié)構(gòu)房屋不適合在我國進行大范圍推廣；砌體結(jié)構(gòu)房屋不適合進行構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，且不適宜應用于高層建筑，也不能作為我國發(fā)展建筑工業(yè)化需要的主要房屋結(jié)構(gòu)。由此分析，我國工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇主要集中于混凝土結(jié)構(gòu)體系和鋼結(jié)構(gòu)體系上?；炷两Y(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)實際上都能滿足構(gòu)件工廠化預制生產(chǎn)、現(xiàn)場機械裝配安裝的需要，也能滿足我國對于高層建筑的需求，但混凝土結(jié)構(gòu)具有比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，且建造成本比鋼結(jié)構(gòu)低，與鋼結(jié)構(gòu)比較具有明顯的經(jīng)濟性等特點。因此，混凝土結(jié)構(gòu)應該是我國發(fā)展住宅工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系的首選。應重點培育和發(fā)展的是預制裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系。
住宅產(chǎn)業(yè)化是建造方式的變革，核心是結(jié)構(gòu)體系技術(shù)。目前我國還沒有建立起“以新的結(jié)構(gòu)體系技術(shù)為支撐”、相關(guān)要素集約配套的系統(tǒng)體系，雖然建立了一些部品與構(gòu)件基地，但“皮之不存、毛將焉附”，因而不能形成產(chǎn)業(yè)集群效應。必須要在住宅產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。要找到一種新型住宅結(jié)構(gòu)體系技術(shù)。
1、“預制鋼筋混凝土空心模剪力墻結(jié)構(gòu)”簡介
采用預制鋼筋混凝土空心模構(gòu)件，針對我國現(xiàn)有住宅建造技術(shù)的問題和缺陷，通過整合各項單項技術(shù)、設(shè)備和工藝，結(jié)合國內(nèi)建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)背景和技術(shù)資源，開發(fā)全新的、工業(yè)化程度較高的住宅建筑技術(shù)體系，包括結(jié)構(gòu)體系、制造加工體系、建造工藝體系、設(shè)備機具體系。清華大學現(xiàn)已取得專利技術(shù)、技術(shù)規(guī)程、設(shè)計團隊、構(gòu)件自動化生產(chǎn)線、已建成小型示范建筑等綜合技術(shù)成果。
1.1 預制鋼筋混凝土空心模構(gòu)件：
▲ 縱向圓孔
▲ 橫向方孔
2011年建造小型示范建筑：
▲ 墻板安裝
▲ 樓板安裝
▲ 混凝土澆筑完畢
1.2 預制鋼筋混凝土空心模構(gòu)件自動化生產(chǎn)線：
2012年自動化生產(chǎn)線研發(fā)制造完成。本生產(chǎn)線采用了全封閉成型，壓力注料，自動控制及自動出板、打包、清模、涂刷隔離劑等成套技術(shù)。大幅提高生產(chǎn)線自動化水平，極大地節(jié)省了勞動力成本。每條生產(chǎn)線可以達到年產(chǎn)量50萬至80萬平方米預制鋼筋混凝土空心模。
▲ 該設(shè)備一次成型12塊預制空心模
1.3 預制混凝土空心模剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)點：
1.3.1 技術(shù)簡單便于推廣
1.3.2 施工速度快、節(jié)省人工
工地現(xiàn)場減少綁鋼筋、支模板和澆注混凝土的工作量。節(jié)省人工是本技術(shù)的突出優(yōu)點。
1.3.3 適于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化
目前，某些裝配式結(jié)構(gòu)的預制混凝土構(gòu)件還停留在只能針對某專項工程的專用工具式模板，在工廠內(nèi)生產(chǎn)的階段。并非真正意義上的大規(guī)模構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)。有些只解決外掛板問題，沒有解決承重體系問題。
我國已有過預制通用預制混凝土構(gòu)件大規(guī)模成功應用的實踐經(jīng)驗，例如預應力圓孔樓板。當年全國有上千家混凝土預制構(gòu)件廠進行生產(chǎn)。近年來，預制構(gòu)件廠萎縮的原因，并不說明預應力圓孔樓板本身有問題。關(guān)鍵在于做好樓板的支撐體系，使之在地震荷載的作用下，能保持結(jié)構(gòu)的整體性，防止預制樓板塌落。
預制混凝土空心模類似于預應力圓孔樓板，區(qū)別是用在墻體上。它是一種通用構(gòu)件，制定出若干種型號之后，便可組織大規(guī)模生產(chǎn)。然后由設(shè)計師根據(jù)需要進行選用。因此，適于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
結(jié)構(gòu)整體性好，特別是上下層之間剪力墻連接近似于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。
建筑造價不高。低于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。
2、幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：
2.1 灌孔澆筑混凝土形成最終構(gòu)件，構(gòu)件受力性能研究
研究混凝土空心模剪力墻后灌孔填充用混凝土的適宜配合比。研究了二次填充混凝土的強度等級、膨脹劑摻入量、養(yǎng)護條件、試樣形狀、三級混凝土模具的孔洞維數(shù)和內(nèi)供水養(yǎng)護方式，對二次填充所制備混凝土試樣強度發(fā)展歷程的影響；采用非接觸式混凝土收縮測定儀，研究了膨脹劑、養(yǎng)護方式和內(nèi)供水養(yǎng)護對混凝土體積穩(wěn)定性的影響。
混凝土模具如圖所示：
▲ 立方體混凝土模具
▲ 棱柱體混凝土模具
將上述掏空的三級混凝土模具繼續(xù)養(yǎng)護至28天后，使用設(shè)定配合比的混凝土進行二次填充，成型后的混凝土試樣如圖所示。將該混凝土試樣繼續(xù)養(yǎng)護至設(shè)定的齡期后，測試其抗壓強度。
▲ 二次澆注成型的立方體混凝土試樣
▲ 二次澆注成型的棱柱體混凝土試樣
研究結(jié)果表明：采用適當?shù)幕炷僚浜媳?，摻入膨脹劑的C20、C30和C40混凝土，二次填充進用混凝土所制備的預制混凝土空心模的孔洞中，可制備出強度相同一次成型的C20和C30混凝土。
混凝土收縮測定儀的測試結(jié)果表明：摻入膨脹劑后，在良好的養(yǎng)護條件下，混凝土表現(xiàn)出補償收縮性能，即混凝土在水化過程中表現(xiàn)出微膨脹效果。但即便是摻入膨脹劑的混凝土，當其澆注后就處于可導致混凝土試樣高速失水的環(huán)境時，如澆注后即將混凝土試樣敞開暴露在低濕度的環(huán)境中，混凝土試樣在水化期間的體積變化則表現(xiàn)為收縮，這說明：對二次澆注成型所制備的混凝土試件，在澆注完成后，采取及時、適當?shù)拇胧┻M行封閉和養(yǎng)護是十分必要的。同時，在混凝土中摻入預吸水的輕骨料來替代部分普通粗骨料可緩解混凝土試件在嚴酷環(huán)境下的收縮量，對提高混凝土的體積穩(wěn)定性有利。但摻入輕骨料會降低混凝土的強度，因此，如要應用該方法來補償混凝土試樣在嚴酷環(huán)境中的體積穩(wěn)定性，則應通過增加膠凝材料用量和漿體水膠比等方法來優(yōu)化混凝土配合比，以補償該內(nèi)供水養(yǎng)護方法所導致的混凝土強度損失。
2.2 在混凝土空心模中灌孔澆筑混凝土形成剪力墻的受力性能研究
我們以多層和高層住宅預制混凝土空心模剪力墻結(jié)構(gòu)體系為背景，對墻體抗震性能進行了較為系統(tǒng)的試驗研究，取得了以下主要研究成果：
研究了預制混凝土空心模剪力墻的受剪性能和破壞機理。
▲ 出現(xiàn)斜裂縫和豎向裂縫
▲ 峰值荷載
▲ 破壞
進行了16片強彎弱剪墻體的擬靜力試驗研究，分別研究墻體孔洞內(nèi)混凝土與預制混凝土之間的內(nèi)部接縫以及不同裝配單元間的豎向接縫對墻體性能的影響，各進行了8片墻體試驗，研究參數(shù)包括：剪跨比、軸壓比、水平分布鋼筋數(shù)量、豎向接縫構(gòu)造等，研究結(jié)果表明：
預制混凝土空心模剪力墻的破壞過程經(jīng)歷整截面墻到分縫墻的過程，具有較好的延性。在水平荷載作用下，預制混凝土空心模剪力墻沿著豎向孔洞和豎向接縫出現(xiàn)由微細斜裂縫組成的豎向裂縫，在峰值荷載前，豎向裂縫兩側(cè)混凝土相對變形較小，墻體處于整截面墻工作階段；峰值荷載后，豎向裂縫兩側(cè)預制混凝土相對變形增大，并與孔洞內(nèi)混凝土慢慢分離，形成分縫墻；所有墻體的位移延性系數(shù)都大于5。相對于鋼筋混凝土墻體在峰值荷載時的突然破壞，預制混凝土空心模剪力墻具有良好的延性和變形能力。
合理設(shè)計的預制混凝土空心模剪力墻避免了脆性剪切破壞，改變了傳統(tǒng)剪力墻損傷區(qū)域集中于塑性鉸區(qū)域的狀況，水平鋼筋和豎向鋼筋得到充分利用，混凝土的破壞區(qū)域面積大而分散。墻體豎向裂縫的出現(xiàn)、開展，避免了墻體整體斜裂縫的出現(xiàn)，防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，峰值荷載時，水平鋼筋屈服，峰值荷載后，邊緣構(gòu)件豎向鋼筋也慢慢屈服；墻體的破壞區(qū)域分布在每一豎向孔洞和豎向接縫處，使破壞區(qū)域分散在整個墻體上，而墻體底部沒有出現(xiàn)明顯的混凝土壓潰區(qū)域。
預制混凝土空心模剪力墻的豎向接縫和內(nèi)部接縫是墻體的薄弱區(qū)域，在水平荷載作用下，會出現(xiàn)相對變形，提高了墻體的變形能力，墻體抗剪承載力降底小于15%。
內(nèi)部接縫的破壞，導致預制部分混凝土和后澆混凝土分離，對墻體豎向抗壓承載力有不利影響。豎向接縫處橫向孔洞內(nèi)后澆混凝土提供了接縫處抵抗破壞的主要抗力，驗證了預制混凝土空心模剪力墻結(jié)構(gòu)體系水平孔洞對提高墻體整體性的重要作用。
隨著剪跨比增加，預制混凝土空心模剪力墻的受剪承載力降低，剛度衰減減緩；提高水平分布筋配筋率可以提高受剪承載力，改善墻體的變形能力；軸壓力可以提高墻體的受剪承載力和剛度，推遲裂縫出現(xiàn)，但是峰值荷載后墻體變形能力降低。
同時，驗證了現(xiàn)行規(guī)范剪力墻受剪承載力計算公式的適用性：
采用現(xiàn)有規(guī)范剪力墻受剪承載力計算公式計算預制混凝土空心模剪力墻的受剪承載力，表明試驗值超過計算值的1.2倍。因此，在墻體良好變形能力保證下，可采用現(xiàn)有規(guī)范公式計算預制混凝土空心模剪力墻的受剪承載力。
確立以企業(yè)為中心，形成一套完整的住宅產(chǎn)業(yè)化鏈條，建立“研究—設(shè)計—預制—施工”一體化的專業(yè)化房屋工廠模式，帶動一批傳統(tǒng)建筑企業(yè)向?qū)I(yè)化房屋工廠企業(yè)的轉(zhuǎn)型，長期從事住宅工業(yè)化的設(shè)計與施工業(yè)務。進而推動我國住宅產(chǎn)業(yè)化整體水平的提升。通過大規(guī)模試點工程的推廣應用，形成專業(yè)一體化管理模式為主，預制構(gòu)件專業(yè)化加工為輔的管理模式和運作方式，培訓出一批新型建筑工業(yè)化企業(yè)，為新農(nóng)村建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)和政府保障性住房建設(shè)提供良好的住宅體系。
住宅主要由主體結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修、建筑設(shè)備三大部分構(gòu)成。其核心技術(shù)是主體結(jié)構(gòu)技術(shù)。必須首先研究適合我國國情的符合住宅經(jīng)濟性、適用性、安全性要求的主體結(jié)構(gòu)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，進一步完善住宅室內(nèi)裝修技術(shù)和設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)。形成一整套的標準化、系列化、集約化的住宅建筑工業(yè)化集成技術(shù)。通過技術(shù)集成來統(tǒng)一科研、設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、施工等各環(huán)節(jié)和各生產(chǎn)要素，從而形成先進的住宅生產(chǎn)方式。
住宅產(chǎn)業(yè)化是個龐大的系統(tǒng)工程。涉及諸多行業(yè)和學科。但無論住宅的內(nèi)涵和外延如何擴展和更新，都離不開住宅的建筑結(jié)構(gòu)體系。它是住宅功能、住宅經(jīng)濟、住宅科技的物質(zhì)載體。探索和建立適合中國國情（省情、市情）和市場經(jīng)濟需要，符合產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展方向的住宅結(jié)構(gòu)體系，是推進住宅產(chǎn)業(yè)化的中心環(huán)節(jié)。預制鋼筋混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)將是重點推廣技術(shù)之一。清華大學研發(fā)的預制混凝土空心模剪力墻結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)建材預制構(gòu)件與現(xiàn)澆鋼筋混凝土技術(shù)相結(jié)合，形成的新型住宅結(jié)構(gòu)體系具有推廣價值，有望探索建立具有節(jié)能環(huán)保意義和巨大市場規(guī)模的一種產(chǎn)業(yè)化新模式?？蓭宇A制構(gòu)件傳統(tǒng)建材行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級及快速發(fā)展。一旦建材行業(yè)升級成功,建筑業(yè)中的很大一部分價值會轉(zhuǎn)移到建材行業(yè)。
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