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    技术研发

    理性分析装配式混凝土结构建筑的优点、缺点与难点

    发布时间:2017/04/12 点击量:0

    装配式混凝土结构建筑有何优点?

    装配式混凝土结构建筑半个多世纪前在欧洲兴起,之后在世界各地得到推广,因为它有着突出的优势。日本东京有一个超高层建筑工地,由于道路狭窄,运送预制混凝土构件的大型车辆无法通行,施工企业在工地建立了临时预制构件厂工厂。在工地临时工厂预制不是也相当于现浇了吗?为什么不直接现浇呢?日本技术人员回答,装配式建筑的质量会更好些,工期也更快些。

    装配式混凝土结构建筑较之现浇混凝土建筑有如下优势:可以提升建筑质量;提高效率;节约材料;节能减排环保;节省劳动力并改善劳动条件;缩短工期;方便冬季施工等。

    1.1可以大大提升建筑质量

    装配式建筑并不是单纯的工艺改变——将现浇变为预制,而是建筑体系与运作方式的变革,对建筑质量提升有推动作用。

    (1)装配式要求设计必须精细化、协同化。如果设计不精细,构件制作好了才发现问题,就会造成很大的损失。装配式建筑倒逼设计深入、细化、协同,由此会提高设计质量和建筑品质。
    (2)装配式建筑可以提高建筑精度。现浇混凝土结构的施工误差往往以厘米计,而预制构件的误差以毫米计,误差大了就无法装配。预制混凝土构件在工厂模台上和精致的模具中生产,实现和控制品质比现场容易。预制构件的高精度会带动现场后浇混凝土部分精度的提高。
    (3)装配式混凝土建筑可以提高混凝土浇筑、振捣和养护环节的质量。浇筑、振捣和养护是保证混凝土密实和水化反应充分、进而保证混凝土强度和耐久性的非常重要的环节。现场浇筑混凝土,模具组装不易做到严丝合缝,容易漏浆;墙、柱等立式构件不易做到很好地振捣;现场也很难做到符合要求的养护。工厂制作构件,模具组对可以严丝合缝,混凝土不会漏浆;墙、柱等立式构件大都“躺着”浇筑,振捣方便,板式构件在振捣台上振捣,效果更好; 预制工厂一般采用蒸汽养护方式,养护的升温速度、恒温保持和降温速度用计算机控制,养护湿度也能够得到充分保证,养护质量大大提高。
    (4)装配式建筑外墙保温可采用夹心保温方式,即“三明治板”,保温层外有超过50mm厚的钢筋混凝土外叶板,比常规的粘贴保温板铺网刮薄浆料的工艺安全性可靠性大大提高,保温层不会脱落,防火性能得到保证。最近几年,相继有高层建筑外墙保温层大面积脱落和火灾事故发生,主要原因是保温层粘接不牢,刮浆保护层太薄。三明治板解决了这两个问题。
    (5)装配式建筑实行建筑、结构、装饰的集成化、一体化,会大量减少质量隐患。
    (6)装配式是实现建筑自动化和智能化的前提。自动化和智能化减少了对人、对责任心等不确定因素的依赖。由此可以避免人为错误,提高产品质量。
    (7)工厂作业环境比工地现场更适合全面细致地进行质量检查和控制。
    (8)从生产组织体系上,装配式将建筑业传统的层层竖向转包变为扁平化分包。层层转包最终将建筑质量的责任系于流动性非常强的农民工身上;而扁平化分包,建筑质量的责任由专业化制造工厂分担。工厂有厂房、有设备,质量责任容易追溯。

    1.2 还可提高作业效率

    装配式建筑能够提高效率。半个多世纪前北欧开始大规模建PC建筑的初衷就是为了提高效率。

    (1)装配式结构建筑是一种集约生产方式,构件制作可以实现机械化、自动化和智能化,大幅度提高生产效率。欧洲生产叠合楼板的专业工厂,年产120万平方米楼板,生产线上只有6个工人。而手工作业方式生产这么多的楼板大约需要近2百工人。
    (2)装配式结构建筑使一些高处和高空作业转移到车间进行,即使没有搞自动化,生产效率也会提高。工厂作业环境比现场优越,工厂化生产不受气象条件制约,刮风下雨不影响构件制作。
    (3)工厂比工地调配平衡劳动力资源也更为方便。

    1.3 还能有效节约材料

    (1)装配式混凝土结构建筑节约材料分析

    1)减少模具材料消耗,特别是减少木材消耗。有施工企业统计,节约模具材料达50%以上。
    2)预制构件表面光洁平整,可以取消找平层和抹灰层。
    3)现浇混凝土使用商品混凝土,用混凝土罐车运输。每次运输混凝土都会有浆料挂在罐壁上,混凝土搅拌站出仓混凝土量比实际浇筑混凝土量大约多2%,这些多余量都挂在了混凝土罐车上,还要用水冲洗掉。装配式建筑则大大减少了这部分损耗。
    4)工地不用满搭脚手架,减少脚手架材料消耗达70%以上。
    5)装配式建筑精细化和集成化会降低各个环节如围护、保温、装饰等环节的材料与能源消耗。集约化装饰会大量节约材料。

    (2)装配式建筑增加材料分析

    装配式建筑也有增加材料的地方:
    1)夹心保温墙增加了外叶板和拉结件。但是,夹心保温板是解决现外墙保温工艺存在的重大问题,提高安全性、可靠性和耐久性的必要措施,所以,不能把材料消耗和成本增加的“责任”算到装配式的头上。
    2)叠合楼板比现浇混凝土楼板因埋设管线需要厚20mm。但是,在楼板混凝土中埋设管线是很落后很不合理的做法。发达国家已经没有这样做的了,都是天棚吊顶地面架空。管线的寿命十年二十年,结构混凝土的寿命是50年甚至更长,两者不同步。当埋设在混凝土中的管线使用寿命到期时,由于埋设在混凝土中,很难维修和更换。所以,应当是告别落后的不合理的传统做法。如果采取架空吊顶,楼板厚度就不会增加了。
    3)蒸汽养护增加了耗能。但蒸汽养护提高了混凝土质量,特别是提高了耐久性。从建筑结构寿命得以延长的角度看,总的耗能是大大降低了。
    4)增加了连接套筒和灌浆料和后浇区钢筋搭接及其锚固长度。这确实是因PC而增加的材料,也是PC成本中的大项。
    5)加大了保护层。用套筒连接的构件,混凝土保护层应当从套筒箍筋算起。由于套筒比所连接的受力钢筋直径大30mm左右,由此,相当于受力钢筋的位置内移了,保护层大了,或加大断面尺寸增加混凝土量,或保持断面尺寸不变增加钢筋面积。

    叠合楼板、PC幕墙板和楼梯、挑檐板等不用套筒或浆锚连接的构件,不存在保护层加大问题。

    通过以上分析,装配式混凝土结构建筑总体上是节省材料的,最高可达20%。

    1.4 关键是节能减排环保  

    (1)装配式建筑可节约原材料最高达20%,自然会降低能源消耗,减少碳排放量。
    (2)运输构件比运输混凝土减少了罐的重量和为防止混凝土初凝转动罐的能源消耗。
    (3)装配式建筑会大幅度减少工地建筑垃圾,最多可减少80%。
    (4)装配式建筑大幅度减少混凝土现浇量,从而减少工地养护用水和冲洗混凝土罐车的污水排放量。预制工厂养护用水可以循环使用。节约用水20%50%。
    (5)装配式建筑会减少工地浇筑混凝土振捣作业,减少模板和砌块和钢筋切割作业,减少现场支拆模板,由此会减轻施工噪音污染。
    (6)装配式建筑的工地会减少扬尘。内外墙无需抹灰,会减少灰尘及落地灰等。

    1.5 节省劳动力并改善劳动条件  

    (1)节省劳动力
    装配式结构建筑节省劳动力主要取决于预制率大小、生产工艺自动化程度和连接节点设计。预制率高、自动化程度高和安装节点简单的工程,可节省劳动力50%以上。但如果PC建筑预制率不高,生产工艺自动化程度不高,结构连接又比较麻烦或有比较多的后浇区,节省劳动力就比较难。总的趋势看,随着预制率的提高、构件的模数化和标准化,生产工艺自动化程度会越来越高,节省人工的比率也会越来越大。

    (2)改善工作环境
    装配式建筑把很多现场作业转移到工厂进行,高处或高空作业转移到平地进行;风吹日晒雨淋的室外作业转移到车间里进行;工作环境大大改善。工厂的工人可以在工厂宿舍或工厂附近住宅区居住,不用住工地临时工棚。使很大比例的建筑工人不再流动,定居下来,解决了夫妻分居、孩子留守问题。装配式建筑可以较多地使用设备和工具,工人劳动强度大大降低。

    1.6 当然更能缩短工期

    装配式建筑缩短工期与预制率有关,预制率高,缩短工期就多些;预制率低,现浇量大,缩短工期就少些。北方地区利用冬季生产构件,可以大幅度缩短总工期。就整体工期而言,装配式建筑减少了现场湿作业,外墙围护结构与主体结构一体化完成,其他环节的施工也不必等主体结构完工后才进行,可以尾随主体结构的进度,相隔23层楼即可。如此,当主体结构结束时,其他环节的施工也接近结束。对于装修房,装配式建筑缩短工期更显著。

    1.7 而且有利于安全  

    (1)工地作业人员大幅度减少,高处、高空和脚手架上的作业大幅度减少。
    (2)工厂作业环境和安全管理的便利性好于工地。
    (3)生产线的自动化和智能化进一步提高生产过程的安全性。
    (4)工厂工人比工地工人相对稳定,安全培训的有效性更强。

    1.8 还不受冬季施工的不利影响  

    装配式建筑冬季施工,可对构件连接处做局部围护保温,叠合楼板现浇可用暖被覆盖,也可以搭设折叠式临时暖棚。冬季施工的成本比现浇建筑低很多。

    当然,装配式建筑也有一些缺点。 

    装配式是建筑工业化的趋势,但它既不是万能的,也不是完美的,存在一些不足。

    2.1 与个性化的冲突

    装配式建筑须建立在规格化、模数化和标准化的基础上,对于个性化突出且重复元素少的建筑不大适应。建筑是讲究艺术的,没有个性就没有艺术。装配式建筑在实现建筑个性化方面有些难度,或者说不划算。

    2.2 与复杂化的冲突  

    装配式建筑化比较适合于简单简洁的建筑立面,对于里出外进较多的建筑,实现起来有些困难。

    2.3 要求建设规模和建筑体量  

    装配式建筑必须有一定的建设规模才能发展起来生存下去。一座城市或一个地区建设规模过小,工厂吃不饱,厂房设备摊销成本过高,很难维持运营。数量少的小体量建筑不适合搞装配式。

    装配式混凝土结构建筑实施中有何难点呢?

    3.1 粗放的建筑传统的障碍  

    在发达国家,现浇混凝土建筑也比较精细,所以,装配式建筑所要求的精细并不是额外要求,不会额外增加成本,工厂化制作反而会降低成本。

    但国内建筑传统比较粗放:
    (1)设计不细,发现问题就出联系单更改。但预制构件一旦有问题往往到安装时才能被发现,那时已经无法更改了,会造成很大的损失,也会影响工期。
    (2)各专业设计“撞车”“打架”,以往可在施工现场协调。但装配式建筑几乎没有现场协调的机会,所有“撞车”必须在设计阶段解决,这就要求设计必须细致、深入、协同。
    (3)电源线、电信线等管线、开关、箱槽埋设在混凝土中。发达国家没有这样做的,预制构件更不能埋设管线箱槽,只能埋设避雷引线。如果不在混凝土中埋设管线,就需要像国外建筑那样,天棚吊顶,地面架空,增加层高。如此,会增加成本。
    (4)习惯用螺栓后锚固办法。而预制构件不主张采用后锚固法,避免在构件上打眼,所有预埋件都在构件制作时埋入。如此,需要建筑、结构、装饰、水暖电气各个专业协同设计,设计好所有细节,将预埋件等埋设物落在预制构件制作图上。
    (5)以往建筑误差较大,实际误差以cm计。而装配式建筑的误差以mm计,连接套筒、伸出钢筋的位置误差必须控制在2mm以内。
    (6)许多住宅交付毛坯房,有的房主自行装修时会偷偷砸墙凿洞。这在装配式建筑是绝对不允许的,一旦砸到结构连接部位,就可能酿成重大事故。
    装配式建筑从设计到构件制作到施工安装到交付后装修,都不能粗放和随意,必须精细,必须事先做好。但精细化会导致成本的提高。虽然这是借装配式之机实现了质量升级,但造成了成本高的印象,加大了阻力。

    3.2 剪力墙结构装配式技术有待成熟  

    国外剪力墙结构装配式建筑很少,高层建筑可供借鉴的经验几乎没有。中国的高层剪力墙结构装配式建筑是近几年发展起来的,技术还有待于成熟。中国现行行业标准关于剪力墙装配式结构,出于十分必要的谨慎,要求边缘构件现浇。由于较多的现浇与预制并举,工序没有减少,反而增加了,成本也提高了,工期也没有优势。行业标准《装规》规定剪力墙装配式建筑最大适用高度也比现浇混凝土剪力墙建筑低1020米,这影响了剪力墙结构装配式建筑的适用范围。提高或确认剪力墙结构连接节点的可靠性和便利性,使剪力墙结构装配式建筑与现浇结构真正达至或接近等同,是亟需解决的重点技术问题。

    3.3 外墙外保温问题

    国外装配式建筑较多采用外墙内保温。中国较多采用外墙外保温,采用夹心保温方式。如此增加了外墙墙体重量与成本,也增加了建筑面积的无效比例。

    3.4 吊顶架空问题  

    国外住宅大都是天棚吊顶、地面架空,轻体隔墙,同层排水。不需要在楼板和墙体混凝土中埋设管线,维修和更换老化的管线不会影响到结构。中国住宅把电源线通信线和开关箱体埋置在混凝土中的做法是不合理的落后做法,改变这些做法需要吊顶、架空,这不是设计者所能决定的。在没有吊顶的情况下,天棚叠合板表面直接刮腻子刷涂料。如果叠合板接缝处有细微裂缝,虽然不是结构质量问题,但用户很难接受。避免叠合楼板接缝处出现可视裂缝是需要解决的问题。

    3.5 成本问题

    目前,中国装配式建筑的成本高于现浇混凝土结构。许多建设单位不愿接受,最主要的原因在于成本高。本来,欧洲人是为了降低成本才搞装配式的。国外半个多世纪装配式的进程也不存在建筑成本高的问题,成本高了也不可能成为安居工程的主角。可中国的现实是,装配式建筑成本确实高一些。

    对此,初步分析如下:
    (1)因提高建筑安全性和质量而增加的成本被算在了装配式的账上;
    (2)剪力墙结构体系装配式成本高,中国住宅建筑特别是高层住宅较多采用剪力墙结构体系,这种结构体系混凝土量大,钢筋细、多,结构连接点多,与国外装配式建筑常用的柱、梁结构体系比较,成本会高一些;
    (3)技术上的审慎消弱了装配式的成本优势,中国目前处于装配式高速发展期,而中国住宅建筑主要的结构体系剪力墙结构,国外没有现成的装配式经验,国内研究与实践也不多,所以,技术上的审慎非常必要。但这种审慎会消弱装配式的成本优势;
    (4)推行装配式初期的高成本阶段,装配式初期工厂未形成规模化、均衡化生产;专用材料和配件因稀缺而价格高;设计、制作和安装环节人才匮乏导致错误、浪费和低效,这些因素都会增加成本;
    (5)没有形成专业化分工,装配式构件企业或大而全或小而全,没有形成专业分工和专业优势;
    (6)装配式企业大而不当的投资,中国企业普遍存在“高大上”心态,工厂建设追求大而不当的规模、能力和现阶段不实用的自动化,由此导致固定成本高;
    (7)劳动力成本因素,发达国家劳动力成本非常高,装配式建筑节省劳动力,由此会大幅度降低成本,结构连接点增加的成本会被劳动力节省的成本抵消。所以,装配式建筑至少不会比现浇建筑贵。中国目前劳动力成本相对不高,装配式减少的用工成本不多,无法抵结构连接等环节增加的成本。

    3.6“脆弱”的关键点  

    装配式建筑的结构连接点属于“脆弱”的关键的。

    这里,“脆弱”两个字所以打引号,不是因为其技术不可靠,而是强调对这个关键点在制作、施工和使用过程中必须小心翼翼地对待,必须严格按照设计要求和规范的规定做正确做好!必须禁止在关键点砸墙凿洞。因为,结构连接点一旦出现问题,可能会发生灾难性事故。

    这里举几个国内工程的例子:
    有的工地钢筋与套筒不对位,工人用气焊烤钢筋,强行将钢筋煨弯。
    有的预制构件连接节点灌浆不饱满。
    有的预制构件灌浆料孔道堵塞,工人凿开灌浆部位塞填浆料。
    以上做法都是非常危险的。

    3.7 人才匮乏问题  

    中国大规模推广装配式,最缺的就是有经验的技术、管理人员和技术工人。

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