2019-06-16  来源:上海国际绿色建筑建材博览会  浏览量:0

建筑业在改革开放以后成为我国的国民经济支柱产业。长期以来,主要采用传统“粗放”的建造模式,一方面,生态环境严重破坏,资源能源低效利用,另一方面,建筑安全事故高发,建筑质量亦难以保证。因此,传统的工程建设模式亟待转型。我国住宅建设正在面临着由“量”到“质”的深刻转变,而装配式建筑一定程度上能够改善、克服、弥补传统方式的缺陷,成为建筑业转型升级的重要途径之一。


今天,我们主要对木结构体系、钢结构体系和混凝土结构体系进行分析,探讨其在国内装配式住宅建筑中的发展情况。


木结构体系


装配式木结构体系可以分为轻型木结构、胶合木结构、方木原木结构及木混合结构四种。


以轻型木结构体系为例,在国内的发展建设其实算起步比较晚的了。目前,我国主要通过与加拿大和美国合作引进轻型木结构体系。


2010午3月中国住建部与加拿大自然资源部及加拿大大不列颠哥伦比亚省林业厅签署了《关于采用现代木结构建筑技术应对气候变化合作的备忘录》,并成立“中国现代木结构建筑技术项目”联合工作小组以推动现代木结构体系在中国的发展。 

近年来,我国现代木结构建筑市场发展呈现上升态势,木结构保有量约1200 万”1500万m2。在国内现有的木结构建筑中,轻型木结构是主流,占比近70%。目前,木结构别墅是木结构建筑应用的主要市场,约占已建木结构建筑的一半。据资料介绍,一批木结构住宅项目已在上海、宁波、杭州、西安、武汉和海南落地。其中,上海拥有全国最多的木结构建筑和建筑企业。


目前,我国主要引进北美的轻型木结构体系。建造技术直接套用国外的成熟技术。欧洲和北美能用轻型木结构体系够造出七八层建筑,但在我国,由于施工技术与欧美存在较大的差距,规定轻型木结构体系只能应用于三层或三层以下的住宅。 


案例分析




向峨小学灾后重建 汶川地震发生后,加拿大政府在汶川先后援建了都江堰的向峨小学、 绵阳特殊教育学校、北川擂鼓镇养老院三个项目。


这三个项 目由加拿大负责提供材料,中方负责设计、施工。其中向峨小学的学生宿舍和教学楼采用了轻型木结构体系,向峨小学是国内最先整体采用轻型木结构体系的学校,为未来轻型木结构体系的推广起到了示范作用。 


向峨小学总建筑面积5290m2,包括教学综合楼、学生宿舍和餐厅3幢主要建 筑。


向峨小学充分利用了轻型木结构的抗震性能。轻型木结构的具有优异抗震性的原因主要有以下几点:


1:地震力对房屋的破坏程度与建筑的自重成正相关。轻型木结构由于构件都 是断面较小的木材,所以相对于其他结构体系的建筑物自重较轻。 


2:轻型木结构的构件之间所用的连接件种类和数量较多,在地震来临时,所 受的地震力传力方式较为多样,因此整体安全性高。


3:木材自身的材料特性相对于砖和混凝土而言,能吸收更多的地震能量。

钢结构体系


20世纪60年代初,钢材在我国属于稀缺资源,当时的钢结构一直存在着“深基、重盖、肥梁、胖柱”的问题,用钢量很大。后来出现了以小角钢和小圆钢为主要材料的轻型钢结构,该结构为屋盖承重结构,用钢量少,与同等条件下的钢筋混凝土结构的用钢量相差无几,重量却只有钢筋混凝土结构的20%一30%41。20 世纪80年代后期,轻钢结构体系在我国得到广泛应用,90年代后迅速发展。随着改革开放以及我国加入wTo,国内的房地产开发公司与国外的轻钢小住宅体系公司合作,共同拓展中国住宅产业市场。 


我国低层的轻钢小别墅主要依靠国外的引进。20世纪90年代我国从欧美及日 本引进轻型钢结构小住宅。国内企业自主研发了由水泥基复合保温墙板和屋面板构成围护结构的轻钢框架结构体系。目前,轻钢龙骨体系和轻钢框架结构体系在国内应用比较广泛。 我国轻钢龙骨体系与国外的基本相同,区别在于国外的轻钢龙骨结构属于冷弯薄壁型钢结构范畴,国内钢材厚度不符合《冷弯薄壁型钢结构技术规范》,所以另建体系称为“轻钢龙骨低结构体系”。


案例分析

四川广元剑阁下寺村小学原为砖混结构,在08年汶川地震中受损严重,成为危楼。2009年,小学校园的重建工作由香港中文大学建筑学院朱竞翔带领小组负责。新的小学采用具有安全性和向心性的院落式布局,位于村庄街道一侧的入口引导人流进入由四栋建筑单元围合而成的内院。另一侧与河谷坡地相连。


新的小学还提供了宽度为2.4m的走廊,走廊串联了四栋建筑单元,为师生提供了一个全天候的活动场地。

下寺新芽小学采用了创新的结构系统。它是可定制的预制房屋,先在工厂低成本生产,然后运送到工地组装。这套后来被其命名为新芽系统是使用c型钢框 架与木基墙板的建筑系统,两者复合受力。c型钢由机器直接冷轧钢板获得,它是最容易获得的钢型材,也因为已经在大量大板房中使用,所以材料成本具有优势。还有优异的抗震性能和防风性能。


混凝土结构体系


我国装配式混凝土建筑的研究始于20世纪50年代,最早是从前苏联引进。60-70年代我国出现了一大批预制构件厂。70-80年代,装配式混凝土建筑进入快速发展时期。我国从国外引进了先进的生产工艺流水线。这时期主要的结构形式为大板建筑、框架板建筑。20世纪90年代,装配式建筑在构件预制、安装施工、 连接节点和整体模型计算上都存在许多局限和不足,无法跟上社会需求及建筑变化,装配式混凝土建筑基本被现浇结构所取代。


21世纪以来,装配式建筑重新崛起,国内企业在吸收国外先进装配式结构技术的基础上形成了各具特色的建筑体系。



国内PC体主要采取的连接技术包括套筒灌浆体系和浆锚搭接体。

灌浆套筒是预制墙柱纵筋连接的常用技术,一般为球墨铸铁产品或优质碳素结构钢铸造而成,其原理为:在灌浆套筒中注入快硬无收缩灌浆料,依靠材料之间的咬合作用连接钢筋与套筒。

浆锚搭接体系结构连接技术分为竖向和水平两种连接方式,竖向连接采用预 留孔插入式浆锚连接方式,水平连接方式采用钢筋插销方式和叠合楼板、梁节点现浇方式。


国内Pc建筑从受力形式可分为5种结构体系:NPc体系、世构体系、EvE体 系,外挂板(PCF)体系,叠合墙体系。




案例分析



上海万科金色里程位于上海市浦东新区中环线内。项目包括7栋高层单元住 宅、20栋多层排屋、一栋配套公建组成。总建筑面积13.6万平方米、其中地上建 筑面积10.5万m2、地下建筑面积3.1万m2。项目已于2009年竣工。上海万科金色 里程是国内首个将工业化预制装配式技术大规模应用到商品住宅的项目。


高层住宅部分采用“Pc结构工程”。结构总高52.9m,其中1-3层采用全现 浇结构,4-18层外墙采用PcF(装配式叠合外墙板)体系。其中预制构件包括建筑外墙、楼梯、阳台、凸窗、空调板五个构件,装配式构件的总面积达7.5万m2。


其余柱、梁采用现浇施工。住宅的外围护体系为纯PcF形式,不参与主体工作。Pc外墙应用了日本PcF丰富的计算经验和缜密的配筋工艺,墙体厚度 从原来的95mm减到85mm,增加了使用面积。在细部节点处理上,使用引自日本Pc工法,安全性能好,交接缝的防水措施牢固。

相比于钢结构建筑,短期内,装配式混凝土结构建筑仍是中国住宅建筑发展的主流,各个地方出台的装配式建筑目标中针对的也主要是混凝土结构建筑。近十年以来,国内预制混凝土构件厂出现了爆发式的增长,新增加的大型混凝土预制构件就超过200家。


原因有以下几个方面:首先,我国装配式混凝土结构建筑经过60余年的发展,形成了一大批装配式混凝土构件生产基地,同时引进了许多国外成熟的生产和施工技术。相比之下,钢结构配套的合格的加工、安装等体系是缺少的、不完备的(而且多数尚属粗放型),远不如混凝土结构配套的相关技术支持48。


其次,中国建筑业一直以来都是国家GDP增长的重要力量,住建部数据显示,建筑业吸纳了大量农村转移劳动力,占农村进城务工人员总数的1/5以上, 有5000多万人,并带动了50多个关联产业发展。可以看出,建筑业的改革关乎国计民生,再结合此前中国建筑业一直采用的是现浇混凝土结构的施工方式,从改革风险来看,采用装配式混凝土结构比钢结构具有更小的风险。


另外,钢结构目前仍存在不耐火的问题。在911恐怖袭击中,就是因为钢结构受热后失去支撑能力导致楼房垮塌。钢结构的不耐热缺陷对于住宅建筑来说简直是灾难级的,所以钢结构在住宅建筑领域发展会受到一定限制。 


相比于装配式混凝土结构,钢结构具有更高的机械化程度,更精确的的尺寸控制和更容易的装配连接等优点。目前国内钢结构普遍通过与混凝土结构结合形成“组合结构”和“混合结构”,用于高层住宅建筑中。钢材属于可再生能源, 发展钢结构符合我国绿色、环保和节能的要求。随着未来技术的发展,钢结构和围护墙体节点技术的突破和钢结构防腐性和耐火性问题的解决。钢结构必将取代装配式混凝土结构成为我国主要的装配式住宅建筑体系。 


由于木材本身纵横向力学性能差异大和我国木材资源匮乏等因素,木结构建筑没有得到很好的发展。但是随着科学技术的发展,市场上出现了以层板胶合木和正交胶合木为代表的一批复合木材,这些木材通过现代技术的处理,大大加强了木材本身的力学性能,在现代建筑中得到了较好的应用。目前,我国木结构主要应用于别墅项目中,费用和维护费用比较高。


未来,如果能解决好木材普遍存在防火防潮以及防虫蛀的问题,我国可以从俄罗斯和加拿大进口大量的木材资源来推广木结构建筑。


众所周知,在钢材、混凝土、木材、石材四大常用建筑结构材料中,木材是唯一一种具有可再生特点的自然资源,不仅可以节能减排、绿色环保,减轻建筑在建造、使用、拆除的全生命周期内对环境资源的压力,更是实现了材料的循环使用和可持续发展,这就形成了一种独特的木结构。


木结构是我国古代建筑汇总的一种结构体系,它以木构梁柱为承重骨架,柱与梁之间多为榫卯结合,以砖石为体、结瓦为盖、油饰彩绘为衣,经能工巧匠精心设计、巧妙施工而成,集历史性、艺术性和科学性于一身,具有极高的文物价值和观赏价值。


木结构建筑发展至今,已从传统重木结构建筑进入现代木结构建筑的新发展阶段。现代木结构中,因其可工业化的建造模式,提出了预制装配式木结构建筑的说法。


01
装配式木结构建筑的特征


相较于钢筋混凝土结构或其他结构的建筑,装配式木结构建筑主要特征表现在以下六个方面。


一、环保性能


木结构建筑在生产环节、建设环节和拆除环节都体现了其环保性能。


在生产环节,碳排放量最少,不影响生态环境,为全球雾霾做出了巨大贡献。


在建设环节,木结构建筑产生的建筑垃圾非常少,且易处理,不会对环境造成重大污染。


在拆除环节,木结构建筑拆除后的木材易于处理,可循环再利用,无需填埋占用耕地。


二、节能保温性能


由于木质的导热性系数小,木质墙体的保温隔热好,可大大减少为了保温、隔热而需要消耗的能量,因此木结构建筑的节能环保性能好。


三、安全性能


木结构由于自身的质量小,地震时吸收的地震力也相对较少。木结构的韧性大,对于瞬间冲击载荷和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力,可以吸收并消散能量。因此木结构的抗震性优良。


木结构构件的耐火能力,得益于碳化层的保护作用。在火势凶猛的情况下碳化层自然地将木材与外界隔离并且提高木结构可承受的温度。 并且其燃烧速度可控,这给人员的安全撤离提供了足够的时间。 木结构建筑还可通过安装自动喷淋系统、增加防火间隔、 控制建筑物之间的消防距离等措施,来提高防火能力。


四、可持续性


木材是唯一可以再生的建筑材料,具有重复利用的特点。只要科学管理,合理砍伐,就能以树木的成才周期(少则 5-6 年, 多则 20-30 年)为循环,周而复始地源源不断地得到上等的、 可持续利用的建筑材料。 


五、设计灵活、改造方便


木结构设计灵活,能够突破木材自身的尺寸限制,实现各种不同的设计。在施工过程中能够随时调整和更改空间布局、 洞口位置,相较于钢筋混凝土结构更易改扩建。


六、装配化施工


木结构建筑大量构件能够通过工厂预制成型,工地现场装配,结构件和连接件的生产和施工可以在全年任何气候条件下进行,减少了施工所需的劳动力,降低了操作强度,节省了劳动成本,提高了施工质量,提高了木结构建筑的工业化水平,推动了装配式木结构建筑发展。 


02
木结构建筑在国内外应用情况


在北欧、北美、日本、澳大利亚、新西兰等发达国家和地区木结构的应用相当普遍,如住宅、体育馆、机场、火车站、桥梁、游泳馆、学校建筑、商业建筑、教堂、博物馆等。


其住宅建设衍生出集设计、制作、安装、装修、整体厨卫为一体的集成住宅产业,工业标准化生产,工地现场安装。


总体上而言,国外的装配式木结构建筑在民用、工业、农业上皆有比较好的应用,虽然农业用途比例最小,价值亦是,但在工业和民用建筑上确实比比皆是,基本上都是“大手笔”的建筑作品。


日本-爱英斯木屋

西班牙-Metropol Parasol

俄罗斯-诺夫哥德木结构建筑博物馆


但是在国内,我们几乎没怎么见过几次工业用的木建筑,如木厂房。木车间、木仓库,除了一些规模较较小的园林景观建筑外,也很少建设其他类非住宅型木建筑,诸如地标建筑、商业建筑、纪念堂、大型体育或休闲娱乐或宗教类等建筑。


主要原因有:


1.建筑层高、建筑层数的规定限制了木结构建筑的发展。消防规范过于严厉,与国外的消防理念有较大差异。国外重点是确保火灾时人员安全,中国除了人之外,还需要确保财产不受损失。因此许多设计方案,在国外行得通,于国内审查却无法过关。 


2.上下游产业链不完善 ,近几十年来,砖石、钢筋混凝土结构风靡一时,导致建筑用木材的处理技术和现代木材工业停滞。工程木材的相关研究也落后于发达国家。


3.大众仍停留在传统木材的观念上,认为木结构建筑易着火、腐烂快及防白蚁。历史上兵荒马乱、杀人放火,房屋容易被人一把火烧了,还是砖石、钢筋混凝土结构可靠。这些错误观念需要引导并消除。


03
装配式木结构建筑的改善方式


随着国家标准《装配式木结构建筑技术标准》和新版《木结构 设计标准》的颁布实施,以及国家鼓励装配式建筑发展的政策推动,中国木结构建筑行业将会出现爆发式发展。特别是我国经济持续高速增长,抗震要求高、或造型特殊的公共建筑、居住建筑、桥梁工程等大批建设项目待建,为装配式木结构建筑提供了广阔的应用前景。对木结构建筑的推广应进行科学引导, 尽快形成木结构建筑产业链,业主、设计、施工、制作等各方主体形成合力,共同推动我国木结构建筑健康发展。


(1)多措并举,在全国范围内,大力推广装配式木结构体系。在地震区、地质灾害多发区、旅游度假区,重点推广木结构建筑。提升农村木结构建筑占比,争取旅游风景区木结构建筑全覆盖。 


(2)加快研究多层、高层现代木结构建筑技术,进行高层木结构建筑试点示范。推动木结构建筑在政府投融资公共项目中的应用,以及在平改坡、棚户区、历史风貌建筑改造中的应用。 


(3)逐年增加木结构研发投入,不断攻克木结构应用的关键技术难题。国内多家高等院校、研究机构、木结构制造企业, 在解决工程木材的强度、防火、防潮、及耐久性方面,有了突破性进展,逐步为木结构建筑的大面积推广应用扫清了障碍。 


我国已具备大力发展现代木结构的条件,发展现代木结构是绿色低碳和建筑工业化的重要途径,加快装配式木结构建筑的发展,有利于建筑业企业的转型升级。要以国家大力发展装配式建筑为契机,尽快形成装配式木结构建筑的产业链,加大工程木材的研发投入,在技术上争取早日达到世界领先水平。




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