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装配式建筑实践与思考

2015-05-15  Earthmother   |  转藏
   

earthmother 编辑

讲座导读

【主讲人】:李壮壮


【简介】:中国中建设计集团有限公司中建预制装配建筑研究院暖通工程师,参与了多项装配式课题研究,以及装配式项目深化设计;现主要从事于:装配式研究、施工图深化设计、绿色建筑及LEED咨询顾问等工作。


【讲座导读】本期【绿建大讲堂】由具有丰富装配式建筑设计经验的李壮壮介绍装配式建筑的基础知识、装配式各专业设计要点及注意事项以及工厂生产工艺和现场施工流程。


讲座实录

一、装配式建筑的含义


含义图


工厂化:主要结构构件、部品在工厂里进行生产

工具化:施工现场的工厂化,不具备工厂化条件的时候就是工具化

工业化:发挥工厂生产的优势,用现代化的制作、运输、安装和科学管理的大工业生产方式代替传统的、分散的手工业生产方式来建造房屋。

工厂化分为专用体系和通用体系。专用体系是定型的构件或生产方式所建立的承载体系,缺少通用性和互换性;通用体系指预支构件、配套制品等,通用体系更加产业化和工业化。

产业化:全行业、产业链(整体)的现代化,本义来讲就是要实现生产、供应等的工业化。


1.装配式建筑的定义

装配式建筑是指工厂预制、现场装配而成的建筑,它采用各类预制材料组合房屋的各个部分,使其具备卓越的保温、隔音、防火防虫、节能、抗震、防潮功能。简单的说就是“拼积木”,装配式建筑是一种工业化的生产方式。

建筑工业化的发展途径:

1)发展预制装配式建筑体系(工厂化);

2)现场施工作业工业化(工具化)。


2.装配率

建筑单体范围内,预制构件所占使用的所有构件的比率称为装配率。通常按正负零以上部分核算(地下是现浇)。装配率指标反映建筑工业化程度。装配率越高,工业化程度越高。


3.装配式建筑的特点

1)大量的建筑部品由车间生产加工完成,构件种类主要有:外墙板,内墙板,叠合板,阳台,空调板,楼梯,预制梁,预制柱等。

2)现场大量的装配作业,而原始现浇作业大大减少。

3)采用建筑、装修一体化设计、施工,理想状态是装修可随主体施工同步进行。

4)设计的标准化和管理的信息化,构件越标准,生产效率越高,相应的构件成本就会下降,配合工厂的数字化管理,整个装配式建筑的性价比会越来越高。

5)符合绿色建筑的要求。


二、建筑工业化的体系

常用民用建筑工业化体系:

体系图


1.砌块建筑(如图1)

定义:用预制的块状材料砌成墙体的装配式建筑。

特点:较普通黏土砖有施工方便、工艺简单、适应性强、造价低等优点,能有效减少制砖对耕地的破坏。

适用范围:3~5层建筑。

分类:

1)按品种分:实体砌块、空心砌块;

2)按材料分:混凝土砌块、加气混凝土砌块、粉煤灰硅酸盐砌块、炉渣混凝土砌块、陶粒混凝土砌块;

3)按规格分:小型砌块、中型砌块、大型砌块



图1:砌块建筑结构图与常用规格


2.板材装配式建筑(如图2)

定义:是由预制的大型内外墙板、楼板和屋面板等板材装配而成,又叫大板建筑。

分类:中型板材建筑、大型板材建筑

特点:中尺寸小,制作、运输、安装方便;但接缝多。

大型板材:机械化施工程度高,有利于提高生产率、缩短工期、改善劳动条件。


适用范围:

中型板材:2~5层建筑

大型板材:中、高层建筑

缺点:对建筑物造型和以及建筑物布局有较大的制约性



图2:板材装配式建筑结构图


3.框架轻板建筑(目前采用最多)(如图3)

定义:以柱、梁、板组成的框架承重结构,以轻型墙板为围护与分隔构件的新型建筑。

特点: 承重部分与围护部分分开,轻型围护构件重点考虑保温、防水、美观;建筑的开间、进深大,空间分隔灵活;但梁、柱接头复杂。

适用范围:有较大空间要求的高层、多层、高层住宅和大型公共建筑。(装配式建筑应尽量采用大空间,可以灵活隔断,内墙的预制和PC外墙挂板可以空间灵活满足空间使用要求)

类型:

1)按材料分:钢筋混凝土框架、钢框架

2)按施工方法分: 装配式框架、现浇式框架

3)按构件的组成形式:梁板柱框架体系、板柱框架体系、剪力墙框架体系



图3:框架轻板建筑结构图


如图所示框架轻板建筑主要分为以下三个类型:梁板柱框架体系、版主框架体系、剪力墙框架体系。

4.大模板建筑(如图4)

定义:使用大型模板进行混凝土浇筑的建筑工程

特点:整体性强、刚度大、抗震能力强、工艺简单、施工速度快;但现场混凝土工作量大、工地施工组织复杂。

适用范围:用于多层或高层建筑

类型:

1)全现浇式大模板建筑

2)现浇与预制相结合式大模板建筑

(1)内外墙全现浇(2)内浇外砌(3)内浇外挂



图4:大模板建筑结构图


5.滑升模板建筑(如图5)

定义:预先将工具式模板组合好,利用墙体特制的钢筋做导杆,以油压千斤顶作提升动力,有间隔有节奏边浇筑边提升模板。

特点:整体性强、机械化程度高、施工速度快、节省模板;但对施工精度要求高。

适用范围:上下有相同壁厚的建筑物和具有简单垂直形体的构筑物。

类型:

1)外墙均采用滑模

2)内墙,外墙装配式

3)只用滑模浇注电梯间等建筑的筒体核心部分。



图5:滑升模板建筑结构图


6.升板建筑(如图6)

定义:在底层混凝土地面上重复浇筑各层楼板和屋面板,竖立预制钢筋混凝土柱子,以柱为导杆,把楼板和屋面板提升到设计高度,加以固定。

特点:施工设备简单,可简化工序、提高效率、减少高空作业、节省模板,施工场地小。

适用范围:室内大空间、楼面荷载大的多层建筑。


图6


7.盒子建筑(如图7)

定义:在工厂预制成整体的盒子状结构为基础,运至施工现场吊装而成的建筑。

特点: 工厂化生产程度高,现场工作量小,有较好的刚度,自重较小;但生产投资大、造价较高。

适用范围:适用于住宅、旅馆等低层和多层建筑

构成:整浇式、骨架条板组装式、预制板组装式。

板材的数量:六面体、五面体、四面体盒子



图7:盒子建筑结构图


8.装配式建筑的分类



分类图


三、建筑工业化发展

1.国外工业化的发展

瑞典: 新建建筑中,通用部件的住宅占80%以上;

法国:1977年成立构件建筑协会(ACC),建筑工业化达85%;

丹麦:世界上第一个将模数法治化的国家,国际标准化组织的ISO模数协调标准以丹麦为标准为蓝本。

美国:住宅通用体系标准化、系列化、专业化商品化、社会化程度很高,90%以上;

日本:工业化住宅注重成套技术发展,建筑工业化接近90%;种类从结构上分为钢筋混凝土结构、木结构、轻钢结构及由此组合而成的组合结构;从施工方法上可分为大型预制板方式及单元式方式。日本经济力量强大,钢产量大,质量可靠,施工方便快速,价格较便宜,建造成的住宅整体造价与混凝土结构相近或更低,因此 轻钢结构占工业化住宅的80%。

2.我国建筑工业化发展



我国建筑工业化发展示意图


四、装配式建筑的设计要点

1.设计理念

从局部到整体的模块组合。首先是由卧室、次卧、客厅、厨房、卫生间等按照设计需求并结合相关模数尺寸制定一系列功能性模块;功能性模块组成后再组装成A、B、C、D等一系列户型,即户型模块;户型模块确定后再进行自由拼装完成单元模块,最后由不同的单元模块组合到一起形成各种建筑单体。(如图8)



图8


2.模数协调

建筑模数:是指选定的尺寸单位,作为尺度协调中的增值单位。

基本模数:基本模数的数值规定为l00mm,表示符号为M,即1M等于l00mm,整个建筑物或其中一部分以及建筑组合件的模数化尺寸均应是基本模数的倍数。

扩大模数:指基本模数的整倍数。(水平、竖向扩大模数)

模数协调:应用基本模数或扩大模数的方法实现尺寸协调。

装配式剪力墙住宅适用的优先尺寸系列

《北京市装配式剪力墙住宅建筑设计规程》DB11/T970-2013



3.模块体系

中国建筑设计集团建筑工业化设计研究中心,针对装配式住宅研究并集合了几大模块体系,包括功能模块基本尺度、户型模块、标准模块以及中建弹性空间体系。以下为几种模块具体介绍。



装配式模块体系


3.1功能模块基本尺度

以基本模数、扩大模块为基础并按照业主使用需求、功能需求来定义基本的功能模块,例如60平方米的户型,客厅模块规格为3.0*4.2,80平方米的户型则客厅模块规格为4.3*4.5。同理厨房、卫生间模块等也需要按照扩大模数进行协调。(如图9)



图9


3.2户型模块(如图10)

户型模块则根据基本功能模块按照户型类型、功能以及使用需求等组合成不同的户型最小单元;比如根据功能性模块不同尺度,我们规定了一室两厅一卫70平方米的相应户型模块,它适用于生活过渡性人群。



图10


3.3标准模块

标准模块主要是集成的功能性模块,比如入户空间、收纳空间、集成厨房以及整体卫浴等。根据不同尺寸以及功能性需求制定一系列的标准模块,自由组合到单元模块中。(图11)



图11


3.4中建弹性空间体系

中建弹性空间体系按照楼梯、走廊、入户空间、客厅、主卧和公共空间模块、户内空间模块分成两类:公共空间模块和户内空间模块(如图12左);按照弹性类型主要分为固定模块和弹性模块。固定模块是一层楼的固定单元,弹性模块是可以按照业主的要求进行任意组合(如图12右)。



图12


这里主要介绍下固定模块和弹性模块。


如图13灰色部分为固定模块,有连廊、整体卫浴;弹性模块分为尺寸弹性以及空间弹性。尺寸弹性模块按照业主要求可大可小、可延伸可伸缩;比如左侧A区就是尺寸弹性,根据户型大小、业主需求可上下左三个方向随意放大缩小;其中B区域也是指可大可小的尺寸空间弹性。空间弹性是指空间内饰可以任意组合的,比如右侧A区域就是空间弹性,区域内的卧室、厨房等功能性房间是可以任意组合的。

装配式建筑按照尺寸弹性和空间弹性进行任意组合基本可以满足大部分建筑要求。



图13


3.5中建MCB 弹性空间体系

我们根据弹性空间体系,研究并制订了一系列固定模块与弹性模块,组合成中建MCB弹性空间体系,包括:固定模块系统、弹性模块系统、复合管廊系统、轻质隔墙系统、集中新风系统、分区收纳系统、同层排水系统、集成厨房系统、整体卫浴系统以及故障检修系统等10大体系。(图14)



图14



4.注意事项

中国建筑设计集团建筑工业化设计研究中心根据实际装配式住宅设计项目、装配式相关课题研究制订了比较系统的《中建MCB预制装配式建筑建造指南》CSCEC-PCV1.0,本部指南中,详细的总结了建筑设计、结构设计、暖通设计、给排水设计、电气设计以及燃气设计等专业的设计要点及注意事项,由于时间关系,我从《指南》中摘取了部分相关各专业设计注意事项,供大家交流。


4.1建筑设计

1)简单、规则,避免刚度、质量和承载力分布不均匀;

2)宜采用大空间的平面布局方式,满足住宅灵活性、可变性;

3)充分考虑设备管线与结构体系关系以及结合楼板现浇统一考虑;

4)遵循统一标准及模数化设计原则;优化套型模块的尺寸和种类

5)优先采用叠合楼板;

6)楼板与楼板之间,楼板与墙体之间采用混凝土后浇保证整体性;

7)考虑需要降板房间;

4.2结构设计

1)建筑体型、平面布置及构造应符合抗震设计的原则和要求。

2)应遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合的原则;

3)承重墙、柱等竖向构件宜上下连续,门窗洞口宜上下对齐,成列布置,不宜采用转角窗;门窗洞口的平面。

4.3建筑节能设计

1)预制外墙的保温材料及厚度满足相关规范;宜采用轻质高效保温材料;

2)穿透保温材料的连接件,宜采用玻璃纤维、PC等非金属材料;保证热工性能不削减;

3)带门窗的预制外墙,门窗洞口与门窗框间密闭性不低于门窗密闭性;避免冬季冷风渗透;

4)外墙与梁、板、柱相连时,连接处保持墙体保温的连续性;避免形成冷桥,产生内部结露。

4.4设备及管线设计

1)机电管线进行综合设计,公共部分宜采用架空;

2)预留沟、槽、孔、洞的位置遵循结构设计模数网格;

3)卫生间宜采用同层排水;

4)太阳能热水系统集热器等考虑建筑一体化,做好预留;

5)给水、采暖水平管暗敷于地面垫层中;(供暖宜采用低温热水地面辐射供暖系统)

6)散热器挂件预埋结构体上;

7)空调布置顶板吊顶下;

8)电气水平管线暗敷于结构楼板叠合层中;

9)分户墙两侧安装电器设备不应连通设置;影响隔声;

10)预制墙体上开关、插座、弱电插座等有结构进行预留;

11)户内配电盘与智能家居分

五、装配式建筑的施工工艺

1.工厂加工装配构件阶段(工厂阶段)



工厂加工装配构件示意图


工厂加工装配构件示意图


装配式建筑工厂生产


2.建筑整体装配阶段:

建筑整体装配示意图


建筑整体装配示意图


建筑整体装配示意图


建筑整体装配示意图


装配式建筑现场


装配式建筑现场图



装配式建筑现场图



装配式建筑现场图


六、装配式建筑的思考


思考:

1.施工作业的变革,从现浇到装配,推动建筑产业现代化的发展;

2.通过建筑工业化,节约各种资源(资源消耗、水、垃圾产量少),迈向资源节约型、环境友好型“两型”社会;

3.由于构建采用工厂化产生,提高了施工效率,提升了建筑品质;

4.目前新型建筑工业化扔处于探索阶段,需要大力加强行业引领,通过规范标准的不断推陈出新,全面推动建筑工业化的发展进程;

5.寻找装配式建筑装配率与成本之间的平衡点,促进市场的推广,加大公众的认同以及企业的参与。


展望:

专家预测:装配式建筑将迎来爆发式增长!

Q:钢结构的防火问题?

A:钢结构最大的问题就是防火问题,钢结构有很多优点如:抗震、施工速度快,钢结构防火目前采用的途径是加厚防火涂料。加厚防火涂料也是存在问题的,如果建筑产生火灾,虽然建筑主体由于防火涂料有一定的耐火性,但是热是可以传递的,热量会传递到建筑的主体,因此钢结构的温度也是很高的,高温度的钢会对其结构产生一定的影响。所以说钢结构的防火是需要研究并解决的问题,希望大家在这方面有更加深入的研究与探讨。

Q:目前楼体材料还是混凝土为主,混凝土预示着高耗能,未来在世界范围内取代混凝土材料发展是否有很好的突破和方向。

A:我国目前楼梯材料还是以混凝土为主,日本80%都是钢结构,日本的钢产量高且价格低,直接导致成本的降低。国内的钢造价高,钢筋混凝土更符合我国的现状。

Q: 万科在住宅产业化路上走的很早也很艰难,万科在7年前就提出要在2015年左右实现全产业化,但目前差距也很远,除了成本因素,你觉得还有哪些是限制发展的主要因素?

A:万科是很早走上了住宅产业化道路,从开始的装配率5%到50%及以上,主要的限制是价格和标准的不统一和不完善,如果有完善的标准和通用的体系,装配式建筑在制造和建造上都会取得很大的突破。

Q:装配式建筑和绿色建筑的结合点?

A:装配式建筑本身就满足绿建的要求,如装配式建筑在施工过程中的能耗、水耗、资源消耗等均会大大的降低,可减少90%以上的建筑垃圾。

Q:目前装配式混凝土或者钢结构最高可以盖多少层?

A: 国内目前最高的可能就是今年3月份远大建造的57层钢结构建筑,大概是200多米。其实装配式建筑的最大问题不是高度而是造价问题,主要包括工艺成本和运输成本。第一:工艺成本主要区别在于现浇一般用木模具固定,而在装配式工厂加工的时候大部分用的是钢模具;第二;装配式建筑的生产厂家少,较远距离的运输也会大大增加成本。控制造价最好的方式的就是规模化。如果装配式建筑的规模不大相应的成本就会上升,因此装配式建筑关键在于规模化,在有了通用的标准和体系后,装配式建筑的规模化会提升,住宅产业化就会有一定的突破。

Q:影响装配式建筑的发展除了造价因素,您觉得还有什么因素?

A:对于造价问题,我国现在对住宅产业化有一定的补贴政策,根据装配率的不同可获得相应的补贴;而除了造价因素,原建设部副部长仇保兴提出了另外两个因素:一个是装配式住宅的设计、生产、安装施工、验收等技术标准尚未建立,一些相关试点的成果无法大规模推广,形成不了通用体系。另一个因素:管理体系也不利于装配式建筑的发展,目前有总承包资质的企业没有专业化的生产能力,有生产能力的没有项目承包资质,造成专业化公司还需投入一定的管理成本。


【知识链接】

中国中建设计集团有限公司(直营总部)属于中国建筑工程总公司,具有建筑行业(建筑工程)甲级、城乡规划编制甲级、文物保护工程勘察设计甲级、风景园林设计专项乙级等多项资质,其中设计各类专业技术人才1530余人,其中:教授级高级工程师(建筑师)26人,高级工程师(建筑师)312人,中级工程师576人,初级(助理)工程师497人。一级注册建筑师、一级注册结构工程师、注册城市规划师、注册设备工程师、注册电气工程师、注册监理工程师、注册造价师共计211人。



公司结构图


中国建筑设计集团建筑工业化设计研究中心:

工业化深化设计、工业化课题研究,相关标准图集制定




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