1)国外发展历史与现状
20 世纪20 年代初,英、法、苏联等国家首先对装配式混凝土建筑作出尝试。第二次世界大战后,由于各国的建筑普遍遭受重创,加之劳动力资源短缺,为了加快住宅的建设速度,装配式混凝土建筑被广泛采用。
西方发达国家的装配式混凝土建筑经过几十年甚至上百年的发展,已经达到了相对成熟、完善的阶段。美国、德国、日本等国家和地区按照各自的经济、社会、工业化程度、自然条件的特点,选择了不同的发展道路和方式。
(1)美国
美国的装配式混凝土住宅起源于20 世纪30 年代,1976 年美国国会通过了国家工业化住宅建造及安全法案,同年开始出台一系列严格的行业规范标准。1991 年美国PCI(预制预应力混凝土协会)年会上提出将装配式混凝土建筑的发展作为美国建筑业发展的契机,由此带来装配式混凝土建筑在美国20 多年来长足的发展。目前,混凝土结构建筑中,装配式混凝土建筑的比例占到了35%左右,有30 多家专门生产单元式建筑的公司。在美国同一地点,相比用传统方式建造的同样房屋,只需花不到50%的费用就可以购买一栋装配式混凝土住宅。美国装配式混凝土建筑建材产品和部品部件种类齐全,构件通用化水平高,呈现商品化供应的模式,并且构件呈现大型化趋势。基于美国建筑业强大的生产施工能力,美国装配式混凝土建筑的构件连接以干式连接为主,可以实现部品部件在质量保证年限之内的重复使用(图1.2)。
图1.2 美国装配式建筑施工现场
(2)德国
德国是世界上工业化水平最高的国家之一。第二次世界大战后,装配式混凝土建筑在德国得到广泛采用,经过数十年的发展,目前德国的装配式混凝土建筑产业链处在世界领先水平。建筑、结构、水暖电专业协作配套,施工企业与机械设备供应商合作密切,机械设备、材料和物流先进,高校、研究机构和企业不断为行业提供研发支持。
此外,德国是在降低建筑能耗上发展最快的国家。20 世纪末,德国在建筑节能方面提出了“3 升房”的概念,即每平方米建筑每年的能耗不超过3 升汽油。近几年,德国提出零能耗的“被动式建筑”的理念。被动式建筑除了保温性、气密性绝佳以外,还充分考虑对室内电器和人体热量的利用,可以非常小的能耗将室内调节到合适的温度,非常节能环保(图1.3)。
图1.3 德国被动式建筑
(3)日本
日本装配式混凝土建筑的研究是从1955 年住宅公团成立时开始的,并以住宅公团为中心展开。住宅公团的任务就是执行战后复兴的基本国策,解决城市化过程中中低层收入人群的居住问题。20 世纪60 年代中期,日本装配式混凝土住宅有了长足发展,预制混凝土构配件生产形成独立行业,住宅部品化供应发展很快,但当时的装配式混凝土建筑尚处在为满足基本住房需求服务的阶段。1973 年日本建立装配式混凝土住宅准入制度,标志着作为体系建筑的装配式混凝土住宅起步。从20 世纪50 年代后期至80 年代后期,历时约30年,日本形成了若干种较为成熟的装配式混凝土住宅结构体系。1985 年后,日本的装配式混凝土建筑达到了高品质住宅阶段。目前,日本建筑业的工厂化水平高,预制构件与装修、保温、门窗等集成化程度高,并通过严格的立法和生产与施工管理来保证装配式混凝土构件和建筑的质量。
日本建筑行业推崇的结构形式是以框架结构为主,剪力墙结构等刚度大的结构形式很少得到应用。目前日本装配式混凝土建筑中,柱、梁、板构件的连接尚以湿式连接为主,但强大的构件生产、储运和现场安装能力对结构质量提供了强有力的保证,并且为设计方案的制订提供了更多可行的空间,以莲藕梁为例(图1.4),梁柱节点核心区整体预制,保证了梁柱连接的安全性,但误差容忍度低,我国建筑行业尚无法推广。
由于日本国土地震频发且烈度高,因此装配式混凝土的减震隔震技术得到了大力发展和广泛应用,图1.5所示的软钢耗能器可以较好地起到减震隔震的作用。该项技术已被我国建筑企业借鉴和采用。
(4)其他国家
新加坡的建筑行业受政府的影响较大。在政府的政策推动下,装配式混凝土建筑得到了良好的发展。以组屋项目(即保障房)为例,新加坡强制推行组屋项目装配化,目前装配率可达到70%。通过推行装配式混凝土建筑,新加坡不仅提高了房屋建造效率,还缓解了用工成本过高的问题。
加拿大作为美国的近邻,在发展装配式混凝土建筑的道路上借鉴了美国的经验和成果。目前加拿大混凝土建筑的装配率高,构件的通用性高,大城市多为装配式混凝土建筑和钢结构建筑,抗震设防烈度6 度以下地区甚至推行全预制混凝土建筑。
图1.4 莲藕梁
图1.5 软钢耗能器
法国在1950—1970 年开始推行装配式混凝土建筑,经过几十年的发展,目前已经比较完善,装配率达到80%。法国的装配式混凝土建筑多采用框架或者板柱体系,采用焊接等干式连接方法。
(5)总结与启示
通过总结以上国家发展装配式混凝土建筑的经验,得到以下启示:
①应结合自身的地理环境、经济与科技水平、资源供应水平选择装配式混凝土建筑的发展方向。例如,欧美各国普遍位于非地震区,且建筑物多以低层和多层为主,因此多推广普及干式连接施工方式;日本处于地震多发区,加之高层建筑较多,故推广普及等同现浇的湿式连接施工方式;英国结合本国的科技水平选择了发展装配式钢结构建筑的道路;瑞典等北欧国家由于木材资源丰富,故多以装配式木结构为主发展装配式建筑。
②政府应在发展装配式混凝土建筑过程中发挥积极的作用。成熟的装配式混凝土生产方式不仅绿色、环保、节能,还能降低项目的造价。但是,在推广装配式混凝土建筑的初期,由于其尚未形成规模,往往成本比传统施工方式高,并且部分企业的社会责任感不强,一味追求经济利益,故装配式混凝土建筑的竞争力相对较弱。因此,在推广初期,政府的积极推动对装配式混凝土建筑的发展具有关键的作用。
③完善装配式混凝土建筑产业链是发展装配式混凝土建筑的关键。美国、德国、日本等国家的装配式混凝土建筑发展,均得益于其完备的建筑产业链以及优秀的操作与管理能力。因此,完善行业生产的关键技术,提高产业工人的职业素质,提高部品部件的生产质量、物流能力和装配水平,完善质量管理和评价体系,是我国装配式混凝土建筑从业人员亟待完成的任务和使命。
2)我国发展历史与现状
(1)发展历史
装配式混凝土建筑在我国的发展大致经历了以下几个阶段。
①起步阶段。我国装配式混凝土结构的应用起源于20 世纪50 年代。借鉴苏联的经验,我国在全国建筑生产企业推行标准化、工业化和机械化,发展预制构件和装配式建筑。较为典型的建筑体系有装配式单层工业厂房建筑体系、装配式多层框架建筑体系、装配式大板住宅建筑体系等。
②过渡阶段。到20 世纪80 年代中叶,装配式建筑的应用达到全盛时期,全国许多地方都形成了设计、制作和施工安装一体化的装配式建筑建造模式。装配式建筑和采用预制空心楼板的砌体建筑成为两种最主要的建筑体系,应用普及率达70%以上。(www.daowen.com)
20 世纪80 年代初期,建筑业曾开发了一系列新工艺,如大板、升板体系、预制装配式框架体系等。但在进行了这些有益的实践之后,受当时经济条件和技术水平的限制,上述装配式建筑的功能和物理性能等逐渐显露出许多缺陷和不足,我国有关装配式建筑的设计和施工技术的研发工作又没有跟上社会需求及技术的发展和变化,致使到20 世纪80 年代末,装配式建筑开始迅速滑坡。究其原因,主要有以下方面:
a.受设计概念的限制,结构体系追求全预制,尽量减少现场湿作业量,造成在建筑高度、建筑形式、建筑功能等方面有较大的局限;
b.受当时的经济条件制约,建筑机具设备和运输工具落后,运输道路狭窄,无法满足相应的工艺要求;
c.受当时的材料和技术水平的限制,预制构件接缝和节点处理不当,引发渗、漏、裂、冷等问题,影响正常使用;
d.施工监管不严,质量下降,造成节点构造处理不当,致使结构在地震中产生较多的破坏;
e.我国进入改革开放后,农村大量劳动力涌向城市,大量未经过专门技术训练的、价格低廉的进城务工人员进入建筑业,从事劳动强度大、收入低的现场浇筑混凝土的施工工作,使得有一定技术难度的装配式结构缺乏性价比的优势。
从20 世纪60 年代初到80 年代中期,预制构件生产经历了研究、快速发展、使用、发展停滞等阶段。城市需求量不断加大,为了实现快速建设供应,我国借鉴苏联和欧洲预制装配式住宅的经验,开始了装配式混凝土大板房的建设,并迅速在北京、沈阳、南宁等大城市进行推广,特别是北京市在短短10 年内建设了2 000 万m2的装配式大板房,装配式混凝土结构在民用建筑领域掀起了一次高潮。
③低潮阶段。由于当时国家经济实力比较薄弱,基础性的保温、防水材料技术比较缺乏,装配式混凝土结构难以推广,并且所建房屋在保温隔热、隔声防水等性能方面普遍存在严重缺陷,技术标准发展没有跟上新的抗震规范发展,进一步影响了消费者的信心,其计划经济的经营特征无法满足市场变化的需求,装配式混凝土结构绝大多数迅速下马,被市场淘汰。
④新发展阶段。进入21 世纪,我国经济发展水平和科技实力不断加强,各行各业的产业化程度不断提高,建筑房地产行业得到长足发展,材料水平和装备水平足以支撑建筑生产方式的变革,我国的住宅产业化进入了一个新的发展时期。再加上受到劳动力人口红利逐渐消失的影响,建筑业的工业化转型迫在眉睫。但由于我国预制建筑行业已经停滞了将近三十年,专业人才存在断档、技术沉淀几近消亡,众多企业和社会力量不得不投入大量人力、物力、财力进行建筑工业化研究,从引进技术到自主研发,不断积累探索,随着新编制的《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)的生效,我国建筑产业化发展开始重新起步,即将掀起又一次建筑工业化高潮。
(2)发展条件
我国政府和建设行业行政主管部门对推进建筑产业现代化、推动新型建筑工业化、发展装配式建筑给予了大力支持,国家对建筑行业转型升级的决心和重视程度不言而喻。
党的十八大报告提出,要坚定不移地走“新型工业化道路”。2015 年11 月,《建筑产业现代化发展纲要》(以下简称《纲要》)出台。《纲要》明确了未来5 到10 年建筑产业现代化的发展目标。《纲要》指出:到2020年,基本形成适应建筑产业现代化的市场机制和发展环境,建筑产业现代化技术体系基本成熟,形成一批达到国际先进水平的关键核心技术和成套技术,建设一批国家级、省级示范城市、产业基地、技术研发中心,培育一批龙头企业。装配式混凝土、钢结构、木结构建筑发展布局合理、规模逐步提高,新建公共建筑优先采用钢结构,鼓励农村、景区建筑发展木结构和轻钢结构。装配式建筑占新建建筑的比例20%以上;直辖市、计划单列市及省会城市30%以上;保障性安居工程采取装配式建造的比例达到40%以上;新开工全装修成品住宅面积比率30%以上;直辖市、计划单列市及省会城市保障性住房的全装修成品房面积比率达50%以上;建筑业劳动生产率、施工机械装备率提高1 倍。到2025 年,建筑品质全面提升,节能减排、绿色发展成效明显,创新能力大幅提升,形成一批具有较强综合实力的企业和产业体系。装配式建筑占新建建筑的比例在50%以上;保障性安居工程采取装配式建造的比例达到60%以上;全面普及成品住宅,新开工全装修成品住宅面积比率50%以上;保障性住房的全装修成品房面积比率达到70%以上。
2016 年3 月17 日,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》指出,要发展适用、经济、绿色、美观建筑,提高建筑技术水平、安全标准和工程质量,推广装配式建筑和钢结构建筑。
住房和城乡建设部于2017 年3 月23 日印发《“十三五”装配式建筑行动方案》,提出工程目标并明确重点任务。目标提出:到2020 年,全国装配式建筑占新建筑的比例达到15%以上,其中重点推进地区达到20%以上,积极推进地区达到15%以上,鼓励推进地区达到10%以上。任务提出:建立完善覆盖设计、生产、施工和使用维护全过程的装配式建筑标准规范体系。建立装配式建筑技术体系和关键技术、配套部品部件评估机制,梳理先进成熟可靠的新技术、新产品、新工艺,定期发布装配式建筑技术和产品公告。加大研发力度,研究装配率较高的多高层装配式混凝土建筑的基础理论、技术体系和施工工艺,研究高性能混凝土、高强钢筋和消能减重、预应力技术在装配式建筑的应用。全面提升装配式建筑设计水平,推行装配式建筑一体化集成设计,强化装配式建筑设计对部品部件生产、安装施工、装饰装修等环节的统筹。推进装配式建筑标准化设计,提高标准化部品部件的应用比例。装配式建筑设计深度要达到相关要求,建立适合建筑信息模型(BIM)技术应用的装配式建筑工程管理模式,推进BIM 技术在装配式建筑规划、勘察、设计、生产、施工、装修、运行、维护全过程的集成应用,实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理。采用植入芯片或标注二维码等方式,实现部品部件生产、安装、维护全过程质量可追溯。培育一批设计、生产、施工一体化的装配式建筑骨干企业,促进建筑企业转型发展。发挥装配式建筑产业技术创新联盟的作用,加强学习研用等各种市场主体的协同创新能力,促进新技术、新产品的研发与应用。
(3)国家级规范标准
伴随国家大力发展装配式建筑的政策纷纷出台,为规范装配式建筑的推广,指导行业企业和从业人员合理应用装配式技术,我国相继出台了若干装配式领域的规范、规程、标准、图集。
①《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)。
我国自1991 年施行《装配式大板居住建筑设计和施工规程》(JGJ 1—91)后,经过长达20 多年的沉淀,结合新技术、新工艺、新材料的发展,参考有关国际标准和国外先进标准,于2014 年施行《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)。与已废止的1991 年版标准相比,2014 年版标准扩大了适用范围,新标准适用于居住建筑和公共建筑。此外,加强了装配式结构整体性的设计要求;增加了装配整体式剪力墙结构、装配整体式框架结构和外挂墙板的设计规定;修改了多层装配式剪力墙结构的有关规定;增加了钢筋套筒灌浆连接和浆锚搭接连接的技术要求;补充、修改了接缝承载力的验算要求。
②《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016)。
在行业标准《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)之后,国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016)于2017 年6 月1 日开始施行,该标准不仅是对《装配式混凝土结构技术规程》的有效补充,还在一些条文上对《装配式混凝土结构技术规程》进行了修改。
此外,《装配式木结构建筑技术标准》(GB/T 51233—2016)也同时施行。
③《预制混凝土剪力墙外墙板》(15G 365—1)等9 项国家建筑标准设计图集。
经审查批准,由中国建筑标准设计研究院有限公司组织编制的《预制混凝土剪力墙外墙板》等9 项国家建筑标准设计图集自2015 年3 月起实施,该系列图集是在国家建筑标准设计的基础上,依据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)编制的,对规范内容进行了细化和延伸,对现阶段量大面广的装配式混凝土剪力墙结构设计、生产、施工起到了规范和全方位的指导作用。这套图集的内容涵盖了表示方法、设计示例、连接节点构造以及常用的构件等。
④《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017)。
我国于2015 年发布《工业化建筑评价标准》(GB/T 51129—2015),并在2017 年发布《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017),同时《工业化建筑评价标准》(GB/T 51129—2015)废止。新标准的发布,对进一步促进装配式建筑的发展和规范装配式建筑的评价,起到了重要的作用。
(4)各地保障政策
我国各省、自治区、直辖市均结合自身特点,提出各自的装配式建筑发展目标和保障政策。
北京市提出目标:到2020 年,实现装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%以上。为保证目标实现,北京市出台政策;对未在实施范围内的非政府投资项目,凡自愿采用装配式建筑并符合实施标准的,给予实施项目不超过3%的面积奖励;对实施范围内的预制率达到50%以上、装配率达到70%以上的非政府投资项目予以财政奖励。
《上海市装配式建筑2016—2020 年发展规划》提出目标:“十三五”期间,上海市全市装配式建筑的单体预制率达到40%以上或装配率达到60%以上。外环线以内采用装配式建筑的新建商品住宅、公租房和廉租房项目100%采用全装修。
天津市要求:2018—2020 年新建的公共建筑具备条件的应全部采用装配式建筑,中心城区、滨海新区核心区和中新生态城商品住宅应全部采用装配式建筑;采用装配式建筑的保障性住房和商品住房全装修比例达到100%;2021—2025 年全市范围内国有建设用地新建项目具备条件的全部采用装配式建筑。为保证以上目标实现,天津市规定,经认定为高新技术企业的装配式建筑企业,减按15%的税率征收企业所得税,装配式建筑企业开发新技术、新产品、新工艺发生的研究开发费用,可以在计算应纳税所得额时加计扣除。
广东省确定目标:到2025 年末,珠三角城市群装配式建筑占新建建筑面积比例达到35%以上,其中政府投资工程的装配式建筑面积占比达到70%以上,常住人口超过300 万的粤东西北地区地级市中心城区,装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%以上,其中政府投资工程的装配式建筑面积占比达到50%以上。全省其他地区装配式建筑占新建建筑面积的比例达到20%以上,其中政府投资工程的装配式建筑面积占比达到50%以上。对于装配式建筑项目,广东省政府优先安排用地计划指标,对增值税实施即征即退的优惠政策,落实适当的资金补助,并优先给予信贷支持。
湖北省要求:到2025 年,全省装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%以上,并对装配式建筑给予配套资金补贴、容积率奖励、商品住宅预售许可、降低预售资金监管比例等激励政策。
江苏省提出:到2025 年末,建筑产业现代化建造方式成为主要建造方式。全省建筑产业现代化施工的建筑面积占同期新开工建筑面积的比例、新建建筑装配化率达到50%以上,装饰装修装配化率达到60%以上。对于装配式建筑项目,政府将给予财政扶持政策,提供相应的税收优惠,优先安排用地指标,并给予容积率奖励。
辽宁省要求:到2025 年底,全省装配式建筑占新建建筑面积比例力争达到35%以上,其中沈阳市力争达到50%以上,大连市力争达到40%以上,其他城市力争达到30%以上。辽宁省对装配式建筑项目将给予财政补贴、增值税即征即退优惠,优先保障装配式建筑部品部件生产基地(园区)、项目建设用地,允许不超过规划总面积的5%不计入成交地块的容积率核算。
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