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钢结构模块建筑发展趋势的研究

[发布日期:2014-11-20 17:46:47]

钢结构模块建筑的工业化、产业化水平及质量水平较传统建筑均得到很大提高。作者认为,钢结构体系模块化建筑的发展方向应该是一次到位和菜单式的“全模块”模式,也将是本世纪我国建筑业工业化中较为先进的建筑结构体系。本版自今日起刊载天津市建筑设计院副总工程师张肇毅等撰写的《钢结构模块建筑发展趋势的研究》一文,敬请关注。——编者

一、背景分析

1.我国建筑结构体系发展概况

建筑工业化是我国基本建设长期以来重大的国策,早在1956年国务院就颁布了《关于加强和发展建筑工业的决定》,指明了“建筑工业化是建筑业的发展方向”,“大力开展建筑结构和配件的标准化工作”,“积极实行工业化、机械化施工”。20世纪六七十年代标准化的住宅体系就大量采用了模数化的钢筋混凝土预制构件,同时应用于工业厂房钢筋混凝土预制构件也相继应用于工程实践,并研发了预制装配框架结构体系,20世纪80年代开发了内浇外砌混合结构体系和钢筋混凝土异形柱框架结构体系,并在北京、天津等地兴建了数百万平方米该结构体系的居住型建筑。上述建筑结构体系对我国基本建设的发展起到了推进作用,并积累了工程经验,上世纪末我国正式提出住宅产业化概念,为本世纪建筑结构体系的发展打下了基础。

为保障国民经济的可持续发展,原建设部在本世纪初制定了“关于在大中城市在2~3年内消除黏土砖及黏土制品和积极推广钢结构住宅”的重大政策,又于2002年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》。很多地方省市相继编制了《钢结构住宅设计规程》,2009年中国工程建设标准化协会标准(CECS)《钢结构住宅设计规范》颁布实施,为设计应用提供了充分的设计依据,并在山东、上海、天津、武汉及内蒙古等省市兴建了逾千万平方米钢结构住宅建筑。

2.国内外住宅产业化的发展进程(1)国外住宅产业化发展进程。国外发达国家的住宅产业化基本上经历了3个阶段。20世纪50~60年代是住宅产业化形成的初期,重点是建立工业化生产体系;20世纪70~80年代是住宅产业化的发展期,重点是提高住宅的质量和性能;20世纪90年代后,是住宅产业化发展的成熟期,重点转向节能、降低住宅的物耗和对环境的负荷、资源的循环利用,倡导绿色、生态、可持续发展。目前,在发达国家的住宅建设中,工厂化住宅已经占据相当的市场份额:日本达到20%~25%,美国为31%,瑞典在60%以上。而就目前看来,住宅模块化的发展方向应该是一次到位和菜单式的“全模块”模式。(2)国内住宅产业化发展进程。早在1994年国家“九五”科技计划“国家2000年城乡小康型住宅科技产业示范工程”中系统化地制定了中国住宅产业化科技工作的框架,从而使住宅产业化在科技和示范工程的层面上得以确定和实施,标志着住宅产业化的进程步入一个新的发展阶段;1999年,国务院明确指出“满足人民群众日益增长的住房需求,加快住宅建设从粗放型向集约型转变,推进住宅产业现代化,提高住宅质量”,原建设部成立了住宅产业化促进中心。随着我国国民经济和住宅产业的发展,人民生活水平有了很大的提高,但目前我国住宅生产与经营方式还比较传统和相对落后,我国每年竣工房屋面积大约在20亿平方米左右,现有建筑存量400亿平方米,建筑能耗每年达到了1.2万亿度电和4.1亿吨标准煤,加上建材生产过程中的能耗,约占全社会能耗的46.7%,房屋建筑大量的能耗迫使人们重新审视住宅建设的生产方式和增长方式,特别是国家提出发展节能省地型住宅的目标后,加快促进住宅产业化已经刻不容缓。(3)住宅产业化发展水平评估依据。具体体现在以下六个方面:

一是新型的、工业化的建筑结构体系的应用程度。目前的以钢结构、钢混结构等为主的新型建筑结构体系,使得住宅朝着安全、环保、节能和绿色生态方向发展。但是目前在我国很多建筑工程,尤其是广大的农村建房还是以手工砌筑的方式进行,难以控制住房建设的安全质量和功能质量。

二是住宅产品的开发、生产和供应。住宅产品开发、生产和供应的标准化、系列化、通用化是实现住宅产业化的重要标志,设计人员可从中选择适当产品进行住宅设计。瑞典新建住宅中,通用部品占80%左右,日本用了20年的时间推行住宅部品,现在住宅的各个部分都有通用部品,对无特殊要求的住宅,只要将通用部品组合起来即可。

三是墙体材料和建筑节能。许多工业发达国家新型建筑材料的比重一般占60%~90%。我国住宅单位面积的采暖能耗,符合《民用建筑热工设计规范》要求的约为发达国家的3~4倍;符合《民用建筑节能设计标准》要求的约为发达国家1.5~2.2倍,而发达国家的采暖期比我国长,居室温度也比我国高。

四是现场施工的技术。经济发达国家目前已基本做到分工种、专业来进行施工,即从设计到制作逐步形成独立行业。在经营方面,既可定购、选购,也可租赁与提供技术指导和现场培训,机械租赁业也较发达,同时提供维修服务。此外,现场运输、挖掘、运垃圾、现场清理、建筑物拆除等均可委托专业公司完成。

五是人均竣工面积。人均竣工面积是反映生产、施工的综合性指标。德国和日本在80~100平方米之间,法国、美国在40~80平方米之间(这些国家木结构和轻钢结构独立式住宅所占比重较大,劳动生产率较高)。日本人均年竣工建筑面积一般在100平方米左右,但人均住宅竣工面积却达到110~120平方米。我国人均竣工建筑面积仅在28平方米左右。

六是环境保护和资源节约和“可持续发展”。可持续发展是指保护地球环境和节约资源,住宅产业的发展将为改善环境作出贡献。住宅产业可持续发展问题已引起世界各国的重视。

2012年,住房和城乡建设部住宅产业化促进中心、内蒙古住房和城乡建设厅、中国建筑金属结构协会等单位在内蒙古包头市召开“高层钢结构住宅产业化技术现场交流会”,就浙江杭萧钢构股份有限公司在“万郡·大都城”项目中采用钢结构集成技术的经验进行了交流,此举体现了国家对建筑节能、提高建筑抗震性能的重视和关注。

 

二、模块建筑体系概述1.模块建筑的概念内涵(1)模块建筑概念。模块建筑是指在住宅构件工业化生产的基础上,采用模块化组装的方式来建造的住宅,是在工厂制造,再运输至项目现场进行安装的。模块建筑是由一系列形状为正方体、长方体及多边形体经组合叠加形成的建筑,其中每个模块,都具有自身完善的、设定的分项建筑功能,它可以是仅有门窗的空旷单元,也可以是厨房单元、卫生间单元、楼梯单元、阳台单元等,经在平面上和竖向上组合形成建筑师要求的总体完备的建筑功能,一经安装完毕,即可投入使用。(2)模块建筑的4个涵义。住宅建筑的标准化;住宅建筑的工业化;住宅生产、经营的一体化;住宅协作服务的社会化。

本文所述模块建筑主要为钢结构体系,模块工厂化整体预制现场装配,相比于上世纪苏联、东欧等国家建筑企业采用梁、柱、板等构件在工厂预制、工地装配的建筑,其工业化、产业化水平及质量水平均得到更大提高。

2.模块建筑的优势与推进难点

(1)模块建筑的优势。

第一,可持续性生态优势。可持续性是模块化住宅与传统建筑方式相比最明显的优势之一。建造过程中的集中生产也使得建造能耗低于传统手工方式,工业化生产改变了混凝土构件的养护方式,实现养护用水的循环使用;工厂化集中生产的方式,降低了建筑主材的损耗;装配化施工的方式,降低了建筑辅材的损耗;现场装配施工相较传统的施工方式,极大程度地减少了建筑垃圾的产生、建筑污水的排放、建筑噪音的干扰、有害气体及粉尘的排放。

第二,节能优势。模块建筑设计采用合理的窗墙比例,围护结构采用高质量的保温隔热复合墙板,隔绝了热桥,比现有同类钢筋混凝土建筑结构的能耗得到了较大幅度的降低。由于复合墙板具有较高的密度,热惰性指标高,隔热、隔声性能也好,其节能指标达到三步节能65%以上的要求,并向四步节能要求发展。同时,模块建筑可以组合成各种建筑平面和立面形式,美观大方,为人类居住、办公等提供了十分舒适的人文环境。

第三,抗震性能的优势。钢结构模块住宅建筑结构一般采用钢框架或钢框架——支撑结构体系。对于超高层建筑,则采用消能减震支撑结构体系,钢结构承载力高,延性好,且连接节点可靠,即使在大地震作用下,也可达到经一般维修仍可继续使用的性能目标,其抗震性能远高于现浇或装配式钢筋混凝土结构,确保了人们的生命和财产的安全。

第四,防渗漏以及隔声等建筑物理性能的优势。由于采用了高质量的复合墙板并具有较好的延性性能,能很好地适应总体结构因各种不同荷载作用产生的变形,确保外墙不开裂;对于接缝处,除采用密封胶封闭外,在里侧设置诱导水孔,以使接缝处可能发生的渗水诱导至水孔泄出,确保围护结构的水密性要求,卫生间采用隔水性能良好的柔性材料,杜绝了渗漏现象,营造了舒适干净的卫生间。

第五,施工效率及施工质量的优势。由于模块建筑95%以上的工作在工厂完成,不受季节或环境的影响,且模块元素的制作和组装都在生产流水线上完成,机械化程度高、效率高,在工地采用机械吊装,安装速度快。根据英国、美国相关经验,一幢1万平方米的高层钢结构住宅建筑楼在现场仅需1台吊车和10余个工人4个月内即能完成安装;而普通现浇钢筋混凝土结构的施工周期一般要在1年半以上,即使采用梁、柱、板构件装配式建筑或大板楼建筑等也需要1年以上。相比之下,钢结构模块建筑的施工速度比上述两种施工方法分别提高了两倍到3倍,由此可见,施工效率的提高是前所未有的。

此外,模块单元均在工厂建造,包括钢材加工、焊接框架、组装墙板和电气水暖设备都在工厂车间生产流水线上进行,精密程度高,并进行有效的质量检控,因此,模块建筑的施工质量远高于普通现场露天施工的建筑工程。

第六,节约材料及降低成本的优势。钢结构模块建筑标准化程度高,减少了材料的消耗,边角料在车间易回收再利用,可避免普通现浇钢筋混凝土建筑现场施工的浪费现象。同时考虑了工业废料的利用,如发电厂的粉煤灰,废弃的聚苯乙烯材料等经过加工制成各种墙板构件的部品,可以达到节约材料的目的。

钢结构模块建筑虽然用钢量略高于普通钢筋混凝土建筑,机械施工费用也较高,但结构重量轻,降低了地基处理费用,且可回收的材料应用较多,减少了原材料的浪费,特别是缩短了施工周期,减少了现场施工人员,降低了施工成本,资金回笼速度快。经综合对比,其建造成本可与普通钢筋混凝土建筑结构持平,是经济合理的。

(2)钢结构模块化住宅建筑的推进难点。目前,我国模块化建筑推进并不理想,钢结构模块化住宅也是如此。影响模块化住宅推广的主要原因有5点:

一是建造模块的预制工厂投资太大,运输、安装需要大型设备,建筑的单方面造价也较贵。

二是建筑形式。我国现在新开发的房屋建筑主要是高层建筑,在高层建筑的建设过程中,承重体系的计算非常重要,用模块化的形式去生产,面临不少困难。美国、日本的房屋大部分是独立住宅,与高层建筑相比,独立住宅用工业化的形式生产更有利。

三是劳动力成本。我国的建筑行业是劳动密集型的产业,吸纳了大量的剩余劳动力,劳动力成本便宜。住宅工业化生产与农民工现场生产相比,在生产成本上没有优势,这是影响住宅产业化的一个重要障碍。

四是运输成本和技术的问题。如何把在工厂生产的住宅运送到施工现场,也是一个必须面对的问题。笔者认为,影响我国住宅产业化快速发展的重要原因是我国的工业化水平总体上较低。

 张肇毅 张曦 杨志艳
来源:中国建设报