我國裝配式建筑應用現狀及存在問題

李勝強 郭紅燕 何勇毅 楊 博 張年文

(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

0 引言

目前，我國勞動力成本急劇上升、社會整體工業化水平大幅提升，而建筑行業仍然大量采用需要繁重現場手工作業的現澆混凝土結構。提高建筑行業工業化水平已是社會發展的迫切需要，推廣采用裝配式建筑是建筑業發展的必然趨勢。

1 我國裝配式建筑應用現狀

我國裝配式建筑從結構材料分主要有四大類，即鋼結構裝配式建筑、混凝土結構裝配式建筑、鋼—混凝土組合結構裝配式建筑[1]及木結構。其中木結構由于我國森林資源有限，應用較少。

1.1 鋼結構裝配式建筑應用現狀

由于鋼結構的特點，其本身就是裝配式的，甚至可以認為鋼結構是目前最為成熟的裝配式建筑。由于裝配式鋼結構具有輕質高強、抗震性能好；拆除時建筑垃圾少、綠色環保；施工效率高、工期短等顯著優點，因此其應用越來越廣泛。其應用主要包括以下領域：

1)大跨度結構。

鋼材具有較高的抗拉、抗壓強度，鋼結構特別適用于大跨度結構。在大跨度位置設置鋼結構進行跨越，空間布置比混凝土結構更加靈活方便[2]。體育館、影劇院等單層大跨度建筑的屋蓋結構，通常采用鋼結構[3]。

2)需要快速建造的建筑物。

由于鋼結構施工效率高、工期短、快捷高效，因此，對于需要快速建造的建筑物，如展館、倉庫、廠房等，通常也優先采用鋼結構。

3)部分多、高層建筑。

鋼結構輕質高強，有利于降低建筑物基礎造價；此外，鋼結構抗震性能優越、建造工期短。因此，部分多、高層建筑也選擇采用鋼結構。但是，由于鋼結構在防腐、防火、保溫等方面稍顯復雜，特別是鋼材不耐火，導致鋼結構在高層建筑中的應用受到一定局限。

綜上，目前裝配式鋼結構主要應用于單層大跨度建筑、工期緊的建筑，與混凝土結構相比，鋼結構在高層建筑中應用較少。

1.2 混凝土結構裝配式建筑應用現狀

20世紀中葉至20世紀末，我國就已經建造了大量的裝配式混凝土結構房屋，這些房屋大多是采用以空心板、大板為裝配樓板的多層混合結構。20世紀70年代，我國就已初步創立裝配式建筑技術體系，如大板住宅體系、大模板住宅體系、框架輕板住宅體系[4]。1989年，《建筑抗震設計規范》開始施行，由于現澆式混凝土結構的整體性優于裝配式，并且隨著人民生活水平不斷提高，20世紀末至今，現澆式成為了混凝土結構房屋的主流。

隨著社會發展，勞動力成本急劇上升，現澆混凝土結構需要繁重手工作業已逐漸與時代要求不相適應。2013年1月，國務院頒發《綠色建筑行動方案》，推廣裝配式結構。自此，裝配式混凝土結構重新被重視，并在政策的大力推動下，近年來裝配式混凝土結構從計算理論、節點連接、施工技術等各方面均進行了大量的探索，形成了一整套可操作的規范、流程。

當前我國裝配式混凝土結構主要是裝配整體式，其主要做法是：豎向構件通過套筒灌漿或漿錨搭接等方式連接[5,6]，然后安裝預制梁、板，再澆筑梁板疊合層及節點混凝土形成裝配整體式結構。此外，為了提高裝配率，提高施工效率，一些非結構構件如預制樓梯、預制墻板、預制衛浴等也采用裝配式。裝配整體式是我國裝配式混凝土結構目前的主流結構形式，全裝配式的混凝土結構目前在我國應用較少[7]。

1.3 鋼—混凝土組合結構裝配式建筑應用現狀

鋼—混凝土組合結構由于充分發揮了鋼材和混凝土各自優點，越來越得到重視。裝配式鋼—混凝土組合結構[8]與裝配整體式混凝土結構相比，其做法主要是豎向構件采用鋼管混凝土柱或鋼管束混凝土剪力墻代替預制混凝土柱或混凝土剪力墻。施工時先安裝鋼管或鋼管束，現場再在鋼管空腔內灌注混凝土形成豎向構件。目前豎向構件有三種主要形式：

1)普通方鋼管混凝土柱。

豎向構件采用普通方鋼管混凝土柱，節點采用隔板貫通節點[9]，形成框架—支撐、框架—剪力墻或框架—現澆筒體等結構形式。目前該體系已有較為成熟的計算理論，并實際應用于工程項目。

2)方鋼管混凝土異形柱[10]。

方鋼管混凝土異形柱采用單根方鋼管混凝土柱作為柱肢[9，11]，其截面形式為L形、T形或十字形(見圖1)。單根方鋼管混凝土柱通過綴條或綴板連接后，可明顯提高柱肢的強度及抗側剛度[12]。

方鋼管混凝土異形柱住宅體系由天津大學陳志華等提出，其主要做法是，豎向構件采用方鋼管混凝土組合異形柱、節點采用外肋環板節點、樓板采用現澆、墻體采用蒸壓加氣混凝土墻板。該住宅體系已列入相關設計規程并在部分工程項目中實施。

3)鋼管束組合剪力墻結構體系[10,13]。

鋼管束組合剪力墻結構體系由杭蕭鋼構股份有限公司研發，其充分結合了鋼筋混凝土剪力墻和鋼結構的特點，其做法為：預制墻狀的密排鋼管束，施工時先安裝鋼管束，再在鋼管束空腔內灌注混凝土形成剪力墻(見圖2)。這種體系承載能力、抗側剛度、延性和抗震耗能等各方面性能指標均較為優越，可用于高層及超高層建筑。目前，該結構體系已逐步推廣，應用于廣州保利國際廣場、武漢民生銀行大廈等國內外一系列項目中。

1.4 木結構裝配式建筑應用現狀

我國木結構建筑歷史悠久，但由于我國木材資源減少等原因，木結構的應用一段時間陷于停滯。隨著社會對建筑節能、建筑工業化要求的提高，近年來木結構建筑有所復蘇，而且出現了新的發展趨勢。主要體現在，木結構由以往單純用木梁、木柱通過榫卯連接形成傳統木結構建筑的形式，發展為以復合木材料、木混合結構為主要應用方向的現代木結構建筑。

1)以復合木材料為結構材料的木結構建筑。

復合木材料以膠合木[14]為常用，膠合木是一種以較小規格的實木鋸材，利用膠粘劑順紋加壓膠合而成的一種工程木，其質量均勻、強度較高，可作為多高層建筑的豎向承重構件，也可制作成拱、網架、網殼或桁架等，營造大跨度建筑空間。木結構的質感、色澤和紋理使得建筑更顯生動、輕盈，深受建筑師及業主的喜愛，近年來應用越來越多。

2)木結構與其他結構材料混用的木混合結構建筑[15]。

這種木混合結構形式多樣，有的是鋼木混合，即結構體系由膠合木構件與鋼構件混合構成，如鋼框架—輕型木結構剪力墻[14]的鋼木結構、鋼框架—屋面木結構梁的鋼木混合結構等；有的是混凝土結構與木結構混合，如上海世博會溫哥華館一層為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，而2層、3層為木結構[14]，還有些是采用混凝土框架—輕型木結構填充墻[15]的混合結構。

木混合結構總體上布置比較靈活，可以發揮木與混合材料各自的優點，對于鋼木混合結構，能實現快速裝配施工，而混凝土—木混合結構，裝配化的優勢不明顯。

2 目前我國裝配式建筑存在的問題

雖然近年來我國裝配式建筑取得了較快的發展，但是也存在一些問題。這些問題阻礙了裝配式建筑的發展，必須設法解決。

2.1 鋼結構裝配式建筑存在的問題

鋼結構裝配式建筑存在的問題，實際上就是鋼結構建筑存在的問題[16]。由于鋼材存在不耐火、全壽命周期防腐成本高、節點連接較為復雜、保溫隔熱不易處理等問題[9]，導致鋼結構建筑的應用受到很大的局限，至今無法成為主流結構形式。

在鋼結構存在的問題中，以不耐火這一局限最為突出。未經防護的鋼結構，耐火極限只有15 min～30 min；即使經過處理達到一級耐火等級，耐火極限也只有3 h。受到火災影響的鋼結構建筑，通常需要拆除重建。這樣就使得鋼結構建筑在高層建筑中的應用受到局限。

2.2 混凝土結構裝配式建筑存在的問題

2014年以來，由于政策的大力推動，混凝土結構裝配式建筑得到較快發展，但是混凝土結構裝配式建筑存在一些亟待解決的問題。

1)豎向鋼筋連接質量難以保證[17,18]。

目前，裝配式混凝土結構豎向構件鋼筋連接的主要方式是套筒灌漿連接或漿錨搭接連接[5]，這兩種連接技術雖然都有相應的質量標準與技術規程，但都存在事后檢測困難的問題。事后檢測困難造成豎向鋼筋連接質量難以保證，對裝配式混凝土結構的可靠度造成一定影響。

2)對裝配精度要求很高。

裝配式混凝土結構在施工過程中，中大型構件吊裝工程量大且對施工精度要求很高，施工困難，不僅影響工程進度，甚至影響工程質量。

3)建造成本偏高。

裝配式混凝土結構預制構件重量大、不易標準化，導致運輸、吊裝成本上升[19]；此外，豎向構件連接預埋件多、裝配與現澆經常混用等因素也增加建造成本。以多高層住宅建筑為例，據測算目前裝配式混凝土結構與現澆式混凝土結構相比，成本普遍偏高[20]，部分造價偏高大于300元/m2。

4)裝配式建筑設計、施工人才缺乏。

目前裝配式建筑設計、施工人才缺乏，極大地妨礙了裝配式建筑，特別是裝配式混凝土結構的發展。此外，裝配式混凝土結構標準化、模塊化不夠，導致設計、施工較為復雜，也增加了裝配式混凝土結構推廣應用的難度。

2.3 鋼—混凝土組合結構裝配式建筑存在的問題

鋼—混凝土組合結構充分發揮了鋼和混凝土各自的優點，近年來是裝配式建筑的一個重要發展方向。目前鋼—混凝土組合結構豎向構件大多使用鋼管與混凝土的組合，因此也普遍存在鋼結構防腐、防火、保溫等共性問題。此外，不同類型的結構形式，還存在一些個性問題。

1)普通方鋼管混凝土柱房屋。如果柱截面較大，則鋼管對混凝土的約束作用不明顯[8，9]，方鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱相比沒有明顯優勢；如果柱截面較小，則只能應用于荷載較小的建筑，應用受到局限。

2)方鋼管混凝土組合異形柱房屋。梁柱節點構造復雜，異形柱肢平面外剛度小，容易發生破壞；施工也有一定難度。目前這種結構體系主要應用于輕型鋼結構住宅中，其他類型建筑較少應用。

3)鋼管束組合剪力墻結構房屋。體系中使用工字型鋼梁作為水平構件，鋼梁與鋼管束的連接與普通鋼結構基本相同。這種結構體系總體上屬于鋼結構，其主要是在豎向構件上有所改進。鋼結構存在的問題在該體系中均有體現。

2.4 木結構裝配式建筑存在的問題

現代木結構相比于傳統木結構，采用復合木材料或木混合結構，極大拓展了木結構的發展空間。但是，木結構的發展總體上受到我國木材資源貧乏的局限；加上木結構存在防火、防腐、節點連接復雜等問題。因此，木結構房屋在我國目前應用較少。

3 對裝配式建筑的一些看法

1)勞動力成本上升、社會工業化大發展，建筑業推廣采用裝配式是時代發展的必然要求、勢不可擋。

2)裝配式鋼結構體系發展成熟，應大力推廣使用。但是應在標準化設計、集成化生產方面加以提高，以充分發揮裝配式的優勢。

3)高層建筑擁有巨大的市場空間，而且量大、構件更易標準化。從這個角度，高層建筑最適宜采用裝配式。但是高層建筑應用裝配式時技術研發的系統性不夠，缺乏全產業鏈一體化技術研究[4]，目前存在的一些問題阻礙了裝配式建筑的發展。

4)與現澆式混凝土結構相比，目前裝配式混凝土結構在建造成本、工期及質量上的比較優勢不明顯，甚至略顯劣勢，增加了被市場認可的難度。因此，在現有基礎上，裝配式混凝土結構仍需進一步降低預制、運輸、吊裝成本，提高現場建造速度，提高建筑產品質量。

5)從建筑工業化的角度，個人認為裝配式混凝土結構可以考慮采用半裝配式結構體系。將需要大量勞動力的復雜工序(如模板、鋼筋)放在工廠預制，而商品混凝土工業化程度已經很高，可以盡量將混凝土澆筑工序留待現場完成。

預制構件可以考慮預留空腔或凹槽，以減小預制構件重量，降低運輸及吊裝成本；此外，在預制構件的預留空腔或凹槽內現場澆筑混凝土，可以提高結構整體性。這種做法可以兼具裝配式結構及現澆式結構的優勢。

4 結語

推廣采用裝配式建筑是時代發展的必然要求。裝配式建筑中，鋼結構、混凝土結構、鋼—混凝土組合結構及木結構各有優勢，但也各自存在一些問題。必須設法解決這些問題，才能消除裝配式建筑發展的障礙。本文提出的半裝配式結構體系是一種思路及設想，提供給業界參考。