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实用技术

中国工业化建筑的沿革与未来

时间:2014/9/23 17:14:09 来源:陈振基 点击次数:7415
   笔者注:本文企图以笔者的亲身经历总结和展望我国的建筑工业化道路,第一节讲建国初期的情况,第二节讲唐山大地震对工业化的影响和预制技术的全面崩溃,第三节是现浇混凝土的兴起和预拌混凝土的发展,第四节是装配整体式建筑的复苏,最后第五节讲新时期发展建筑工业化的问题。欢迎读者批评指正。
    1  建筑工业化的初期——1950~1976年
    上世纪五十年代,我国完成了第一个五年计划,建立了社会主义工业化的初步基础,开始了大规模的基本建设,建筑工业快速发展。当时在全面学习前苏联的政治形势下,我国的设计规程,包括建筑设计、钢结构、木结构和钢筋混凝土结构设计规范全译自俄文,直接引用。国家级的设计院都聘有前苏联专家,设计水平和国际接轨,标准化和模数化被很快应用。在工业建筑方面,前苏联帮助建设的153个大项目大都采用了预制技术。各大型工地上,柱、梁、屋架和屋面板都在工地附近的场地预制,在现场用履带式起重机安装。可以说,那时工业建筑的工业化程度已达到很高的水平,只是墙体则还是用小块红砖手工砌筑。工业化的效果明显,使得国家认为要开展基本建设,必须先建设建筑基地,所以在1955年就在位于百万庄的北京工业建筑设计院下面成立了建筑基地设计院(即后来的东北建筑设计院建材分院),刘义基、陈松潮、吴正直都是这个设计院的骨干,笔者1956年曾在该[]院进修半年。1956年,国务院发布《关于加强和发展建筑工业的决定》指出:“为了从根本上改善我国的建筑工业,必须积极地有步骤地实行工厂化、机械化施工,逐步完成对建筑工业的技术改造,逐步完成向建筑工业化的过渡。”建筑工业化的方针,基本特征是设计标准化,构件生产工厂化,施工机械化(当时称之为三化)。标准构件在混凝土构件工厂内预制,到现场用机械安装。建筑工业化推动了建筑装配化与建筑机械化的发展。
    后来国家开始建设城镇,在居住建筑中也推行预制装配化,各种构件中标准化程度最高的当属空心楼板。开始时使用简单的木模,在空地上因陋就简翻转预制,待混凝土达到一定强度后再把组装成的圆芯抽出,预制场的投资极低,技术落后,手工操作繁多,效率和质量低下。百十来公斤的成品用人力抬起就位,根本无需吊装设备。后来多个大城市开始建设正规的构件厂,典型的如同北京第一构件厂(后来的榆构公司),用机组流水法以钢模在振动台上成型,经过蒸汽养护送往堆场,成为预制装配化的示范。此时全国混凝土预制技术突飞猛进发展,全国各地数以万计的大小预制构件厂雨后春笋般出现,成为住宅装配化发展的物质基础。东欧的预制技术也传至我国,北京市引进了东德的预应力空心楼板制造机(康拜因联合机),在长线台座上[为什么这里要加括弧?]一台制造机完成混凝土浇注和振捣、空心成型和抽芯等多个工序。这实际上是后来美国SP大板的雏形。70年代由东北工业建筑设计院(现中国建筑东北设计研究院有限公司)设计了挤压成型机(也称行模成型机)在沈阳试制成功,开创了国内预应力钢筋混凝土多孔板生产新工艺,后在柳州等地推广应用。
     墙体的工业化起始于上世纪50年代上海的硅酸盐砌块和哈尔滨的泡沫混凝土,它们是我国墙材革新的始作俑者,是颠覆传统红砖的先驱。
    上海的粉煤灰硅酸盐砌块以上海电厂排出的工业废渣——粉煤灰和炉渣为主要原料,掺入适量的石灰石膏,经过搅拌后浇注成型,饱和蒸汽养护后成为砌块,可以代替当地稀缺的粘土砖砌成墙体。这种砌块高380mm,重量在100kg以内,可以用轻便的起重设备(当时叫“少先吊”,以示小巧之意)安装。上海建筑科学研究院集中了当时强大的科技力量,沈旦申、吴正严、王福元、郑华和中国建科院建材室的余永年、水翠娟等做了出色的贡献,研究这种砌块的生产工艺、材料性能,配合设计院进行力学实验,使得上海从60年代到80年代三十年内建造了1500万m2的住宅,成为上海市多层住宅建筑的主要墙体材料。
     哈尔滨低温建筑研究所可能是我国最早从事建筑材料研究的专业机构,黄兰谷等人在学习前苏联技术的基础上开展了泡沫剂和泡沫混凝土的研究,发现这种轻质墙体比红砖有更好的热工性能,可以大大降低墙体重量。在当时社会还没有节能节材认识的形势下,可以说这是难能可贵的。1959年前苏联拉古钦科薄壁深梁式大板结构思想传入我国,其要点是把分室隔墙视作薄壁深梁的受弯构件,一改过去受纵向压力的设计思想。哈尔滨工大结构教研室朱聘儒大胆应用这种构思,建筑材料教研室的黄士元、陈振基、徐希昌等人配合试验轻质隔热材料,成功试制了复合预制外墙板,并建成了一栋盒子示范建筑。
    60年代在北京发展了多种大板建筑,其中有以小块砖为原料的振动砖板、以粉煤灰硅酸盐为原料的粉煤灰大板、受力层和绝热层复合成的混凝土大板,以及大板和红砖结合的内板外砖体系等。这些工业化住宅在北京和沈阳等地盛行一时,为解决城市居民的住房困难作出了一定的贡献,以北京为例,就建了前三门小区、水碓子小区,天坛小区,首钢小区等。下面的照片是八十年代建造的装配式住宅,多为六层。

   但是,政治上的动荡必然会反映到技术的发展上。1959年开始的“大跃进”也给预制技术带来了恶果。在“破除迷信,解放思想”口号影响下,许多结构构造被简化了,构造配筋被取消了,技术监督成为虚设,规范被视为“条条框框”,许多伪科学、伪技术被神化了,这给后来中国的技术大倒退埋下了伏笔。
   这个时期是我国历史上装配式建筑起步时期,哈尔滨工大、同济、清华、重建工和西安冶金建筑学院也都先后成立了混凝土预制专业。这个专业的许多毕业生后来在有关行政部门、设计院和研究所担当了领导。同时,建国初期派出的留学生毕业后陆续回国,学这个专业分配到中国建研院混凝土所的有龚洛书、吴兴祖、韩素芳,分配到同济大学的有庞强特,分配到重建工的有蒲心诚。他们后来都成为我国混凝土学术界的带头人。
这个时期的发展特点可以归纳为
1,主要技术来源是前苏联,和国际平均水平的差距不大。在建工部前苏联专家组的影响下,建工部起草的《关于加强和发展建筑工业的决定》以国务院的名义发布,在新中国的历史上首次明确了建筑工业化的方向。
2,大规模基本建设中彰显了预制技术的优越性,对节约三大材料(当时对钢筋、木材和水泥的统称)起了积极的作用。
3,科学研究跟不上建设的速度。许多技术没经过科学的验证和分析,多种专用材料(如绝热材料、密封材料、防水材料等)的性能尚不过关就用于实践,使得这个时期建造的预制装配式建筑物质量低劣,绝大多数经不起地震的考验,即使没有倒塌的,后来也因使用质量不佳而被拆除。
2唐山大地震后预制装配化的停顿——1976~1982年
1976年7月28日凌晨3点42分,唐山市丰南一带发生里氏7.8级大地震。短短23秒钟内,唐山被夷成废墟,68.2万间民用建筑中有65.6万间倒塌和受到严重破坏,造成24万人死亡,43.5万人受伤。
正如笔者2008年在深圳市建科院内部刊物《建科之声》所写的“‘安得广厦千万间,大庇天下寒士俱欢颜,风雨不动安如山’是杜甫的诗句,也是建筑人一生的志向。不料一场空前大地震惊醒了自己,痛苦的不单是同胞失去了亲人,尽毁家园,也为那些‘广厦’不但没有‘大庇天下安如山’,反而成了地震杀人的原凶而汗颜。”
上世纪70年代中国城市主要是多层的无筋砖混结构,即以小块粘土砖砌成的墙体承重,而楼板则多采用预制空心楼板。这种结构无法抵御垂直及水平的地震作用。特别是楼板间没有任何拉结,搭在墙上的支承面又少得可怜,于是墙体剪切破坏,楼板塌下,睡梦中的居民被本来应该庇护他们的建筑压死。
再者,上世纪50~70年代中国的装配式建筑学的是前苏联的技术。前苏联共产党中央和部长会议在1955年召开了一次“全苏混凝土及钢筋混凝土会议”,大力提倡使用装配式混凝土结构和配件。本文作者在1957年翻译和出版了会议6个分组会中的2个工作组资料。今天翻阅这些资料来看,会议目标主要推动装配式,会议报告也着重讨论结构形式、设计和制造、材料和设备,很少谈到节点构造和抗震问题,只是在一个分组会议最后的建议中提到要制定地震区采用装配式结构的设计标准和有必要召开一次研究在地震区使用装配式结构的问题。可见前苏联那时对抗震的经验是很匮乏的。事实上,我们预制建筑物的水平构件基本没有任何拉结,简单地用砂浆铺坐在砌体墙上,无配筋的砌体墙和无拉结的水平楼板造成了95%以上的建筑物倒塌。
大地震后人们的直觉是无筋砖混结构和预制楼板不抗震。预制楼板被称为“要命板”、“棺材板”。各地声讨预制构件的浪潮此起彼伏,全国建筑业开始加强注意抗震。北京、天津一带已有的砖混结构统统用现浇圈梁和竖向构造柱形成的框架加固。全国划分了抗震烈度区,颁布了新的建筑抗震设计规范,修订了建筑施工规范,规定高烈度抗震地区废除预制板,采用现浇楼板;低烈度地区在预制板周围加现浇圈梁,板的缝隙灌实,添加拉筋。此时工业化受到严重打击,全国数千座民用建筑的预制厂倒闭或转产,改为生产预制梁柱、铁路轨枕、涵洞管片、预制桩等制品。
这个时期的特点可以归纳为:
1,这次大地震正值国家十年浩劫,科学技术被极端蔑视,灾后国家没有组织任何技术调查,抗震救灾的政治意义远压倒建筑技术的探讨,导致片面和绝对地否定了推行几十年的装配式技术。
2,尽管也有人注意到,小块砖砌成的无配筋砌体墙无法承受水平地震作用,预制楼板简单地搁置在砌体墙上是导致楼板倒塌的主要原因,但是国人习惯的形象思维模式的特点是模糊性,重视直观和经验,通过直觉得到粗浅的印象,不做周密详细的分析,一棍子把预制装配化的工业化建筑全盘否定了。
3 现浇混凝土的兴起和预拌混凝土的发展——1982~2008年
这段时间,国外现浇混凝土被介绍到我国,建筑工业化被解释为现浇混凝土的机械化。砖石砌体被抛弃后,用大模板现浇配筋混凝土的内墙应运而生,现浇楼板的框架结构、内浇外砌和外浇内砌等各种体系纷纷出现。从80年代开始,这类体系应用极为广泛,因为它解决了高层建筑用框架结构时梁柱和填充墙的抗震设计复杂的问题,而现浇的配筋内横墙、纵墙和承重墙或现浇的筒体结构则形成了刚度很大的抗剪体系,可以抵抗较大的水平荷载,因此提高了结构物的最大允许高度。外墙则采用预制的外挂墙板。这种建筑结构体系将施工现场泵送混凝土的机械化施工和外挂预制构件的装配化高效结合,发挥了各自的优势,因而得到了很快的发展。
 在某些情况下,无法解决外墙板的预制、运输或吊装,可以采用传统的砌体外墙,这就是内浇外砌体系。 上世纪九十年代初至2000年前后,由于城市建设改造的需要,北京大量兴建的高层住宅基本上是内浇外挂体系,而起初的内浇外挂住宅体系是房屋的内墙(剪力墙)采用现浇混凝土,而楼扳则用工厂预制整间大楼板(或预制现浇叠合楼板),外墙是工厂预制混凝土外墙板,开始是单一的轻骨料混凝土,后来为提高保温效果,逐渐改为中间层用高效保温材料,采用平模反打工艺,墙板外饰面有装饰的条纹,这种内浇外挂墙板承受百分之二十至三十的地震水平荷载。
   2002年国家颁布行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3--2002),按北京地区抗八度地震设防要求,混凝土预制构件的应用受到许多制约[ 抗震要求提高整体性,因此抛弃预制装配式,这是个误区,环太平洋地区上百栋装配式建筑震而不倒就证明了这一点。请参考深圳市住房和建设局与亚洲混凝土协会合编,本文作者主编的《国外工业化建筑的经验文集》],建筑高度不超过50米(一般为16或18层以下),后来由于住宅高度不断提高,开发商建造二十层以上的高层住宅也逐年增加。由于预制混凝土楼板或预制外墙板节点处理的问题繁琐和为了进一步提高建筑整体性,这就用现浇混凝土楼板取代了预制大楼扳和预制承重的混凝土外墙板。在近15年里,这种住宅体系是当时的主要选择,成为现浇混凝土和预制混凝土构件相结合的重点时期,为北京的住宅建设做出重要贡献,尤其是三环、四环路和前三门区域内(如图左的照片)建成大量此类住宅,至今可以见到这样的高层住宅,成为北京一道亮丽的景观。

大模板现浇混凝土建筑的兴起,推动了中国预拌混凝土工业的发展。

以前混凝土基本是“自给自足”的“小农经济”方式,没有成为市场供应的商品。八十年代国内经济体制改革有突变,十二届三中全会提出发展商品经济。我们建筑业的混凝土也乘这个机会走向市场,面向全社会供应。那时的叫法是“商品混凝土”,以示与单位内部自用的混凝土不同。北京、上海、天津、无锡、沈阳等城市率先开始社会化供应大模板体系的混凝土完全由专业的搅拌站供应,定时定量,搅拌站配备了搅拌车运输、泵车输送浇注,技术逐步成熟。预拌混凝土作为一个独立的新兴产业真正开始起步发展。

工厂化的发展使预拌混凝土在我国大、中城市(尤其是东部地区)的年生产能力达到3,000m3以上,部分大城市的预拌混凝土产量已达到现浇混凝土总量的50%以上。

预拌混凝土的发展推动了混凝土技术的进步。搅拌站的规模趋于大型化、集团化,装备技术、生产技术和管理经验趋于成熟,泵送技术的使用普及,混凝土的强度等级有所提高,掺合料和外加剂的技术飞快发展。

虽然没有精确的统计数字,但现浇混凝土结构在大中城市的高层建筑比例应在80%以上。随着施工现场湿作业的复苏,现浇技术的缺点日以彰显,即使使用钢模,然而支模的手工作业多,劳动强度大,特别是养护耗时长,施工现场污染严重,工序质量对结构质量影响颇大。

这个时期的特点可以归纳为:

1,由于对抗震性能的重视,对装配式建筑节点从怀疑到抗拒,以及高层建筑的需要,建筑界把竖向承重体系设计成现浇结构,其他外墙围护结构和水平楼板设计成装配式部件,出现了一种新的建筑体系。

2,在新的建筑体系中,现浇混凝土的使用推动了预拌混凝土的发展,出现了一个新兴行业——预拌混凝土工业,带动了混凝土技术的飞跃发展。

3,现浇混凝土墙体比手工砌筑的墙体确实优越,但也有许多明显的缺点,不能满足日益增长的施工现场文明程度和对建筑质量、节约材料、加快施工速度的要求。建筑界迫切要求提出建筑工业化程度更加高的体系。

装配式混凝土建筑的整体性

上世纪末期中国的住房问题出现了极大的问题:商品房价格上涨过快,城市化的结果使得很多移居城市的人买不起房,甚至住不起房,在很多城市里出现了蜗居和蚁族。情况引起了市场和政府的重视。

另一方面,中国的劳动市场也发生了变化,简单的体力劳动力资源紧张,建筑业出现了人工短缺现象。有识之士认识到,长期以来,我国的建筑业以现场手工作业为主的传统生产方式不能再继续下去了,建筑工业化的问题重新摆在了人们的面前。

从建筑业转型发展的观点出发,用大工业化市场的方式建造房子,实现设计标准化、构配件工厂化、施工机械化和管理科学化的所谓四化再次进入人们的眼睑。

除了注意已有的建筑工业化方式外,人们特别注意减少劳动力用量、保证房屋施工质量和降低浪费节约资源等新课题。在新形势下,装配式结构的优势明显优于其他工业化建筑体系。但是装配式结构体系整体性能差,不能抵御地震的破坏的阴影仍然笼罩在建筑界,为了有别于过去的全装配式,出现了一个新的体系,在2008年前后得到了一个新的名称——装配整体式结构。最早形成法规文件的是深圳市住房和建设局2009年发布的深圳市技术规范SJG 18-2009《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》,只可惜规范名称中的“预制”和“装配”显得重复,特别是对照的英文Technical Code for Concrete Structures with Precast Components就是“带预制构件的混凝土结构”,与中文完全不一致。

装配整体式结构的特点是尽量多的部件采用装配式,相互间靠现浇混凝土连接措施结合,使装配后的构件及整体结构的刚度、承载力、恢复力特性、耐久性等类同于现浇混凝土构件及结构。


上海从来是建筑科技力量最强的城市之一,经过两年时间的编写,2010年发布了由同济大学、万科和上海建科院等单位联合编制的《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》DG/TJ 08-2071-2010,其中对装配整体式混凝土结构的定义是:“由预制混凝土构件或部件通过钢筋、连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构。”

这种结构体系是50年前学前苏联装配式建筑的一种提升,是经过多次痛苦的地震灾害后的总结,也适应了新发展时期对高层装配式建筑的需要。

新时期如何发展建筑工业化

随着国家对保障性住房建设的重视,建筑工业提供了绝佳的发展机会。面对繁重的保障性住宅建设任务,笔者提出新时期发展建筑工业化的几点意见:

1,回顾我国建筑工业化的发展历史,也参考香港和新加坡的经验,装配整体式混凝土结构可能是建造保障型住宅最好的结构体系。我们没有必要把时间和精力过多消耗在体系的研究上,已有成功的经验可以拿来为我采用。“空谈误国,实干兴邦”,这句话也适用于建筑工业化的推进中。

2,建筑工业化不要简单地理解为內浇外挂,把成本极高的预制外墙板当成最重要的预制构件,应该由易到难,由简到繁,参考笔者提出的工业化发展路线,从通用标准件(楼板、楼梯及内墙板)开始,进而研究专用非标件(外墙板和立体构件),最后试用结构承重构件,走一条符合国情的内墙板—楼梯和楼板—外墙板—立体构件—结构承重构件的发展道路

3,要用更宽阔的思路审视和评价建筑工业化。现在流传一种认识,即建筑工业化就是预制装配化,许多省市都把重点放在推广装配式或整体装配式钢筋混凝土结构体系上。有的文件甚至规定了最低预制装配率。这是典型的对建筑工业化的片面理解,当然,大城市可以走这条道路,但中小城市能这样干吗?难道中小城市建筑工业不要改造和进步吗?笔者认为,工业化不应该等同于构件预制化,举凡使用工厂生产的标准部品,包括门窗、龙骨、板面、钢筋骨架和钢筋网、预拌混凝土,乃至预制砌块,即使尚未组成为部件,但已是1995年建设部印发的《建筑工业化发展纲要》提到的系列化的通用建筑构配件和制品”,也应归为工业化制品,也是值得推广的。按此思路推进,我国城乡将出现众多的建筑配件和制品工厂,生产标准化的产品供市场选用。建筑设计将转为按工厂的产品目录组合,所有(或大部分)的部品为大批量生产的工业化产品,现场则是机械化的拼装,不论高低层住宅,均为工业化建筑,我国的建筑业面貌将大大改观。

4,政府要通过顶层设计,建立推进建筑工业化的路线图和时间表。要尽快组建通观全局的政策体系。政策体系中应解放思想,敢于创新,勇于提出突破性的考核和奖罚制度,改变目前预制件要征税的税收制度。技术层面上要在本地保障型住宅建设标准基础上,建立标准化体系,力求把标准化构件适用于通用的标准化住宅;要促进生产链体系的完善,把设计、研究开发、构件生产、机电部件、施工安装等行业科学整合起来,形成完整的建筑工业化的产业链。

5抓好示范工程。建筑工业化不能依靠某个发展商或建筑商的试点工程作榜样,要确定政府主导的保障型住宅示范工程,从立项和规划设计开始,全过程地按照现代化的模式组织实施。示范工程中不妨预拨一定比例的科研经费,组织各专业机构参与这个巨大的系统工作的试验。

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