我国装配式建筑应用现状及存在问题

李胜强 郭红燕 何勇毅 杨 博 张年文

(广东石油化工学院，广东 茂名 525000)

0 引言

目前，我国劳动力成本急剧上升、社会整体工业化水平大幅提升，而建筑行业仍然大量采用需要繁重现场手工作业的现浇混凝土结构。提高建筑行业工业化水平已是社会发展的迫切需要，推广采用装配式建筑是建筑业发展的必然趋势。

1 我国装配式建筑应用现状

我国装配式建筑从结构材料分主要有四大类，即钢结构装配式建筑、混凝土结构装配式建筑、钢—混凝土组合结构装配式建筑[1]及木结构。其中木结构由于我国森林资源有限，应用较少。

1.1 钢结构装配式建筑应用现状

由于钢结构的特点，其本身就是装配式的，甚至可以认为钢结构是目前最为成熟的装配式建筑。由于装配式钢结构具有轻质高强、抗震性能好；拆除时建筑垃圾少、绿色环保；施工效率高、工期短等显著优点，因此其应用越来越广泛。其应用主要包括以下领域：

1)大跨度结构。

钢材具有较高的抗拉、抗压强度，钢结构特别适用于大跨度结构。在大跨度位置设置钢结构进行跨越，空间布置比混凝土结构更加灵活方便[2]。体育馆、影剧院等单层大跨度建筑的屋盖结构，通常采用钢结构[3]。

2)需要快速建造的建筑物。

由于钢结构施工效率高、工期短、快捷高效，因此，对于需要快速建造的建筑物，如展馆、仓库、厂房等，通常也优先采用钢结构。

3)部分多、高层建筑。

钢结构轻质高强，有利于降低建筑物基础造价；此外，钢结构抗震性能优越、建造工期短。因此，部分多、高层建筑也选择采用钢结构。但是，由于钢结构在防腐、防火、保温等方面稍显复杂，特别是钢材不耐火，导致钢结构在高层建筑中的应用受到一定局限。

综上，目前装配式钢结构主要应用于单层大跨度建筑、工期紧的建筑，与混凝土结构相比，钢结构在高层建筑中应用较少。

1.2 混凝土结构装配式建筑应用现状

20世纪中叶至20世纪末，我国就已经建造了大量的装配式混凝土结构房屋，这些房屋大多是采用以空心板、大板为装配楼板的多层混合结构。20世纪70年代，我国就已初步创立装配式建筑技术体系，如大板住宅体系、大模板住宅体系、框架轻板住宅体系[4]。1989年，《建筑抗震设计规范》开始施行，由于现浇式混凝土结构的整体性优于装配式，并且随着人民生活水平不断提高，20世纪末至今，现浇式成为了混凝土结构房屋的主流。

随着社会发展，劳动力成本急剧上升，现浇混凝土结构需要繁重手工作业已逐渐与时代要求不相适应。2013年1月，国务院颁发《绿色建筑行动方案》，推广装配式结构。自此，装配式混凝土结构重新被重视，并在政策的大力推动下，近年来装配式混凝土结构从计算理论、节点连接、施工技术等各方面均进行了大量的探索，形成了一整套可操作的规范、流程。

当前我国装配式混凝土结构主要是装配整体式，其主要做法是：竖向构件通过套筒灌浆或浆锚搭接等方式连接[5,6]，然后安装预制梁、板，再浇筑梁板叠合层及节点混凝土形成装配整体式结构。此外，为了提高装配率，提高施工效率，一些非结构构件如预制楼梯、预制墙板、预制卫浴等也采用装配式。装配整体式是我国装配式混凝土结构目前的主流结构形式，全装配式的混凝土结构目前在我国应用较少[7]。

1.3 钢—混凝土组合结构装配式建筑应用现状

钢—混凝土组合结构由于充分发挥了钢材和混凝土各自优点，越来越得到重视。装配式钢—混凝土组合结构[8]与装配整体式混凝土结构相比，其做法主要是竖向构件采用钢管混凝土柱或钢管束混凝土剪力墙代替预制混凝土柱或混凝土剪力墙。施工时先安装钢管或钢管束，现场再在钢管空腔内灌注混凝土形成竖向构件。目前竖向构件有三种主要形式：

1)普通方钢管混凝土柱。

竖向构件采用普通方钢管混凝土柱，节点采用隔板贯通节点[9]，形成框架—支撑、框架—剪力墙或框架—现浇筒体等结构形式。目前该体系已有较为成熟的计算理论，并实际应用于工程项目。

2)方钢管混凝土异形柱[10]。

方钢管混凝土异形柱采用单根方钢管混凝土柱作为柱肢[9，11]，其截面形式为L形、T形或十字形(见图1)。单根方钢管混凝土柱通过缀条或缀板连接后，可明显提高柱肢的强度及抗侧刚度[12]。

方钢管混凝土异形柱住宅体系由天津大学陈志华等提出，其主要做法是，竖向构件采用方钢管混凝土组合异形柱、节点采用外肋环板节点、楼板采用现浇、墙体采用蒸压加气混凝土墙板。该住宅体系已列入相关设计规程并在部分工程项目中实施。

3)钢管束组合剪力墙结构体系[10,13]。

钢管束组合剪力墙结构体系由杭萧钢构股份有限公司研发，其充分结合了钢筋混凝土剪力墙和钢结构的特点，其做法为：预制墙状的密排钢管束，施工时先安装钢管束，再在钢管束空腔内灌注混凝土形成剪力墙(见图2)。这种体系承载能力、抗侧刚度、延性和抗震耗能等各方面性能指标均较为优越，可用于高层及超高层建筑。目前，该结构体系已逐步推广，应用于广州保利国际广场、武汉民生银行大厦等国内外一系列项目中。

1.4 木结构装配式建筑应用现状

我国木结构建筑历史悠久，但由于我国木材资源减少等原因，木结构的应用一段时间陷于停滞。随着社会对建筑节能、建筑工业化要求的提高，近年来木结构建筑有所复苏，而且出现了新的发展趋势。主要体现在，木结构由以往单纯用木梁、木柱通过榫卯连接形成传统木结构建筑的形式，发展为以复合木材料、木混合结构为主要应用方向的现代木结构建筑。

1)以复合木材料为结构材料的木结构建筑。

复合木材料以胶合木[14]为常用，胶合木是一种以较小规格的实木锯材，利用胶粘剂顺纹加压胶合而成的一种工程木，其质量均匀、强度较高，可作为多高层建筑的竖向承重构件，也可制作成拱、网架、网壳或桁架等，营造大跨度建筑空间。木结构的质感、色泽和纹理使得建筑更显生动、轻盈，深受建筑师及业主的喜爱，近年来应用越来越多。

2)木结构与其他结构材料混用的木混合结构建筑[15]。

这种木混合结构形式多样，有的是钢木混合，即结构体系由胶合木构件与钢构件混合构成，如钢框架—轻型木结构剪力墙[14]的钢木结构、钢框架—屋面木结构梁的钢木混合结构等；有的是混凝土结构与木结构混合，如上海世博会温哥华馆一层为钢筋混凝土框架—剪力墙结构，而2层、3层为木结构[14]，还有些是采用混凝土框架—轻型木结构填充墙[15]的混合结构。

木混合结构总体上布置比较灵活，可以发挥木与混合材料各自的优点，对于钢木混合结构，能实现快速装配施工，而混凝土—木混合结构，装配化的优势不明显。

2 目前我国装配式建筑存在的问题

虽然近年来我国装配式建筑取得了较快的发展，但是也存在一些问题。这些问题阻碍了装配式建筑的发展，必须设法解决。

2.1 钢结构装配式建筑存在的问题

钢结构装配式建筑存在的问题，实际上就是钢结构建筑存在的问题[16]。由于钢材存在不耐火、全寿命周期防腐成本高、节点连接较为复杂、保温隔热不易处理等问题[9]，导致钢结构建筑的应用受到很大的局限，至今无法成为主流结构形式。

在钢结构存在的问题中，以不耐火这一局限最为突出。未经防护的钢结构，耐火极限只有15 min～30 min；即使经过处理达到一级耐火等级，耐火极限也只有3 h。受到火灾影响的钢结构建筑，通常需要拆除重建。这样就使得钢结构建筑在高层建筑中的应用受到局限。

2.2 混凝土结构装配式建筑存在的问题

2014年以来，由于政策的大力推动，混凝土结构装配式建筑得到较快发展，但是混凝土结构装配式建筑存在一些亟待解决的问题。

1)竖向钢筋连接质量难以保证[17,18]。

目前，装配式混凝土结构竖向构件钢筋连接的主要方式是套筒灌浆连接或浆锚搭接连接[5]，这两种连接技术虽然都有相应的质量标准与技术规程，但都存在事后检测困难的问题。事后检测困难造成竖向钢筋连接质量难以保证，对装配式混凝土结构的可靠度造成一定影响。

2)对装配精度要求很高。

装配式混凝土结构在施工过程中，中大型构件吊装工程量大且对施工精度要求很高，施工困难，不仅影响工程进度，甚至影响工程质量。

3)建造成本偏高。

装配式混凝土结构预制构件重量大、不易标准化，导致运输、吊装成本上升[19]；此外，竖向构件连接预埋件多、装配与现浇经常混用等因素也增加建造成本。以多高层住宅建筑为例，据测算目前装配式混凝土结构与现浇式混凝土结构相比，成本普遍偏高[20]，部分造价偏高大于300元/m2。

4)装配式建筑设计、施工人才缺乏。

目前装配式建筑设计、施工人才缺乏，极大地妨碍了装配式建筑，特别是装配式混凝土结构的发展。此外，装配式混凝土结构标准化、模块化不够，导致设计、施工较为复杂，也增加了装配式混凝土结构推广应用的难度。

2.3 钢—混凝土组合结构装配式建筑存在的问题

钢—混凝土组合结构充分发挥了钢和混凝土各自的优点，近年来是装配式建筑的一个重要发展方向。目前钢—混凝土组合结构竖向构件大多使用钢管与混凝土的组合，因此也普遍存在钢结构防腐、防火、保温等共性问题。此外，不同类型的结构形式，还存在一些个性问题。

1)普通方钢管混凝土柱房屋。如果柱截面较大，则钢管对混凝土的约束作用不明显[8，9]，方钢管混凝土柱与普通钢筋混凝土柱相比没有明显优势；如果柱截面较小，则只能应用于荷载较小的建筑，应用受到局限。

2)方钢管混凝土组合异形柱房屋。梁柱节点构造复杂，异形柱肢平面外刚度小，容易发生破坏；施工也有一定难度。目前这种结构体系主要应用于轻型钢结构住宅中，其他类型建筑较少应用。

3)钢管束组合剪力墙结构房屋。体系中使用工字型钢梁作为水平构件，钢梁与钢管束的连接与普通钢结构基本相同。这种结构体系总体上属于钢结构，其主要是在竖向构件上有所改进。钢结构存在的问题在该体系中均有体现。

2.4 木结构装配式建筑存在的问题

现代木结构相比于传统木结构，采用复合木材料或木混合结构，极大拓展了木结构的发展空间。但是，木结构的发展总体上受到我国木材资源贫乏的局限；加上木结构存在防火、防腐、节点连接复杂等问题。因此，木结构房屋在我国目前应用较少。

3 对装配式建筑的一些看法

1)劳动力成本上升、社会工业化大发展，建筑业推广采用装配式是时代发展的必然要求、势不可挡。

2)装配式钢结构体系发展成熟，应大力推广使用。但是应在标准化设计、集成化生产方面加以提高，以充分发挥装配式的优势。

3)高层建筑拥有巨大的市场空间，而且量大、构件更易标准化。从这个角度，高层建筑最适宜采用装配式。但是高层建筑应用装配式时技术研发的系统性不够，缺乏全产业链一体化技术研究[4]，目前存在的一些问题阻碍了装配式建筑的发展。

4)与现浇式混凝土结构相比，目前装配式混凝土结构在建造成本、工期及质量上的比较优势不明显，甚至略显劣势，增加了被市场认可的难度。因此，在现有基础上，装配式混凝土结构仍需进一步降低预制、运输、吊装成本，提高现场建造速度，提高建筑产品质量。

5)从建筑工业化的角度，个人认为装配式混凝土结构可以考虑采用半装配式结构体系。将需要大量劳动力的复杂工序(如模板、钢筋)放在工厂预制，而商品混凝土工业化程度已经很高，可以尽量将混凝土浇筑工序留待现场完成。

预制构件可以考虑预留空腔或凹槽，以减小预制构件重量，降低运输及吊装成本；此外，在预制构件的预留空腔或凹槽内现场浇筑混凝土，可以提高结构整体性。这种做法可以兼具装配式结构及现浇式结构的优势。

4 结语

推广采用装配式建筑是时代发展的必然要求。装配式建筑中，钢结构、混凝土结构、钢—混凝土组合结构及木结构各有优势，但也各自存在一些问题。必须设法解决这些问题，才能消除装配式建筑发展的障碍。本文提出的半装配式结构体系是一种思路及设想，提供给业界参考。