預制混凝土結(jié)構(gòu)與抗震

　　預制混凝土結(jié)構(gòu)的初步運用階段是從預制構(gòu)件開始的，1891年巴黎公司Ed.coignet在Biarritz的俱樂部建筑中率先使用了預制混凝土梁。20世紀初，美國、德國等西方國家，開始建造由預制混凝土構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，由于戰(zhàn)爭的破壞，急需建造大量建筑物，促使預制混凝土結(jié)構(gòu)以其施工速度快、建設工期短、產(chǎn)品質(zhì)量高，并能節(jié)約大量勞動力等優(yōu)點長期處于發(fā)展和應用階段，在工程領域中發(fā)揮著較大的怍用。

　　1 預制混凝土結(jié)構(gòu)的建造和效益評價

　　預制混凝土結(jié)構(gòu)的建造方法，簡單說來，就是用起重機及其他運載施工機械將工廠化生產(chǎn)的預制混凝土構(gòu)件(如梁、板、柱)進行組合安裝的一種快速施工技術(shù)。其施工分為兩個階段：第一階段在工廠制作預制構(gòu)件，第二階段在現(xiàn)場安裝。預制混凝土結(jié)構(gòu)的建造工序為：設計、制作、運輸、安裝、裝飾等。

　　1.1  預制混凝土技術(shù)的經(jīng)濟優(yōu)勢

　　1.1.1混凝土預制產(chǎn)品在工廠控制條件下生產(chǎn)，質(zhì)量保證率高

　　與傳統(tǒng)的建筑工地現(xiàn)場澆筑混凝土工藝相比，工廠化生產(chǎn)勞動效率高，生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定。由于構(gòu)件的定型化和標準化，預制構(gòu)件比用其他施工方法生產(chǎn)的等效構(gòu)件可節(jié)省較多的材料和人工，且產(chǎn)品按既定標準嚴格檢驗出廠，故質(zhì)量保證率高。

　　位于美國夏威夷檀香山的阿拉莫那旅館，是一座38層的全預制的混凝土建筑，其樓板的整體厚度為152mm，包括63mm厚的預制預應力混凝土底板和89 mm厚的現(xiàn)澆疊合面層。若使用現(xiàn)場澆筑混凝土結(jié)構(gòu)，按照樓面荷載和跨度計算，樓板厚度要達到229mm。由于該建筑總體采用預制混凝土結(jié)構(gòu)，樓板采用預應力混凝土疊合結(jié)構(gòu)，僅樓蓋結(jié)構(gòu)就節(jié)省2 500mm厚的混凝土，不僅減輕了結(jié)構(gòu)自重，還節(jié)約柱、梁、抗震墻和基礎支撐體系的費用。

　　1.1.2建造速度快，對周圍的工作和生活影響小

　　預制構(gòu)件制作完成后，先臨時存放，然后直接運到施工現(xiàn)場安裝，可以緩解現(xiàn)場施工場地緊張的壓力，方便快捷。對于鬧市區(qū)的百貨公司、停車場、過街天橋這類工期緊、施工文明要求高的工程，尤其適用。預制構(gòu)件可在非交通高峰時刻運輸，如午夜車少的時候，可有效減少對周圍工作和生活的影響。如在洪都拉斯San Pedro Sula市Bufalo工業(yè)園區(qū)建造的預制預應力混凝土懸索人行撟，橋中央的橋塔由兩根柱支撐，主跨的預制橋面板和梁采用預制結(jié)構(gòu)，整座橋的組合安裝僅用時一個星期，而且施工過程中始終保證有兩個逆向的車道通行。

　　1.1.3使用材料、人工少，投資回收快

　　國外大量工程實例表明，采用預制混凝土結(jié)構(gòu)代替現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)可以節(jié)約550%，的混凝土和40％的鋼筋。據(jù)歐洲國家統(tǒng)計，按傳統(tǒng)建筑方法，每平方米建筑面積可節(jié)約人工25％～30％，降低造價10％一15％，縮短工期約50％左右。另外，預制混凝土結(jié)構(gòu)由于減少了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間，施工速度大大加快。從而縮短了貸款建設的還貸時間，縮短了投資回收周期，減少了整體成本投入，具有明顯的經(jīng)濟效益。澳大利亞悉尼有一棟13層的樓房，上部結(jié)構(gòu)均采用預制構(gòu)件，梁柱接頭采用的是預埋件焊接方法，柱與柱接頭采用預應力鋼筋連接(即通過施加預應力使柱與柱連接緊密)，采用預制的樓板和墻板，基礎采用預制樁基礎，僅承臺和基礎用現(xiàn)澆混凝土施工，其全部施工工期僅用了三個月。

　　1.2預制混凝土技術(shù)的環(huán)境效益

　　1.2.1建筑材料的節(jié)約可減少環(huán)境污染

　　建筑材料(如水泥、石子、砂子、鋼材、木材等)的節(jié)約不僅降低了采礦、加工和處理過程中的能耗，而且也由于能耗的降低而減輕了空氣的污染。實驗表明，生產(chǎn)一噸水泥大約有一噸的C02會釋放到大氣中。另外，節(jié)省建筑材料不僅節(jié)約了自然資源，也節(jié)約了能源，這種節(jié)約一直貫穿在建筑材料的開發(fā)、生產(chǎn)、運輸和安裝的全過程中。例如在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工中，臨時支撐、腳手架、模板等會耗費掉大量的木材、鋼材。

　　1.2.2施工技術(shù)的革新有利于工廠化生產(chǎn)

　　采用預制及半預制混凝土結(jié)構(gòu)，將減少現(xiàn)澆混凝土作業(yè)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑構(gòu)件實行工廠化生產(chǎn)，還可以將裝修和設計、施工一體化，有利于環(huán)境保護和減少施工擾民。

　　1.2.3建筑自重的減輕，有利于結(jié)構(gòu)防震

　　通過預制混凝土技術(shù)可建造輕質(zhì)高強的抗震結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)自重減輕，可以減少災后救援和災后重建的能源消耗，有利于生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的保護。目前預制混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過國內(nèi)外大量的工程研究和實驗，已經(jīng)達到了對任何常用的框架，都可以采用拼裝預制構(gòu)件的做法來建造具有抗震能力的整體結(jié)構(gòu)，從而解決了預制混凝土結(jié)構(gòu)在抗震區(qū)建造的難題，有助于預制混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應用。

　　2 預制混凝土結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展

　　2.1 我國預制混凝土結(jié)構(gòu)的應用現(xiàn)狀

　　我國預制混凝土結(jié)構(gòu)的應用起于20世紀50年代，借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗，在全國建筑生產(chǎn)企業(yè)推行標準化、工廠化和機械化，發(fā)展預制構(gòu)件和預制裝配建筑。從20世紀60年代初到80年代中期，預制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)經(jīng)歷了研究、快速發(fā)展、使用、發(fā)展停滯等階段，到20世紀80年代末，全國已有數(shù)萬家預制混凝土構(gòu)件廠，全國預制混凝土年產(chǎn)量達2500萬m3。20世紀80年代初期，建筑業(yè)曾經(jīng)開發(fā)了一系列新工藝，如大板、升板體系、南斯拉夫體系、預制裝配式框架體系等，但在進行了這些有益的實踐之后，均未有大規(guī)模的推廣。究其原因，主要有以下方面：(1)在建筑高度、建筑形式、建筑功能要求等方面有較大的局限；(2)受到當時的經(jīng)濟條件制約，建筑機具設備和運輸工具落后，運輸?shù)缆藩M窄，無法滿足相應的工藝要求，(3)受技術(shù)水平的限制，體系及構(gòu)件接頭處理不善，極易造成漏水，影響正常使用；(4)節(jié)點構(gòu)造復雜，受力可靠性差，尤其在地震設防區(qū)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，如唐山大地震時，大量磚混結(jié)構(gòu)遭到破壞使人們對預制混凝土樓板的應用更加保守；(5)勞動力價格低廉，自20世紀80年代初期我國改革開放后，農(nóng)村大量勞動者涌向城市，由于這些勞動者未經(jīng)過專門技術(shù)訓練，大部分投入了建筑工地，從事勞動強度大、收入低的現(xiàn)場澆筑混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工，從而使得需要有一定技術(shù)難度的預制混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展停滯。總之，這些客觀的技術(shù)經(jīng)濟條件嚴重阻礙了預制混凝土結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展。

　　目前，我國大部分地區(qū)，尤其有抗震設防要求的地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)基本為全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。工廠化的發(fā)展主要使得預拌混凝土有了較大發(fā)展，大、中城市(尤其是我國東部地區(qū))基本上都已擁有預拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力已達到3000萬m3以上，部分大城市的預拌混凝土產(chǎn)量已超過現(xiàn)澆混凝土總量的80％。預制混凝土產(chǎn)品主要是一些初級產(chǎn)品，如預制混凝土樓板等。

　　2.2 我國新型預制混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應用

　　進入21世紀后，伴隨著我國城鎮(zhèn)化和城市現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展，能源、礦產(chǎn)、水、土地等資源不足的矛盾越來越突出，生態(tài)建設和環(huán)境保護的形勢日益嚴峻，原來建立在我國勞動力價格相對低廉的基礎之上的建筑行業(yè)，正在面臨勞動力成本的不斷上升，逐漸成為制約我國建筑業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸。參照國際上建筑業(yè)的發(fā)展過程，當國內(nèi)生產(chǎn)總值達到人均1000-3000美元后，開發(fā)新型的預制混凝土結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)就成為解決傳統(tǒng)建筑人工化生產(chǎn)方式缺陷、促進建筑業(yè)快速發(fā)展的主要途徑。

　　基于上述觀點，作為2005—2006年參加了國內(nèi)首棟全預制方案的框架結(jié)構(gòu)建筑試驗研究。該項目全部結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件都采用預制形式，并按創(chuàng)新設計方法設計，該試驗樓結(jié)構(gòu)的特點是梁柱采用三維構(gòu)件的形式預制，現(xiàn)場通過后澆混凝土將各構(gòu)件連接形成框架承重體系，樓板采用疊合樓板，并通過延性節(jié)點設計，使其在平面內(nèi)能夠在地震作用下自由變形；外墻采用了工廠化生產(chǎn)的已進行了內(nèi)外裝飾的多種形式的混凝土墻板、復合幕墻等，廚房和浴室采用了整體預制、現(xiàn)場拼裝形式。

　　在設計過程中已考慮了機電管道的預留，既滿足運輸和安裝要求，同時減少了現(xiàn)場的濕作業(yè)。由于采用先進預制混凝土技術(shù)與輕質(zhì)保溫隔聲墻板相結(jié)合，提高了結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量和改善了使用功能。

　　通過對國內(nèi)首棟全預制方案的框架結(jié)構(gòu)建筑的全面試驗研究，在設計、施工上對新型預制混凝土結(jié)掏體均做了有益的探索。

　　試驗數(shù)據(jù)表明：新型預制混凝土結(jié)構(gòu)體系使建造過程和住宅產(chǎn)品更環(huán)保，資源利用更合理；工廠化的方式給客戶帶來品質(zhì)更高，性能更優(yōu)，更個性化的住宅產(chǎn)品。比如未來實現(xiàn)工廠化可以有效減少現(xiàn)場垃圾，材料損耗減少60％，建筑用材可回收率達到66％以上；建造人員減少89％；建造周期縮短70％有效地降低了能源的消耗。因此新型預制混凝土結(jié)構(gòu)體系具有較大的推廣意義。

　　3 結(jié)語

　　2l世紀前20年，是我國建筑業(yè)發(fā)展的鼎盛時期，每年建成的房屋面積將高達16～20億m2?？梢灶A見，隨著國家建筑政策的進一步完善，建筑材料性能的逐步改進和施工工藝水平的不斷提高，預制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展應用前景廣闊．