金鴻祥:芻議混凝土的預(yù)制和現(xiàn)澆
近年來,本人對把裝配化當作產(chǎn)業(yè)化、著力推進裝配化混凝土結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向一直持有疑義,怕盲目推廣造成不良后果,去年初花半個月時間寫成這篇帶有科普性的文章,已送有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門以供參考。最近又作了些修改,現(xiàn)發(fā)送給您,請予指正。
金鴻祥 2016.07.07
近年來,在推進住宅產(chǎn)業(yè)化的過程中,自上而下把預(yù)制混凝土裝配式建筑看作實現(xiàn)建筑工業(yè)化的途徑、普及綠色建筑的捷徑;卻無視當今機械化現(xiàn)澆混凝土的先進適用性,仍被看作是傳統(tǒng)的甚至是落后的施工方式,這種看法是不符合實際的,十分片面的。本人是學(xué)混凝土出身,與混凝土有不解之緣,50年來親歷了混凝土預(yù)制和現(xiàn)澆的發(fā)展變化。我認為:混凝土是一種在常溫條件下就能從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生高強度的獨特材料,因此就形成了預(yù)制和現(xiàn)澆兩種施工方式。預(yù)制是先在工廠里制作成混凝土構(gòu)件,然后運送到施工現(xiàn)場進行裝配連接,形成裝配式混凝土結(jié)構(gòu);現(xiàn)澆是在施工現(xiàn)場將混凝土直接澆注入模成型,形成整體混凝土結(jié)構(gòu)。鋼材則不然,在常溫下就是固態(tài),不可能現(xiàn)澆,必須在工廠里加工成鋼構(gòu)件,然后運送到施工現(xiàn)場焊接裝配。但是,混凝土從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)化是不可逆的,堅固的混凝土不能像鋼材那樣在高溫下可熔化成液態(tài),預(yù)制混凝土構(gòu)件也不能像鋼構(gòu)件那樣可以通過焊接熔合成一體。就確保混凝土建筑結(jié)構(gòu)的整體性和安全性而言,混凝土在施工現(xiàn)場澆筑成型才能真正發(fā)揮其獨特優(yōu)勢,這是其他材料無可比擬的。而預(yù)制混凝土構(gòu)件通過技術(shù)措施連接后形成的裝配式混凝土結(jié)構(gòu),無論在理論上還是實際上,其整體性和安全性都不如現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu);預(yù)制構(gòu)件之間的連接通常采用現(xiàn)澆混凝土(或采用鋼筋套筒灌漿),也就是將伸出兩個構(gòu)件的鋼筋(俗稱:胡子筋)共同錨固在現(xiàn)澆混凝土中來實現(xiàn)的,現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制混凝土構(gòu)件只是粘接而已,沒有也不可能連結(jié)成整體,因此,構(gòu)件連接部位是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),處理不當就會形成安全隱患,還可能發(fā)生滲漏和結(jié)露,解決構(gòu)件的連接及防水、保溫問題并確保其可靠性、耐久性,歷來是國內(nèi)外研究的技術(shù)關(guān)鍵,而現(xiàn)澆混凝土則不存在這些問題,這也是近30年現(xiàn)澆混凝土取得迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的根本原因。
混凝土通過近200年的發(fā)展,特別是最近50多年的發(fā)展,國內(nèi)外的預(yù)制和現(xiàn)澆技術(shù)都取得了巨大的進步,都實現(xiàn)了工業(yè)化。但客觀地說,國內(nèi)預(yù)制混凝土技術(shù)與國外尚有差距;而全國各地鱗次櫛比、拔地而起的混凝土高層建筑則說明:我國的現(xiàn)澆混凝土技術(shù)與國外相比毫不遜色。前幾年,為完成北京市住建委下達的調(diào)研課題,我收集和研究了混凝土發(fā)展的歷史資料。下面,我從混凝土的發(fā)展說起,回顧北京混凝土預(yù)制和現(xiàn)澆的發(fā)展情況,最后談幾點看法,供有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門參考。
一、混凝土的發(fā)展
混凝土是由膠結(jié)材(無機的、有機的或無機、有機復(fù)合的)、顆粒狀骨料以及必要時加入的化學(xué)外加劑和礦物摻合料等組分的混合物,加水進行攪拌,經(jīng)硬化后形成的具有堆聚結(jié)構(gòu)的復(fù)合建筑材料。通常所說的混凝土,是指以水泥為膠結(jié)材,以砂、石為骨料的普通混凝土。1824年,波特蘭水泥(即:普通硅酸鹽水泥)在英國問世后,很快出現(xiàn)了水泥砂漿和混凝土。1850年,法國發(fā)明鋼筋混凝土,解決了混凝土抗拉強度不足的問題,19世紀末,出現(xiàn)了鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范,自此以后,鋼筋混凝土技術(shù)不斷發(fā)展,廣泛用于各種建設(shè)工程,混凝土的用量急劇增加,已成為世界上用量最多的人造建筑材料,成為中、高層建筑不可或缺的主體結(jié)構(gòu)材料。
北京采用混凝土始于清朝末年,20世紀初葉建造的東交民巷和清華學(xué)堂,是迄今所知北京最早采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的磚混結(jié)構(gòu)建筑。1909-1911年建造的清華學(xué)堂西段門廳,采用了現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓柱,那時北京還沒有生產(chǎn)水泥,水泥應(yīng)該是從“唐山洋灰公司”運過來的,這也是北京人過去把水泥叫“洋灰”的原因。1939—1944年興建并投產(chǎn)的北京琉璃河水泥廠,是北京首家水泥廠,從此,北京可以用自己生產(chǎn)的水泥來建造磚混結(jié)構(gòu)房屋了。隨著水泥和混凝土技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,北京的建筑從低層發(fā)展到多層,又從多層發(fā)展到高層,并使混凝土從現(xiàn)澆到預(yù)制,又從預(yù)制到現(xiàn)澆,或預(yù)制、現(xiàn)澆相結(jié)合,形成安全可靠的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),滿足了經(jīng)濟社會和建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展的需要。
混凝土強度、流動性和耐久性是衡量混凝土性能的主要指標,在很長一段時期內(nèi)混凝土強度和施工流動性是難以解決的矛盾,混凝土現(xiàn)澆和預(yù)制技術(shù)的發(fā)展與此密切相關(guān)。1918年,美國最早提出了計算混凝土強度的水灰比理論,經(jīng)不斷完善沿用至今。強度與水灰比成反比,流動性與用水量成正比。水灰比低則強度高,為了提高強度而采用低水灰比時,新拌混凝土的流動性就會降低,影響施工操作,我們稱之為“工作性差”,在此情況下,只能通過增加用水量來提高流動性,同時必須相應(yīng)地增加水泥用量,以保持水灰比不變,才能保證強度指標。上世紀50年代,為了提高混凝土強度和節(jié)約水泥,便減少用水量,采用流動性較差的干硬性或半干硬性混凝土(坍落度0-5cm),同時采用振搗成型工藝使混凝土“液化”、實施澆注入模成型,以保證其密實度,加大了現(xiàn)澆施工的難度。因此,出現(xiàn)了在施工現(xiàn)場和工廠里預(yù)制混凝土構(gòu)件,然后運送到現(xiàn)場吊裝就位連接,這就是“裝配式建筑”,提高了施工效率和現(xiàn)場文明,但也增加了相關(guān)工序和費用。上世紀60年代,日本、德國發(fā)明了以高效能減水劑為代表的外加劑,其后又發(fā)明了混凝土運輸和泵送設(shè)備,使混凝土技術(shù)及其現(xiàn)澆技術(shù)取得了革命性的重大發(fā)展。在混凝土混合物中摻入高效減水劑可以大幅度地降低水灰比(可降至0.25—0.3)來提高強度,在不需要增加水和水泥的情況下,可提高新拌混凝土的流動性(坍落度可達20㎝以上),使混凝土的拌制、運送、泵送、澆注和成型等工藝過程變得十分容易,混凝土的性能也得到改善。上世紀80年代,北京緊跟國際潮流,學(xué)習和引進國外混凝土成套先進技術(shù),實現(xiàn)了混凝土由干硬性向流動性轉(zhuǎn)化,現(xiàn)澆混凝土的應(yīng)用取得發(fā)展,至90年代已基本形成了混凝土在商品混凝土站預(yù)拌生產(chǎn),用攪拌運輸車運送到施工現(xiàn)場,用泵送工藝(移動式混凝土泵車或現(xiàn)場設(shè)置混凝土固定泵和輸送管道)使混凝土“就地上樓”、澆注入模(定型模板)成型的成套機械化施工技術(shù),施工方便快捷,混凝土結(jié)構(gòu)整體性、抗震性好,實現(xiàn)了“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、質(zhì)量可靠”,充分發(fā)揮了混凝土的獨特優(yōu)勢,滿足了北京高層建筑迅速發(fā)展的需要。近10多年來,外加劑和摻合料已成為混凝土的重要組分,采用“雙摻法”(即:同時摻加外加劑和摻合料)可以配置出高性能混凝土,有效地提高混凝土的強度、工作性能和耐久性能,使混凝土發(fā)展成為性能更加優(yōu)良的綠色建材,也推動了北京現(xiàn)澆混凝土技術(shù)的進一步發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,2013年北京鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所占比例高達87%,基本上都是現(xiàn)澆混凝土。
二、預(yù)制混凝土的發(fā)展
上世紀50年代初,北京的混凝土逐步由人工攪拌改為攪拌機攪拌,并在工程施工現(xiàn)場支模板、澆注混凝土。不久,開始推行干硬性混凝土,給現(xiàn)澆施工增加了難度,各建筑公司便從現(xiàn)場預(yù)制開始,相繼建立半永久性鋼筋混凝土構(gòu)件廠,露天預(yù)制生產(chǎn)磚混結(jié)構(gòu)所需的混凝土梁板通用構(gòu)件,然后運送到施工現(xiàn)場吊裝就位,與工程其他結(jié)構(gòu)部位相連接。1955年,在東郊百子灣動工興建北京第一建筑構(gòu)件廠,生產(chǎn)工藝參照蘇聯(lián)列寧格勒構(gòu)件廠,機械化流水作業(yè),從法國引進每小時產(chǎn)量50立方米的混凝土攪拌站。1958年正式投產(chǎn),主要產(chǎn)品為混凝土屋面板和空心樓板。1958年在西郊蘆溝橋籌建北京第二建筑構(gòu)件廠,主要產(chǎn)品是混凝土空心樓板和橋梁構(gòu)件。1958年成立北京東郊十里堡構(gòu)件廠,后發(fā)展為北京第三建筑構(gòu)件廠,1980年更名為北京住宅壁板廠,占地500畝,設(shè)計年生產(chǎn)能力16萬立方米,是北京裝配式混凝土大板建筑的生產(chǎn)基地,并被譽為亞洲最大的預(yù)制構(gòu)件廠或房屋工廠。
北京的預(yù)制構(gòu)件用于高層混凝土結(jié)構(gòu)是從裝配式框架結(jié)構(gòu)開始的。1959年,8-12層北京民族飯店首次采用預(yù)制裝配式框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。1960年,14層的北京民航大樓;1974年,建國門16層外交公寓等,都采用工廠預(yù)制框架梁柱,運至施工現(xiàn)場裝配,節(jié)點現(xiàn)澆連接。1974-1977年,在廠橋、東大橋、安定門、西二環(huán)路和雙井等處興建一批9-14層裝配式框架-剪力墻結(jié)構(gòu)住宅,1975-1983年,還研究建成了一批5-6層的裝配式框架輕板住宅,都采用加氣混凝土條板拼裝的內(nèi)、外墻板,梁和樓板為預(yù)制,柱子先是預(yù)制,1976年唐山地震后改為現(xiàn)澆。上世紀80年代起,由于現(xiàn)澆混凝土技術(shù)的發(fā)展和出于抗震安全的考慮,北京框架-剪力墻的高層建筑都采用現(xiàn)澆混凝土施工,以提高結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。北京沒有再建裝配式框架結(jié)構(gòu)建筑。
北京預(yù)制混凝土發(fā)展的高峰是形成裝配式混凝土大板住宅(簡稱:大板住宅)建筑工業(yè)化體系。大板住宅是在工廠用混凝土預(yù)制成內(nèi)外墻板、樓板、屋面板等大型構(gòu)件,然后運送到施工現(xiàn)場進行裝配和連接而成。這種工業(yè)化建筑體系起源于20世紀40年代,是歐洲國家(如:蘇聯(lián)、法國等)為解決第二次世界大戰(zhàn)造成的房荒和勞動力不足而研究開發(fā)的,適應(yīng)了戰(zhàn)后大規(guī)模住宅建設(shè)的迫切需要,上世紀60-70年代發(fā)展成熟,東歐和蘇聯(lián)應(yīng)用量較大。
1958年7月,北京組織城市建設(shè)訪問團赴蘇聯(lián)參觀學(xué)習,當時莫斯科正在大力推行裝配式大板住宅,約占住宅建筑總面積的40%。北京以學(xué)習蘇聯(lián)裝配式建筑技術(shù)為基礎(chǔ),迅速組織進行大板住宅的試驗研究,并于1958年11月在小黃莊建工部建筑科學(xué)研究院(現(xiàn)中國建筑科學(xué)研究院)內(nèi)首次建成1棟2層裝配式混凝土大板試驗樓(已拆除)。1960年,在復(fù)興門外羊坊店建成1棟5層混凝土薄腹大板試驗住宅,建筑面積為3744平方米,這棟樓經(jīng)抗震加固,尚在使用。
1964~1974年,首次完成了裝配式大板住宅標準設(shè)計圖,建立了大板生產(chǎn)基地和專業(yè)施工隊伍,在水碓子、龍?zhí)逗?、左家莊、三里屯、新中街等5個住宅小區(qū),建成4--5層大板住宅建筑86棟,約25萬平方米,內(nèi)墻采用厚140㎜的振動磚壁板,外墻為厚240—280㎜的整間混凝土夾芯墻板。
1975年前后,把多層大板住宅的內(nèi)墻板改為普通混凝土大板,形成了“76板住1”、“77板住1”等多層大板住宅標準設(shè)計。外墻板有兩種,一種是以加氣混凝土為保溫層的混凝土夾芯板,另一種輕骨料混凝土板,樓板采用預(yù)應(yīng)力整間混凝土大樓板。其間,開始研究發(fā)展高層大板建筑,在天壇南小區(qū)東端1號樓首次進行10~11層裝配式大板住宅試點,恰遇1976年7月28日唐山大地震波及北京的考驗,經(jīng)專家檢查,證實該住宅的結(jié)構(gòu)體系能滿足原設(shè)計抗7度地震的要求,允許繼續(xù)建造2~4號高層裝配式大板住宅樓。1976~1979年,在和平里和天壇東側(cè)路興建了11層和12層裝配式大板建筑。
1978--1985年,裝配式大板建筑技術(shù)日益成熟,形成完整的建筑工業(yè)化體系。
一是具有多層和高層大板住宅的系列標準設(shè)計;
二是具有年產(chǎn)18萬立方米混凝土大板配套構(gòu)件、折合裝配式大板建筑面積50萬平方米的生產(chǎn)基地—占地500畝、生產(chǎn)工藝和設(shè)施先進的北京住宅壁板廠;
三是具有兩個大板建筑專業(yè)化施工公司(即:北京住宅二公司、五公司),配備了10多個專業(yè)施工隊,采用統(tǒng)一的施工工藝和成套的施工機具(包括大板運輸車、靠放架、現(xiàn)場插放架、墻板安裝操作平臺、專用固定器具、安全抱角架、窗口緊線器、支撐及空腔車等20余種);
形成了裝配式混凝土大板住宅科研、設(shè)汁、生產(chǎn)、施工一體化優(yōu)勢,提高了大板住宅成片建設(shè)的速度和質(zhì)量。在此期間,先后建成了裝配式多層和高層大板住宅占較大比例的的團結(jié)湖住宅區(qū)、左家莊住宅區(qū)、西壩河住宅區(qū)、五路居住宅區(qū)等。1984年,在和平里興化路建成16層塔式大板住宅。北京市的裝配式大板住宅在1983~1985年形成建設(shè)高潮,年竣工面積遞增到52萬平方米。那些位于東北三環(huán)的裝配式大板住宅群高低錯落、昂首挺立,記載著當年大板住宅建設(shè)的興旺。
1985年開始的經(jīng)濟體制改革打破了計劃經(jīng)濟的“大鍋飯”,引發(fā)了不同類型房屋建筑的性能和價格競爭。特別是迅速發(fā)展的機械化現(xiàn)澆混凝土建筑,其性價比明顯高于裝配式混凝土建筑,并適應(yīng)了高層建筑的發(fā)展和市場的多樣化需要。在市場競爭中,裝配式大板住宅竣工面積逐年下降。大板生產(chǎn)基地----住宅壁板廠的產(chǎn)品滯銷,銷售滑坡,1988年企業(yè)出現(xiàn)虧損,越虧越多,1989年,在十里堡后八里莊小區(qū),由北京住總組織建造的2棟18層大板住宅(單棟建筑總面積為10300平方米),竟成為大板住宅的絕唱。1991年2月經(jīng)北京市建委同意,撤銷住宅壁板廠建制,裝配式大板住宅也退出北京建筑市場。
裝配式大板住宅是北京最早研究發(fā)展并形成規(guī)模的建筑工業(yè)化體系,現(xiàn)場作業(yè)量少,施工速度快,受季節(jié)影響小,施工環(huán)境整潔文明,1958—1991年,北京累計建成裝配式大板住宅386萬㎡,其中10層以上為90萬㎡,高峰期曾占北京市住宅年竣工量的10%左右,為北京成片、大規(guī)模住宅區(qū)的快速開發(fā)建設(shè)作出了貢獻。但是,在市場經(jīng)濟條件下,裝配式混凝土大板住宅卻被淘汰出局,大致有以下原因:
一是大板住宅體系未能解決設(shè)計標準化與多樣化的矛盾,難以適應(yīng)人民生活水平提高對住宅建筑平面多樣化和使用功能提升的要求;
二是唐山大地震后,人們對建筑物的抗震安全性尤為關(guān)注,裝配式大板住宅的結(jié)構(gòu)整體性和抗震安全性不如現(xiàn)澆混凝土建筑。
三是北京機械化現(xiàn)澆混凝土迅速發(fā)展,施工速度逐步加快,可以與裝配式預(yù)制混凝土相媲美。
四是大板生產(chǎn)建廠投資大,構(gòu)件價格高,加上構(gòu)件運輸、裝配等費用,造成建筑造價增高,當時多層大板住宅的價格高于磚混住宅,高層大板住宅的價格高于現(xiàn)澆混凝土住宅,因此失去了市場競爭力。從1992年至今,北京未建裝配式混凝土大板建筑。
1990年后,由于北京現(xiàn)澆混凝土成套技術(shù)的迅速發(fā)展,以及技術(shù)、經(jīng)濟等方面的原因,北京混凝土預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)量開始下降。大板住宅停建后,混凝土復(fù)合外墻板曾在現(xiàn)澆混凝土大模建筑中占一席之地,后因板縫滲漏和價格較高,也逐漸淡出北京的建筑市場。但是,少量高檔次帶裝飾面的預(yù)制混凝土夾心保溫外掛墻板和剪力墻板仍在北京榆樹莊構(gòu)件廠生產(chǎn),技術(shù)上有所改進和創(chuàng)新。
據(jù)統(tǒng)計,1988年上等級的混凝土構(gòu)件廠有169家(其中全民43家),生產(chǎn)能力約210萬立方米,1985-1986年的產(chǎn)量為160-170萬立方米,1988年為120萬立方米,1990年后,北京的混凝土構(gòu)件廠進入低谷,出現(xiàn)停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)。截止2012年,北京仍然在生產(chǎn)的混凝土構(gòu)件企業(yè)約有50個,主要分布在郊區(qū)的平原地區(qū),生產(chǎn)各類混凝土預(yù)制構(gòu)件總產(chǎn)量約140萬立方米,主要是橋梁、地鐵等市政構(gòu)件,占總產(chǎn)量的80%以上,建筑構(gòu)件不足總產(chǎn)量的20%。
半個世紀以來北京預(yù)制混凝土構(gòu)件,特別是裝配式預(yù)制混凝土大板建筑的興衰起落歷程,值得進一步總結(jié)研究,這對于如何結(jié)合國情和工程實際推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化,具有借鑒和啟示作用。
三、現(xiàn)澆混凝土的發(fā)展
上世紀50年代初期,北京就在施工現(xiàn)場澆注混凝土框架結(jié)構(gòu),相繼興建了和平賓館、新僑飯店、國際飯店、北京飯店西樓和前門飯店,當時的現(xiàn)澆方式簡單而落后,耗用大量的人工和木材。
上世紀70年代中期,北京開始研究和發(fā)展鋼筋混凝土高層建筑,采取因地制宜、從實際出發(fā)、混凝土預(yù)制裝配化和現(xiàn)澆機械化施工并舉的做法,同時開展了4類高層建筑結(jié)構(gòu)體系的試驗研究、工程試點和推廣應(yīng)用,即:1. 裝配式混凝土大板;2. 現(xiàn)澆混凝土剪力墻;3. 現(xiàn)澆混凝土框架-剪力墻;4. 現(xiàn)澆混凝土滑模。經(jīng)過工程實踐的較量,現(xiàn)澆混凝土剪力墻大模建筑拔得頭籌,5年累計的竣工建筑面積超過了預(yù)制混凝土裝配式大板住宅20年的總和。
現(xiàn)澆混凝土大模建筑是采用大型工具式模板在現(xiàn)場組裝,以機械化的方法在現(xiàn)場澆注混凝土承重墻體而建造的房屋,適用于內(nèi)墻較多的住宅、旅館等。因采用大模板施工工藝,便把這種現(xiàn)澆混凝土建筑簡稱作“大模建筑”。法國、瑞典等國從上世紀50年代開始,廣泛采用大模板現(xiàn)澆混凝土工藝建造高層混凝土墻體的房屋。值得注意的是:蘇聯(lián)和東歐,這些推崇裝配式混凝土建筑的國家上世紀60年代也發(fā)展現(xiàn)澆混凝土建筑。日、德是發(fā)明高效減水劑、商品混凝土及運輸車、泵送設(shè)備的國家,為現(xiàn)澆混凝土的發(fā)展作出了重大貢獻。30年前,我們北京住總采用的混凝土攪拌運輸車和混凝土泵車,就是從日本購買的?,F(xiàn)在一說日本,就是裝配式混凝土技術(shù)如何先進,似乎已經(jīng)取代了現(xiàn)澆混凝土,這肯定是片面的。
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北京1974年起,在建國門橋東北側(cè)3棟14-16層外交公寓進行現(xiàn)澆混凝土大模板體系高層住宅試點,采用內(nèi)墻現(xiàn)澆,外墻、樓梯、隔墻等預(yù)制。
1976年開始興建的“前三門”大街9~16層的34棟住宅和旅館,全面采用大模板現(xiàn)澆混凝土內(nèi)墻和預(yù)制混凝土保溫外墻板相結(jié)合的體系,簡稱為“內(nèi)澆外掛(板)”;1977年,在勁松住宅區(qū)開始試點并推行大模板現(xiàn)澆混凝土內(nèi)墻和砌筑清水磚外墻相結(jié)合的體系,簡稱為“內(nèi)澆外砌(磚)”;樓板、樓梯、陽臺等均為預(yù)制,形成了“內(nèi)澆外掛”和“內(nèi)澆外砌”兩種小開間大模板成套技術(shù),在全市10-16層住宅成街成片大量推廣應(yīng)用。采用保溫外墻板和37㎝磚墻是為了確保外墻的熱工性能,提高居住舒適度。
北京大模體系建筑的施工,一開始是用中型模板組合成大模板,后來發(fā)展制作整間墻面的鋼質(zhì)大模板,1978年開展大模板設(shè)計會戰(zhàn),解決了大模板制作、安裝的關(guān)鍵問題。在成功進行現(xiàn)澆混凝土大模建筑施工方法的試驗研究和工程實踐后,大?,F(xiàn)澆混凝土剪力墻高層建筑取得迅速發(fā)展。
上世紀50年代以來,國內(nèi)建筑界曾普遍認為預(yù)制裝配是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的唯一道路。機械化現(xiàn)澆混凝土施工的成功實踐,“打破了只有混凝土預(yù)制裝配才是建筑工業(yè)化的框框”,證明了現(xiàn)澆混凝土也能實現(xiàn)建筑工業(yè)化,更能發(fā)揮混凝土的獨特優(yōu)勢,提高結(jié)構(gòu)整體性和抗震安全性。其后,北京的現(xiàn)澆混凝土施工按照建筑工業(yè)化的要求,推進建筑設(shè)計和工具式模板的標準化、多樣化,推進商品混凝土及泵送技術(shù)、鋼筋連接技術(shù)和建筑制品的發(fā)展,推進建筑施工全過程的機械化,大?,F(xiàn)澆剪力墻建筑體系成套技術(shù)日趨完善,取得更快的發(fā)展。
1984年起,研究和應(yīng)用“底層大空間、上層大開間大模板高層建筑技術(shù)”,進行12—18層板式商住樓試點。1990年后,北京相繼開展30%和50%建筑節(jié)能,外墻內(nèi)保溫和外保溫技術(shù)逐步成熟,為適應(yīng)建筑多樣化和18層以上高層建筑的市場需求,高層住宅采用內(nèi)外墻全現(xiàn)澆混凝土的大模板施工,由小開間向大開間發(fā)展。1994年起,在望京新城全面興建18~30層全現(xiàn)澆大模板住宅。在混凝土外墻上再做外保溫或內(nèi)保溫,形成復(fù)合墻體,可滿足建筑節(jié)能的需要。
北京現(xiàn)澆混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展,適應(yīng)了市場經(jīng)濟新條件下北京高層建筑快速發(fā)展的需要,也拉動了商品混凝土、工具式模板、泵送設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。北京的各大建筑公司和都建立了商品混凝土攪拌站和模板公司;1988年,全市已有17個商品混凝土攪拌站,年產(chǎn)量達130萬立方米,超過了同年全市混凝土構(gòu)件廠的構(gòu)件產(chǎn)量。有些混凝土構(gòu)件廠生產(chǎn)停滯,先后轉(zhuǎn)產(chǎn)商品混凝土。2000年,具有資質(zhì)的商品混凝土攪拌站增加到56個,年產(chǎn)量達到891萬立方米;2010年,商品混凝土攪拌站增加到169家,年產(chǎn)量達到4764萬立方米。滿足了北京大規(guī)模的房屋建設(shè)和市政建設(shè)的需要;現(xiàn)在,從混凝土外加劑、摻和料生產(chǎn)到商品混凝土生產(chǎn)、運輸、泵送上樓、澆注入模以及專業(yè)化模板生產(chǎn),已形成了“成套技術(shù)”。預(yù)拌混凝土采用泵送工藝已達80%以上,混凝土泵車的輸送高度可達50米,混凝土固定泵的輸送高度可達300米;混凝土平均強度等級從上世紀80年代以前長期徘徊的C20(Mpa20),發(fā)展到以C30、 C40為主,C50、 C60也已大量使用,完全可以滿足各種建筑工程現(xiàn)澆混凝土機械化施工的需要。資料顯示:至2001年末,北京累計建成各種大模建筑5660萬平方米,其中10層以上住宅4600萬平方米,占同期10層以上住宅竣工總面積的70%以上。進入21世紀后,機械化現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(包括:剪力墻結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu),框架結(jié)構(gòu))在北京建筑中應(yīng)用的比例達80%以上。
現(xiàn)澆混凝土大模建筑是北京發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的建筑工業(yè)化體系,是名副其實的“中國特色”、“北京創(chuàng)造”,凝聚著北京建筑界的智慧和心血。大模建筑之所以取得迅速發(fā)展,是因為它確實具有諸多優(yōu)勢。
首先,現(xiàn)澆混凝土大模建筑的結(jié)構(gòu)整體性好,因而抗震性能好,能做成大開間、大空間,滿足市場對建筑多樣化的需要,適應(yīng)我國大中城市人多地少、發(fā)展高層建筑的需要;
第二,現(xiàn)澆混凝土工藝設(shè)備簡單,一次投資少,技術(shù)容易掌握,便于普及推廣,技術(shù)經(jīng)濟效果好;
第三,現(xiàn)澆混凝土大模建筑成套技術(shù)先進適用,施工速度快,工程質(zhì)量好,是以機械化為核心的建筑工業(yè)化的新形式和新發(fā)展。
目前,北京的商品混凝土技術(shù)、工具式模板技術(shù)、機械化施工技術(shù)等正向著建筑工業(yè)化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展,拉動了諸多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,基本形成了機械化現(xiàn)澆混凝土完整的產(chǎn)業(yè)鏈,因而保證了北京現(xiàn)澆混凝土建筑的持續(xù)發(fā)展。
四、我的一些看法
1 正確認識建筑工業(yè)化
建筑工業(yè)化是上世紀40年代歐洲工業(yè)革命和新建筑運動后形成的新概念,“實行工廠預(yù)制、現(xiàn)場機械裝配”是建筑工業(yè)化最初的雛形。二戰(zhàn)后,歐洲國家在亟需解決大量住房而勞動力又嚴重缺乏的情況下,裝配式混凝土建筑應(yīng)運而生,迅速發(fā)展。我國建國初期學(xué)習蘇聯(lián)建設(shè)經(jīng)驗,明確以“三化”(標準化、工廠化、機械化)為內(nèi)容推行建筑工業(yè)化,北京從1958年起,學(xué)習、研究和推廣蘇聯(lián)的裝配式預(yù)制混凝土大板建筑,20年來國內(nèi)普遍認為裝配式混凝土建筑是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的唯一道路。裝配式大板建筑確實具有現(xiàn)場工作量和現(xiàn)場用工少,施工速度快,施工現(xiàn)場文明等優(yōu)勢,當時提倡采用的干硬性或半干硬性混凝土也適合于工廠預(yù)制生產(chǎn)。但大板建筑也存在混凝土構(gòu)件廠建廠投資大、時間長,構(gòu)件生產(chǎn)成本高,加上構(gòu)件的運輸、吊裝及裝配連接等費用,使當時多層裝配式大板住宅的造價比磚混住宅高出30%以上,后來發(fā)展起來的高層裝配式大板住宅造價也比現(xiàn)澆剪力墻住宅高出20%以上,即使實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)和大規(guī)模施工,工程造價依然居高不下。好在當時的住宅建設(shè)都由政府投資,政府推行建筑工業(yè)化,大板建筑的資金有保障,才得以推廣和發(fā)展。
從1974年開始,北京研究發(fā)展高層建筑,打破了“只有混凝土預(yù)制裝配才是建筑工業(yè)化”的框框,確定了混凝土預(yù)制裝配化和現(xiàn)澆機械化施工并舉的方針,促進了現(xiàn)澆混凝土技術(shù)的發(fā)展。1980年前后北京建筑界4次開會,結(jié)合建筑業(yè)和混凝土的特點,總結(jié)經(jīng)驗,解放思想,重新認識建筑工業(yè)化的內(nèi)涵,
一是從理論上弄清了:“大工業(yè)生產(chǎn)的特征,首先是使用機器代替手工工具操作,工業(yè)化的核心應(yīng)該是機械化”,認為:“發(fā)展工業(yè)化建筑必須以多快好省的實際效果作為檢驗的標準,在相當長的時間內(nèi),還要采取預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合、干法作業(yè)和必要的濕法作業(yè)相結(jié)合、新材料和傳統(tǒng)材料相結(jié)合、工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場預(yù)制相結(jié)合等一系列兩條腿走路的方針,調(diào)動一切積極因素,因地制宜,多種途徑,走我們自己發(fā)展工業(yè)化建筑的道路”(注:引號內(nèi)的文字摘自胡世德先生著述《歷史回顧》),認定了現(xiàn)澆混凝土機械化施工也是建筑工業(yè)化,更能發(fā)揮現(xiàn)澆混凝土整體性好的優(yōu)勢。
二是認識到:建筑產(chǎn)品與工業(yè)產(chǎn)品不同,其體型龐大、工序繁多,產(chǎn)品本身是固定的,施工人員和機具設(shè)備是流動的,而工業(yè)產(chǎn)品則是在工廠的生產(chǎn)線上流動的,操作人員和機具設(shè)備是固定的,因此,應(yīng)該把施工現(xiàn)場看成建筑產(chǎn)品生產(chǎn)的“工廠”,全面研究解決現(xiàn)場工業(yè)化的問題。
自此以后,北京出現(xiàn)了以大模、滑模、隧道模等命名的現(xiàn)澆混凝土剪力墻高層建筑和采用定型模板現(xiàn)澆混凝土的框架-剪力墻高層建筑體系,都被列為工業(yè)化建筑。高效減水劑和混凝土泵送設(shè)備的大量應(yīng)用,更使得北京的現(xiàn)澆混凝土技術(shù)面貌一新,并顯現(xiàn)出現(xiàn)澆混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)整體性抗震安全性比裝配式大板建筑好、造價比裝配式大板建筑低的優(yōu)勢。北京按照建筑工業(yè)化的要求,統(tǒng)一模數(shù)協(xié)調(diào)原則,推行建筑設(shè)計標準化和模板的定型化,實現(xiàn)了靈活組合,解決了建筑多樣化和標準化相結(jié)合的難題。1986年后,隨著現(xiàn)澆混凝土建筑的迅速發(fā)展,裝配式大板建筑盛極而衰,在競爭中逐步退出建筑市場。經(jīng)過30年的發(fā)展,北京現(xiàn)澆混凝土建筑工業(yè)化水平不斷提高,現(xiàn)澆混凝土從拌制運輸、泵送上樓到澆注入模成型,都實現(xiàn)了機械化,施工作業(yè)變得簡單易行,施工速度快、質(zhì)量好。北京的實踐證明:現(xiàn)澆混凝土完全實現(xiàn)了建筑工業(yè)化。這幾年,北京每年竣工建筑面積都在4000萬平方米左右,85%以上是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),基本上都采用機械化現(xiàn)澆混凝土的現(xiàn)場工業(yè)化方式建造。
當前,各地都在開展綠色建筑行動,積極推廣裝配式預(yù)制混凝土建筑,但有的地方搞“目標責任制”,追求預(yù)制化率,加大推廣力度,這就有問題了。歷史和現(xiàn)實都證明:裝配化混凝土建筑整體性不如現(xiàn)澆混凝土建筑,造價卻高出20%左右;預(yù)制化率越高,裝配連接的要求越高,造價也越高,安全隱患可能增多。造價的增加是資源消耗增加的直接反映,怎么能說裝配化混凝土的“綠色度”比現(xiàn)澆混凝土高呢?!本人認為:必須走出理論上的誤區(qū),確認機械化現(xiàn)澆混凝土是建筑工業(yè)化途徑,我國的高層混凝土建筑應(yīng)以現(xiàn)澆混凝土為主體,以確保結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性,可局部采用預(yù)制混凝土構(gòu)件或鋼構(gòu)件,并按照建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的要求加以完善發(fā)展。發(fā)展裝配式混凝土建筑要吸取歷史教訓(xùn),堅持從工程實際需要出發(fā),慎重研究決策,建一個構(gòu)件廠,少則幾億,多則十幾億,切不可盲目發(fā)展、一轟而起。那些用裝配式預(yù)制混凝土來貶低和排斥機械化現(xiàn)澆混凝土的論調(diào),是沒有正確認識建筑工業(yè)化和混凝土的獨特優(yōu)勢,是根本站不住腳的。真正具有裝配式建筑天然優(yōu)勢的是鋼結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)強度高、自重輕,適合工廠化生產(chǎn),在工程現(xiàn)場裝配焊接成型后能熔成一體,保持了結(jié)構(gòu)的整體性,抗震性能好,能滿足多種建筑高度、多種建筑平面的需要,能與非承重輕質(zhì)墻體材料配套使用,施工安裝工業(yè)化程度高,并符合環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展原則。目前我國已具備大范圍推廣鋼結(jié)構(gòu)的條件,應(yīng)結(jié)合我國“城鎮(zhèn)化建設(shè)”和“建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化”,積極研究、大力推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑。
2 合理應(yīng)用現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土
機械化現(xiàn)澆混凝土和裝配化預(yù)制混凝土是實現(xiàn)混凝土建筑工業(yè)化的不同途徑,有各自的優(yōu)勢和適用范圍,應(yīng)根據(jù)工程實際情況合理選擇,也可以揚長避短、優(yōu)化組合,實行現(xiàn)澆-預(yù)制相結(jié)合。對于北京這樣8度抗震設(shè)防、結(jié)構(gòu)安全要求高的高層混凝土建筑,優(yōu)先采用現(xiàn)澆混凝土或現(xiàn)澆為主預(yù)制為輔,有利于確保建筑結(jié)構(gòu)的整體性,是科學(xué)合理的,適應(yīng)市場需要的。對于多層和小高層建筑,采用裝配式預(yù)制混凝土或現(xiàn)澆、預(yù)制相結(jié)合,也是可供選擇的結(jié)構(gòu)方案。
最早建成的建國門橋東北側(cè)3棟14-16層現(xiàn)澆混凝土剪力墻外交公寓是現(xiàn)澆-預(yù)制相結(jié)合的典型工程,采用內(nèi)墻現(xiàn)澆,復(fù)合外墻板、復(fù)合樓板和樓梯、內(nèi)隔墻等為預(yù)制構(gòu)件。北京的“前三門”、勁松小區(qū)等也實行現(xiàn)澆-預(yù)制相結(jié)合。北京高層現(xiàn)澆混凝土建筑還采用預(yù)應(yīng)力、雙鋼筋、冷軋扭等三種疊合樓板,僅亞運村工程就用了60多萬㎡雙鋼筋疊合樓板,最大樓板尺寸為:7.8m×8.1m,簡化了樓板施工工藝,縮短了施工工期,提高了現(xiàn)場文明。北京高層混凝土建筑實行現(xiàn)澆、預(yù)制相結(jié)合方面延續(xù)了很長一段時期,取得了較好的效果。后來,北京現(xiàn)澆混凝土技術(shù)不斷發(fā)展,建設(shè)規(guī)模也不斷擴大,在市場經(jīng)濟條件下,出現(xiàn)了低價競爭,放松了標準化管理,標準化設(shè)計“倒退”了,預(yù)制構(gòu)件不用了,搞起了“全現(xiàn)澆”,施工現(xiàn)場出現(xiàn)了不同程度的“亂象”,資源消耗增加,建筑垃圾增多,以樓板和樓梯間施工對環(huán)境的影響最為嚴重。但我們不能因為出現(xiàn)一些問題,就貶低和排斥現(xiàn)澆混凝土,而應(yīng)該實事求是地總結(jié)經(jīng)驗,加以改進完善。
本人認為,建筑現(xiàn)代化的前提是實現(xiàn)建筑工業(yè)化,工業(yè)化的核心是機械化,基礎(chǔ)是標準化。對于混凝土而言,不管是現(xiàn)澆、預(yù)制或預(yù)制、現(xiàn)澆相結(jié)合,都是實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的途徑。推進北京混凝土結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)代化,
一要堅持模數(shù)協(xié)調(diào)原則,推進基本單元、基本間、戶內(nèi)專用功能部位(廚房、衛(wèi)生間、樓梯間)的標準化設(shè)計,建立通用結(jié)構(gòu)構(gòu)件和功能性部品的標準體系;
二要堅持技術(shù)創(chuàng)新,采用隔震減震、高強混凝土、高強鋼筋等新技術(shù)、新材料,研究開發(fā)先進適用的構(gòu)件連接技術(shù),保證商品混凝土和預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量,提高混凝土建筑的結(jié)構(gòu)安全與使用功能。
三要因地制宜、循序漸進,全面實現(xiàn)建筑的基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、裝修工程機械化施工和信息化管理。
近年來,北京市推進住宅產(chǎn)業(yè)化,規(guī)定高層混凝土剪力墻建筑以現(xiàn)澆為主、預(yù)制為輔,即:內(nèi)墻現(xiàn)澆,復(fù)合外墻板(60米或21層以下)、樓梯、陽臺(疊合)、空調(diào)板、疊合樓板底板等預(yù)制,并要求室內(nèi)裝修一步到位,這個實施方案是比較合理和可行的,符合城市發(fā)展和環(huán)境保護的需要。但是建筑造價有所增加,增量成本超過400元/㎡,超出全現(xiàn)澆建筑造價約20%。造價增加的主要因素是預(yù)制混凝土夾芯保溫剪力墻板,
一是該板生產(chǎn)費用比現(xiàn)澆混凝土加外保溫費用高;
二是該板增加了運輸、堆放費用;
三是該板重量通常超過5噸,增加了塔吊費用;
四是該板增加了上下鋼筋套筒灌漿連接和四邊現(xiàn)澆鋼筋混凝土連接的費用。
有的地方強行推廣預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板,認為這樣可實現(xiàn)保溫與結(jié)構(gòu)同壽命,實踐證明:北京預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板的面層開裂、板縫滲漏、保溫失效多有發(fā)生,在大板建筑眾多的莫斯科街頭外墻板板縫整修的污痕也隨處可見。北京惠新西街舊樓節(jié)能改造,外墻板因長年開裂滲水,其傳熱系數(shù)實測值還不如37磚墻。僅管現(xiàn)在外墻板技術(shù)上有所創(chuàng)新,也不能保證根除以上弊端;特別是上下外墻采用套筒灌漿連接,對構(gòu)件生產(chǎn)和施工安裝的精準、灌漿材料和工藝的可靠具有很高的要求,如何切實保證上下外墻的連接質(zhì)量和整體性,一直有人提出質(zhì)疑,確實令人擔憂。
表面上看,采用預(yù)制混凝土夾芯保溫承重外墻板似乎實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與保溫一體化,解決了保溫與防火的矛盾;而實質(zhì)上,最大的問題是削弱了混凝土結(jié)構(gòu)外墻的整體性,增加了外墻連接處的安全隱患和相關(guān)費用,在技術(shù)和經(jīng)濟上都不盡合理,不應(yīng)盲目推廣。對于非承重的預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻掛板,則可根據(jù)需要,應(yīng)用于鋼或混凝土框架結(jié)構(gòu)工程,不適用于剪力墻結(jié)構(gòu)工程。對于高層混凝土剪力墻建筑,本人還是推崇現(xiàn)澆混凝土加外保溫的復(fù)合外墻做法,
一是確保外墻混凝土的整體性和抗震安全性;
二是保證外墻保溫層和抹面層的連續(xù)性,避免了預(yù)制保溫外墻板的熱橋和板縫滲漏。
新發(fā)布的《建筑防火設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,采用B1級有機保溫材料的薄抹灰外保溫系統(tǒng),首層防護層厚度15mm,標準層防護層5mm,每層設(shè)置防火隔離帶,可適用于100米以下的住宅建筑,這是總結(jié)了國內(nèi)外試驗研究和工程實踐的結(jié)果,有效地解決了保溫和防火的矛盾,其可靠性是不容置疑的。薄抹灰外保溫系統(tǒng)采用科技含量很高的耐堿玻璃纖維增強聚合物砂漿作抹面層,防止了混凝土面層可能開裂的隱患,具有良好的抗裂、防水作用和一定的防火作用,德國柏林首例聚苯板薄抹灰外保溫工程至今已50多年,還在正常使用?,F(xiàn)在國內(nèi)外都在推廣被動式超低能耗建筑,外墻采用30cm左右的聚苯板薄抹灰外保溫系統(tǒng),其可靠性和耐候性是值得信賴的。需要強調(diào)的是,我們必須認真解決外保溫工程低價競爭、市場不規(guī)范帶來的質(zhì)量問題,實行外保溫工程專業(yè)化施工和市場準入制度,實行外保溫系統(tǒng)材料由供應(yīng)商配套供應(yīng),嚴格按照外墻外保溫工程技術(shù)標準的規(guī)定,加強行業(yè)管理和工程監(jiān)理,切實保證和提高外保溫工程質(zhì)量。
有一種說法:發(fā)達國家工業(yè)化建筑比例高達60-70%,我們還是粗放建造,處于較低水平。對此應(yīng)作具體分析。國外如:歐美、澳洲,地多人少,住宅多為“獨門獨院”的低層建筑(1-3層),多采用裝配式木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu),工業(yè)化水平自然就高,高層混凝土結(jié)構(gòu)就不見得都是預(yù)制裝配。我國人多地少,連縣級城鎮(zhèn)都在建高層建筑,又不認可機械化現(xiàn)澆混凝土是建筑工業(yè)化途徑,住宅工業(yè)化水平自然就低,于是提出推廣裝配式混凝土建筑,以提高住宅工業(yè)化水平,并引發(fā)一些地方搞全裝配混凝土建筑,追求預(yù)制化率,認為預(yù)制化率高,就是工業(yè)化程度高。其實,裝配預(yù)制混凝土集利弊于一身,預(yù)制化率高,現(xiàn)場工作量減少,這是利;但增加了構(gòu)件連接的工作量和可靠性要求,增加了建造成本,這是弊。由于混凝土從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化是不可逆的,因此混凝土構(gòu)件與構(gòu)件之間不可能連接成一體,主要靠鋼筋的套筒灌漿連接和漿錨搭接,對材料、機具和專業(yè)操作人員的要求較高,萬一質(zhì)量出問題,就是安全隱患。因此,盲目追求預(yù)制率或裝配化率,構(gòu)件的連接處理就會增多,混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和安全性就會下降。有人一說裝配式混凝土建筑,就提日本的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑。日本確實多采用框架結(jié)構(gòu),但現(xiàn)澆和預(yù)制兼而有之。位于日本東京銀座地區(qū)的兩座58層塔樓,總高193m,總建筑面積38萬㎡,是全世界最高的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑,采用隔震和抗側(cè)力等先進技術(shù),其土建造價高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),采用裝配的主要原因是市中心施工場地不足、環(huán)保要求高,不允許采用現(xiàn)澆混凝土施工。
因此,我們不能盲目推廣裝配式混凝土建筑。選擇預(yù)制還是現(xiàn)澆,或是預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合,不能刻意強求,不要搞行政命令,也無先進落后之分,都應(yīng)該從實際出發(fā),根據(jù)工程條件和市場需要來確定。我國人多地少、建筑抗震要求高,對于量大面廣的高層混凝土結(jié)構(gòu)建筑,還應(yīng)堅持以機械化現(xiàn)澆混凝土為主,完善提高現(xiàn)場工業(yè)化水平,以確?;炷两Y(jié)構(gòu)的整體性和抗震安全性。
金鴻祥 2015年元月初稿/7月略作修改/9月三稿
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