构件、构造与构成—— 一个结构工程师对装配式建筑的认识

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楼主 2020-01-13 15:29:55
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装配式建筑的可行性一直都是工程师最关注的问题。本文从一个结构工程师角度和视野谈一谈对装配式建筑的认识,希望能够抛砖引玉,吸引更多志在建筑技术创新的同行们以客观的态度来评价装配式建造技术,以促进建筑业的发展。


01



结构工程师探索的脚步从未停止


衣食住行是人类的基本需求与行为基础,其中“住”则是伴随社会的进步被提出更高的要求而得到不断发展。从远古时代的“栖木穴居”到如今的“摩天大楼”,回顾历史,前后差别之大让人惊诧。人类对美好生活的追求,迫使从事“住”的工匠们不断挑战各种各样的不可能。于是新的建筑材料诞生了,新的建筑技术发明了,从木石到砖瓦,再到如今的钢、混凝土及其它更新的材料的应用,使得建筑呈现千姿百态,玲珑与宏大共存、传统与现代争辉。


不知有哪个预言家敢于鲁莽地断言建筑发展的终极目标,但可以肯定,它的变幻无穷是不容置疑的。不过无论怎样变化,建筑必须满足使用功能,并应保证其结构安全性。也正是这些挑战,激励着结构工程师们不断探索新理论、新技术,通过新材料、新方法的运用,创造新产品、新建筑,才有了今天新世界的五光十色、五彩缤纷,让生活在这个新世界的人们惊叹不已。



一座建筑无论造型多么复杂、体量如何巨大,一是要满足功能需求,即人类在建筑空间里开展的各种各样的特定活动;二是要满足基本的受力性能。人类在建筑空间内的活动所需的物品和参与的人们受到地球引力作用而产生的重力,被称作活荷载;为承受这些活荷载而建造的建筑自重被称作恒荷载;这两项荷载统称竖向荷载。大自然也会为建筑增添雨雪等临时性荷载,但更重要且更具破坏力的是由风与地震产生的水平方向的荷载。


结构工程师构造的结构体系,就是要满足在竖向荷载与水平荷载的共同作用下,人类在建筑空间里活动的安全,这是恒定的、不可动摇的目标。为了实现这个目标,工程师们在努力掌握自然规律的同时,使建筑力学这门古老的学科得到发展并不断地绽放出新的异彩;新型结构材料的应用衍生出新的结构体系,使得人类建设更高更大更辉煌的建筑的愿望得到突破性的满足,同时也刺激着人们提出更高的挑战。在大工业如此发达的现代,像造汽车一样造房子,采用装配式方法建造建筑何尝不是人类对自己建造能力的又一次挑战?!


建筑师和结构工程师的一个重要区别在于:建筑师在务实中追求着建筑艺术的浪漫,而结构工程师则始终保持着务实过程中的冷静,因为他们不仅要把建筑师的浪漫设想落地实现,还要保证建筑本身的使用安全。所以,当一个新的建筑技术推广应用之时,来自结构工程师的质疑,恰恰就是他们良心与责任的拷问,而这拷问之后做出的艰难抉择值得人们为结构工程师点赞。尽管结构工程师的抉择是艰难的,但他们探索的脚步不会停止,这正是未来建筑技术发展的基础与动力,这也同样适用于对装配式建筑的追求。


02




对结构体系的思索


一个事物、一项工程、一栋建筑都有它的特殊性,而这种特殊性中又蕴含着一些普遍的规律,结构也是如此。分析结构不能孤立地、单方面地研究,而应从系统的角度,发展地、全面地分析它的特点、特征及其作用规律。


建筑结构按照使用的建筑材料可以分为钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构或者多种材料组成的组合结构等;按施工工艺可划分为现浇结构和装配式建筑结构。无论是现浇结构还是装配式结构,究其根本都是由单个构件,通过特定的节点构造构成的一个整体受力的结构体系,共同承受竖向及水平荷载。



建筑结构中最常见的构件有梁、板、墙、柱、基础等。构件的材料和形式从来不会拘泥于单一的品种,各种构件可以根据需要变换多种形式与尺寸:截面形状上可以有多种样式,比如空心的、实心的,直线的、曲线的;材料构成上也可以多种材质组合,比如钢 - 混凝土组合、钢 - 木组合等;即使是单一混凝土材料也可以通过添加各种添加剂来提高其目标性能。就每种构件而言,其截面形式、材料种类、及制作方式都是根据工程需要来选择的,所要考虑的因素就是它的安全性和经济性。


一个建筑能够完美地承担它的功能,必须要有一个稳定的结构支撑体系,而结构体系是靠各个构件通过连接节点的构造构成的。这些连接节点的形式千变万化,可以是铰接节点,也可以是固接节点,甚至是弹性节点,关键在于节点的存在,使各个构件连成了整体,构成了能够承受荷载的稳定结构体系。如钢结构体系中,节点的连接方法有焊接、螺栓、铆钉连接;混凝土结构的节点连接有湿作业连接与干式连接等等。各种形式的构造方式都应根据工程实际情况选择,离开了特定的条件,各种节点就成了无本之木。但节点的连接形式也不是一成不变的,新技术、新材料的发展,结构理论的深入必然会推动结构体系的改变。从砖木结构发展到钢筋混凝土结构,再到索膜结构,没有哪一种结构体系的发展不是建立在技术进步的基础之上的。而新的节点构造形式总会以人们难以预料的形式出现,同样的构件通过不同的节点构造组合,可以构成各式各样的新的结构体系,以前认为不可能的结构体系也变成了可能。

比如,斜交网格筒体系改变传统的结构梁柱必须水平竖直的观念(见图 1),鸟巢模糊了结构梁柱的概念(见图 2),甚至有一种衍生格子体系模糊了梁板柱的概念,台中歌剧院就是典型的这种衍生格子体系(见图3),在这里分不清哪里是墙哪里是地面和天花板,所有的构件形成了一个连续的曲面,如同迷宫一般,完全颠覆了人们对传统建筑的观念。


上述思索也提示我们,在大工业理念快速发展的今天,建筑技术也应借鉴工业化的思维以应对未来的挑战,墨守成规会阻碍建筑结构的发展,要用工业化的思维研究建筑结构的理论与技术,构件、构造与构成的研究是需要结构工程师认真对待的课题。


03




对装配式建筑的思考


装配式建筑其实不是什么新鲜事物,我们的先贤们就曾利用榫卯节点用木材构件构造了各类辉煌的建筑,也曾用砖石构建了著名的历经千年风雨考验的赵州桥。这些让人叹为观止的历史建筑就采用了装配式的构思和理念。即使在近代,我国也曾大力推广过装配式建筑,并取得了很好的成果。随着时代的变迁发展,装配式建筑也要在理论上、技术上和实践中取得突破,在更高更新的层面上获得发展。


装配式并非单纯的把整体浇筑的混凝土构件拆分为单个预制部件,然后通过现浇混凝土节点刚性连接起来,这无异于旧药装新罐,没有跳出现浇混凝土的框框。同一时代的产品与技术一定是相适应的,装配式建造技术的应用,必须用新的理念思考,也必然会衍生出新的建筑构件、新的节点构造,从而构成新的结构体系。如果不用发展的眼光看待装配式建筑与结构,仅仅用原有的概念去理解,未免会失之偏颇。


装配式建筑的首要理念是标准化、模数化、模块化,包含了现代大工业制造的基本思想。实现了构件的工厂化、大规模生产,才能够有效地提高劳动生产率,降低成本,减轻劳动强度。当能够像采购机械零部件那样采购标准的建筑构件时,建筑装配式才能有质的飞跃。当代装配式建筑还在起步阶段,需要在各个方面精心培育,如一味苛求甚至拿老的眼光看待它,要求它“等同某某”,将会极大地约束它的发展。这并不是说可以放松对装配式建筑的要求,装配式建筑必须保证在结构安全度方面的标准与要求,这就需要结构工程师在构件、构造和构成的理论与实践上下功夫,在结构体系与技术上创新。



当前装配式建筑遭受质疑,大多是因为节点构造没有处理好,比如套筒定位不准、灌浆不密实、预制构件与现浇构件之间的施工缝防水没有处理好等,作为业内人士,应该正视问题的存在并客观分析问题的根源。


这些问题其实都是可以解决的,比如只要采用质量有保证的密封胶就可以极大地改善施工缝渗水问题;如在构件生产时加一个精准对位的小装置和钢筋运输过程的保护装置就可以解决套筒定位不准的问题;又如将灌浆通道由软管改为硬管,就能解决由于灌浆通道被压瘪而无法灌浆或灌浆不饱满的问题,可见一些小的技术革新也能提高装配式建筑的品质。


问题在于解决,革新创新才有进步。比如双面叠合剪力墙构件的出现既解决了套筒灌浆不密实的问题,又解决了传统预制构件与现浇构件之间存在通缝的问题;型钢混凝土剪力墙构件采用型钢连接代替钢筋连接。任何技术都是在不断发现问题然后解决问题的过程中进步的。


装配式建筑与传统建筑的区别不在于使用何种建筑材料,而在于建造技术与建造理念的改变。任何一项新技术的出现都是顺应时代的需要而发展的。20 世纪 50 年代末,北欧兴起了装配式建筑的热潮,并且迅速地传递到美国、日本等国家。装配式建筑之所以能够风靡北欧,是因为当时的北欧国家劳动人口较少,并且冬季漫长,导致施工周期很长,建筑成本高。



而如今在我国大力发展装配式建筑,也是与我国的国情相适应的:我国现阶段人口老龄化严重,大部分年轻劳动力宁可去工厂做流水线工人也不愿意去工地,以至于很多地区出现民工荒的情况;我国存在很多旧城改造的工程,这些工程往往工期紧迫,而传统的现浇结构在进度上受气候影响较大;在寸土寸金的一线城市很多建筑场地十分狭小,建筑材料加工、堆放场地不足,建筑垃圾遍地存在。


这种情况下,装配式建筑的优点就格外突出了:装配式建筑的大量构件都是工厂预制的,机械设备的使用极大提高了工作效率,节约人力成本,改善了工人的作业环境,并且加工制作尺寸更精细,构件成型质量更高,材料下料更精细,工具循环利用,减少施工现场的建筑垃圾及材料浪费,且不易受冬季气候的影响,既有效降低建筑成本,又节能减排保护环境。因此,发展装配式建筑是我国建筑工业化进程中的一个重要途径。尽管装配式技术依旧不那么完善,但人类追求它的脚步不会停止。


04




坚定脚步向远方发展装配式建筑


并非否定现浇混凝土结构,两者各有势。该预制的构件要预制,该现浇的构件就要现浇,但无论是预制还是现浇,都要创新。


破茧成蝶是需要勇气的,因循守旧看似是最安全的,但长远来看,会对行业的技术发展造成阻碍。行业要进步,设计师就要勇于创新、敢于突破规范,因为规范是对过去成果的总结,而技术创新一定是超出规范的,因此发展装配式建筑要充分发挥业内专家超限审查的职能,以促进建筑业的发展。


装配式建筑并不是狭义的采用预制构件的建筑,而是在建筑的全生命周期中应用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用的建筑,是将结构构件、建筑围护结构件、机电管线、装修系统集成的建筑。


发展装配式建筑是要追求高品质、低耗能的建筑,从粗放式管理到精细化、智能化管理的改变,即从“建造”到“智慧建造”。发展装配式建筑,必须采用新材料、新技术,在保证安全性、经济性的基础上,提高建筑的品质、提高机械化程度、解放劳动力、降低成本。装配式建筑未来有无限可能,我们才刚刚踏上征程。作为结构工程师,一定要有清晰的目标和坚定的脚步、坚定理想和信念,才能开启建筑业的一片新天地!



注:更多精彩内容请查阅《新营造》最新期刊,部分图片来源于网络。作者:孙占琦 王宁 王洪欣 李晓丽,单位:中建科技有限公司深圳分公司



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