全预应力装配混凝土模块工业体系研究报告

一、发展现状和问题

1.装配式建筑发展存在的问题

长期以来我国建筑业主要采用现场施工为主的传统生产方式，这种生产方式工业化程度不高、设计建造比较粗放、建筑产品质量不稳定、建设效率比较低、劳动力需求量大、材料损耗和建筑垃圾量大、资源和能源消耗较大，不能满足建筑节能、环保和建筑业转型升级的可持续发展要求。随着我国劳动力价格的不断上升、人口红利的消失及节能环保意识的不断增强，装配式建筑以其节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平等优势逐渐得到了新的发展。

装配式建筑是指结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。装配式建筑采用“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”的设计建造理念，全面提升建筑品质和建造效率，达到可持续发展的目标。发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧改革和新型城镇化发展的重要举措，也是推进建筑业转型的重要方式，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化、工业化深度融合，培育新产业、新动能、推动化解过剩产能，实现社会的可持续发展。

房屋质量关系国计民生，需不断提高房屋建造质量，用工业化生产思维转变生产方式，将建筑的产品理念放在首位，实现房屋建造的高质量发展目标。近十年来我国装配式建筑产业发展迅速，已经成为建筑产业发展的趋势。国务院办公厅印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，首次提出了“要大力发展装配式建筑，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”的目标。

近年来的发展表明，装配式建筑产业充分体现了其促进创新带动发展和经济转型升级的重要功能，是未来的建筑产业发展的主要方向。但装配式建筑仍处于起步阶段，在宏观上，存在地方鼓励政策配套不足、部分企业产业技术薄弱等现象，在成本导向的大环境下，装配式建筑相比传统建筑在成本方面就显得优势不足，制约着行业发展。

在微观上，装配式建筑在发展过程中出现，诸如技术体系不完善、连接技术检测难度高以及生产、施工等方面的问题，成为了制约装配式建筑优势实现的卡脖子环节。技术体系方面，仍存在大量后浇区域，现场湿作业量仍较大，结构预制率低、工业化程度有限；设计方面，形成了按照现浇设计之后再进行拆分，僵化地照搬标准图或规范图示的非正向设计流程，不符合装配式建筑的特点与规律；预制构件生产方面，预制构件精度不高、粗糙面控制水平较差；施工及管理方面，装配式建筑发展仍处于初步阶段，施工组织难度大，现场干、湿作业工序穿插、无序，施工效率无法得到有效提升；质量检查难度高，钢筋套筒灌浆连接可检测性、预制构件粗糙度度量等问题成为制约装配式建筑推进的难题。

尽管装配式混凝土建筑比现浇建筑有很多优势，但装配式建筑目前仍存在上述薄弱环节，并最终形成了发展的瓶颈。归根究底，装配式建筑需要对产业发展形成优势，或带来社会效益，或降低建造成本，或缩短工期，或三者兼而有之。但目前的装配式建筑，尚未能显著 地展示 三方面的优势。

装配式建筑建造成本的提升，主要体现在生产成本、运输成本、施工措施费几个大的方面。生产成本的提升主要包括人力、设备、模具、质量控制、存储几个主要因素的改变，预制构件厂的工人上岗培训、社保等费用的缴纳，大型生产设备的购置、折旧，钢模具的使用，大量应用灌浆套筒、预埋吊件，精细化的质量控制与管理，预制构件的生产、存储用地等多方面共同拉高了生产成本。运输成本提升的主要原因包括预制构件厂的覆盖率不高，预制构件体型限制导致的运输效率偏低。施工措施费提升的主要原因包括预制构件体型等原因导致的吊装机械台班消耗量的明显提升，技术体系原因产生的额外的灌浆材料、接缝材料处置等的消耗，以及斜支撑等施工工具、机具的增加。

装配式建筑实施的过程中，社会效益优势并未得到明显体现，但成本的大幅提升，降低了社会力量主动施行的意愿，限制了装配式混凝土结构技术的进一步发展。装配式建筑的发展，将向着更有针对性地解决提升效率、降低建造成本、采用可靠易用的连接技术等方面推进。

2.混凝土模块结构体系与其他体系的比较      

装配式建筑体系发展。 我国装配式建筑的发展经历了两个主要的历史时期，一是20世纪50~60年代，引进并改进了国外的经验，形成了以大板建筑为主的装配式建筑技术体系，但由于建筑功能、抗震等方面存在一定的问题，很快退出了市场竞争。第二阶段是20世纪末至21世纪初的十年期间，在我国的一些大城市以及沿海地区，随着城市化和工业化的不断发展，出现了对生产高效、人工需求量少的装配式建筑的强烈需求，推动了我国建筑产业化方针政策和装配式建筑技术的发展，形成了有别于第一阶段的新型装配式建筑。

新型装配式建筑主要可分为“装配整体式”技术体系和“性能化”的装配式建筑技术体系。装配整体式技术体系包括以套筒灌浆连接、浆锚搭接连接为基础的技术体系和叠合结构体系等，但叠合结构技术体系由于其适用性问题，应用范围受到一定的限制。

套筒灌浆连接技术可靠、适用范围广，但在应用过程中表现出了施工技术难度大、检测难度高等问题，受到了业届乃至社会的广泛关注。因此叠合结构由于其不采用直接连接技术，且施工难度不高、容错率高等优点，应用率不断提升，并发展出现了以其为基础的改进型的叠合结构技术体系，例如纵肋叠合剪力墙结构体系、钢筋焊接网叠合力墙结构体系、圆孔板剪力墙结构体系和空心板叠合剪力墙结构体系等，相关的技术体系均开展了专项抗震性能试验研究，验证了叠合结构的可靠性与施工效率，叠合结构因此进一步占领市场。

性能化的装配式结构技术体系，不再强调整体式的连接，而是以结构性能需求为目标，从连接技术着手，以提升生产、施工效率，提升工业化水平为目标，逐渐形成了应用于低多层的装配式结构技术体系，以及预应力连接装配式结构体系、PPEFF体系、EMC体系等专用技术体系。此外，还出现了以提升生产、施工效率、降低建造成本的各类单项技术的研究和应用，诸如双向密拼叠合板技术、预应力双T板技术、钢节点连接技术等。改进后的装配式结构技术体系，在一定程度上提升了生产、施工效率，或者降低了建造成本，部分解决了建筑工业化发展的难题，但仍缺少具备全要素的发展之路。

模块化建筑体系发展。 装配式模块化建筑的概念由来已久，具有工业化程度高、施工速度快等优点，是一种高度集成的装配式建筑。模块建筑以集装箱为最初的雏形，因为模块规格单一、建筑平面的限制，并不能很好满足人们对于居住的舒适度和功能性方面的高需求，随着建筑工业化逐渐成熟，这种曾经以快、简、省为特点的建筑形式对于品质、适用范围也逐渐有了新的变化。

模块化建筑按材料可分为钢结构模块体系和预制混凝土模块体系，其中钢结构模块建筑多采用集装箱或钢骨架+轻型墙板等形式，但造价相对较高，钢结构的防腐、防火问题仍需解决。混凝土模块建筑总体上仍采用为盒子式的模块，但规格、形式上相对灵活，但自重较大，生产、应用受到一定限制，随着装配式建筑产业的发展，在生产、施工等方面均有了长足的进步，装配式混凝土模块建筑又逐渐进入视野。

与现有的装配整体式混凝土结构技术相比，生产方面，预制模块模具标准模数化程度高，不依赖具体项目，周转次数高，摊销费用低；施工方面，施工现场无支撑、无支模，无湿作业，工序清晰，施工周期短。与包括钢结构模块建筑技术在内的装配式钢结构建筑技术相比，混凝土模块建筑技术无需定期维护和进行防火防腐处理，总体建造成本更低、耐久性更佳、外围护系统技术更完善、使用功能及品质更好。

对于低多层混凝土模块结构体系，又称为盒子结构建筑，国内外已有一些研究和应用，钢筋混凝土盒子可一次性浇筑成型，盒子之间采用滑动隔震式连接方式或后浇带、套筒灌浆等湿连接方式。针对适用范围广且可用于高层建筑的混凝土模块体系的研究和应用还很少，新加坡发展了PPVC技术（全称Prefabricated Prefinished Volumetric Construction），在住宅中主要采用混凝土模块，其将整间房间在工厂制作，同时完成结构与装修部分，形成独立模块，然后再现场拼装后浇形成整体结构。但PPVC体系中模块之间的连接节点仍然采用钢筋插入并灌浆的方式，施工复杂且质量难以保证。我国香港发展了“组装合成建筑法”（Modular Integrated Construction，简称MiC），MiC技术体系与PPVC技术体系一致，均是将已完成饰面、装置及配件的预制组件模块在现场直接装配成为建筑物。

由于我国有严格的抗震设计要求，直接采用PPVC或MiC技术难以满足要求，想要推广应用，则必须对混凝土模块结构体系的连接方式和抗震性能进行详细研究。

预应力技术及预应力装配式建筑。 预应力混凝土构件相比于普通钢筋混凝土构件，可节约大量钢材、减少构件断面，减轻结构自重，具有抗裂、抗渗、整体刚度好等技术性能。预应力混凝土结构在工业和民用建筑中应用广泛，各种类型的预应力混凝土结构构件应运而生，例如大型屋面板、空心板、双T板等。预应力技术在高层、超高层结构中也得到了广泛的应用，技术的应用逐渐由水平楼面系统过渡到了竖向抗侧力系统，例如高241米的青岛中银大厦、高260米的香港K11大厦等。预应力技术在桥梁结构中的优势体现得尤为突出，大型桥梁结构几乎都不同程度上采用了预应力技术，具有承受动荷载、适用施工环境和条件复杂的优势，预应力连续桥、斜拉桥、悬索桥等形式不断涌现，形成了桥梁结构预应力技术的鲜明特点。工业建筑中，出现了30米跨度的门式钢架，32米跨度的圆柱形薄壳等建筑物，市政行业还大量应用了预应力混凝土水池以及压力管和电线杆等构筑物。

预应力技术不仅适用于传统的现浇工业和民用建筑，采用预应力方案的装配式混凝土结构也逐渐发展。1976年唐山地震以后，预制预应力混凝土框架结构体系（南斯拉夫IMS体系）传入我国，体系采用预制柱和预制密肋楼板，通过预应力将整个楼层的板和柱子连接为整体，形成结构。1999年，国内进一步引入了预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系（世构体系），与IMS体系相比，世构体系更强调整体性，采用预制梁、柱、叠合楼板，是一种预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系，发展至今仍有应用。

研究和工程实践表明，预应力技术在装配式混凝土结构中具有施工便捷，结构整体性好，抗震能力强等优点，同时还兼具节材、抗裂、降低建造成本等优点，在装配式结构中发展预应力技术，对进一步加速、推广我国装配式建筑产业具有重要意义。

全装配预应力混凝土模块结构体系（PCMC）。 基于国内成熟的节拼桥梁后张预应力装配技术大规模应用，模块科技公司提出一种可用于高层建筑的混凝土模块结构体系（PCMC），其核心技术是将桥梁中用于连接预制节段梁的后张预应力连接技术，跨界应用于装配式建筑。这种后张预应力连接技术相邻预制节段梁连接部位设置匹配的凹凸键槽和预应力孔，安装时在连接范围涂抹胶粘剂，待节段梁安装就位后，穿设预应力筋，进行张拉施工，将相邻节段梁挤压在一起，实现节段梁的连接。

全装配预应力混凝土模块结构体系将上述预应力连接方式用于相邻模块的连接，包括上下层相邻模块的竖向连接和同层模块的水平连接，使整体结构满足在重力荷载、风荷载及地震作用下的受力要求。

3.全装配预应力混凝土模块结构体系介绍

全装配预应力混凝土模块结构体系（PCMC）利用水平、竖向设置的预应力钢筋，将所有模块连接成为整体结构。全装配和预应力技术的组合应用，不仅提升了预制率、施工效率，同时使结构可应用于高层建筑结构中，形成了结构安全、技术可靠且工业化程度最高的装配式建筑。

全装配技术。全装配结构消除了施工现场湿作业，大大提升了现场的施工效率、降低了施工和管理的难度。此外，全装配预应力混凝土模块结构还采用装配式装饰、装修等技术，真正实现“全装配”。

预应力连接技术。预应力是较为成熟、可靠的结构技术，相关的设计理论与方法也较为成熟，降低了全装配预应力混凝土模块结构体系的推广、应用难度。同时预应力技术的施工、检测方法亦较为成熟，可有效保障结构的安全性、保障技术体系的可靠性。

高效生产、施工技术。全装配预应力混凝土模块结构采用了更高精度且通用的模具，使预制模块的生产不仅效率高，模具的周转率提升，降低了摊销成本，提升了生产效率。预应力现场施工工艺清晰、简单，模块结构无需各类辅助支撑，再次体现了较高的建筑工业化水平。

全装配预应力混凝土模块结构体系同时解决了困扰装配式建筑产业发展的主要问题，使结构的安全性、建造成本、建造效率成为了评价建筑体系的关键要素。

安全性。针对该结构体系，模块科技公司联合中国建筑科学研究院，从接缝节点、墙体构件、整体结构三个层面深入开展力学及抗震性能试验研究（节点、构件试验已完成，振动台试验正在设计中），并开展典型项目、试点项目的小震、大震有限元分析，确保结构的安全性与可靠性。基于研究结果，同步开展了设计方法研究，目前已初步形成了一套包含结构分析方法、模块构件设计计算方法及接缝节点设计计算方法在内的结构体系设计方法。结合试点项目加快完善设计方法，为标准编制和体系推广提供理论基础。

建造成本。建造成本是决定一个技术体系推广的最重要因素，全装配预应力混凝土模块结构体系在设计上采用了标准化模块，通过多组合实现建筑布局与功能的双丰收，最大限度减少了预制构件的规格，降低了预制模块生产成本，同时在生产环节降低了模具的摊销费用，在施工环节完全消除了现浇作业，共同达成了全装配预应力混凝土模块结构体系建造成本低于装配整体式结构体系的优势。

建造效率。全装配预应力混凝土模块结构体系具有全预制装配、现场无湿作业、耐久性好、建造速度快等明显优势，彻底改变了传统现浇结构及装配式混凝土结构体系的做法，属于可实现完全工业化的建造技术体系。模块工业体系混凝土住宅，将传统劳动密集型的建造方式，转变为大规模工业化生产的方式进行生产，产能完全依赖数字工业化设备的制造能力，将人从依赖低水平劳动力的施工的方式中解脱出来，现场的装配跟无人化港口的作业模式一样，可以实现数字自动化建造。

二、实践案例分析（略）      

三、进一步探索和发展建议

为解决钢筋套筒灌浆连接装配整体式混凝土结构体系存在的施工周期较长、增量成本较高、工业化程度有限等问题，国内主要的装配式建筑企业研发了各类新型装配式混凝土结构体系，并不断探索和完善，致力于从不同角度、不同维度，通过采取不同技术措施解决传统装配式体系存在的问题。

面对多种不同的装配式结构体系，建议有必要针对具体应用场景，开展体系的分析和对比，得到几种适合大面积推广的技术体系。如针对住宅建筑，从提高效益、提高质量、降低成本、降低排放的角度，对不同体系进行客观对比，得到两三种可在全国范围内进行复制、推广的技术体系。通过对典型体系的应用进行引导和推动，以带动全国装配式建筑的应用和发展，让装配式建筑产生应有的规模化的社会及经济效益，让广大人民住得安心、住得舒心。

模块建筑是装配式建筑发展的新模式，符合住房和城乡建设部等部门制定的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》提出的建筑工业化、智能化、绿色化的发展方向。混凝土模块化结构体系是一种可实现高工业化水平的装配式混凝土结构体系，具有建得快、质量好、品质高等优势，可实现高效益、高质量、低消耗、低排放的目标，适用于量大面广的住宅、公寓等民用建筑。

与其他装配式混凝土结构体系相比，混凝土模块化结构体系具有其独特的优势。为进一步引导和推动混凝土模块化结构体系的研究和应用，以全装配预应力混凝土模块结构体系为例，提出以下建议：

一是进一步加快完善结构体系设计方法。 针对该结构体系，拟从模块接缝、模块墙体构件、模块整体结构三个层面完善力学及抗震性能试验研究。基于试验研究，同步开展了设计方法研究，目前已初步形成了一套包含结构分析方法、模块构件设计计算方法及接缝设计计算方法在内的结构体系设计方法。下一步将结合试点项目加快完善设计方法，为标准编制和体系推广提供理论基础。

二是在项目积累的基础上，完成配套标准编制。 该体系的配套团体标准中国工程建设标准化协会标准《全装配预应力混凝土模块结构技术规程》已获批立项，目前正在规程编制阶段。下一步将结合体系研究和试点项目进展，加快推进，早日完成标准编制，为体系的全面推广应用提供标准依据。

三是进一步开展产业发展的探索。 模块工业化结构体系与制造业数字制造逻辑相同，与前沿的正向BIM设计、物联网、数字智能设备、智能家居等技术领域紧密结合，会形成包含规划、设计、材料、设备、生产、装配、运维在内的全新的工业化全产业链平台，为该体系的产业化发展及大规模应用提供强有力支撑。

四是以淄博项目为标准，开展更多项目建设。 通过实施淄博试点项目，总结设计、生产及施工方面的经验，进一步完善该结构体系。以此为标准，通过技术授权、商务合作等方式开展更多的项目建设，实现新型结构体系的规模化应用。

五是在相关的政策文件中明确建设该体系试点项目。 装配式混凝土模块结构体系相比传统现浇结构体系具有其独特的优势，为推动装配式混凝土模块结构体系在全国的研究和应用，建议在相关的政策文件中明确以全装配预应力混凝土模块结构体系为典型，在全国开展试点项目建设，形成带头示范效应，总结先进经验。