预制混凝土空心模与住宅产业化

一、住宅产业化发展历程
多年来，我国在住宅建设过程中，采用过砌块建筑、装配式壁板建筑、大模板住宅、滑升模板住宅、框架轻板建筑等。我国在20世纪5O年代，就提出建筑工业化的问题，借鉴前苏联的经验，开始在全国建筑业推行标准化、工厂化、机械化，发展预制构件和预制装配建筑。从20世纪7O年代初到80年代中期，预制混凝土构件生产经历了大发展时期，到20世纪8O年代末，全国已有上万家构件厂，全国预制混凝土年产量达2000多万立方米。


自1978年我国实行改革开放政策以来，在大规模的住宅建设过程中，所采用的工业化方式也在发生变化。在工厂生产现场装配的大板住宅体系等因交通运输、经营成本等原因而逐渐萎缩。20世纪90年代以后，从南方发源的现浇钢筋混凝土结构体系开始流行，这种采用现场制作混凝土模板、现场浇注混凝土的施工体系，包括现浇框架结构住宅、现浇剪力墙结构住宅以及二者的结合的结构体系得到了较大的发展。近年来，预制装配式整体式混凝土结构体系的使用又逐年增多。


1、现有住宅结构体系
1.1 现浇钢筋混凝土结构体系
在我国，钢筋混凝土工程在多、高层住宅建筑中占主导地位，而且就其成本和成型方面的优势而言，在寻找到更经济、更便于施工的替代材料之前，它仍将占主导地位。不过，目前钢筋混凝土工程的施工多采用现浇体系。这一体系在工程界得到广泛的认可和使用，必然有它巨大的优越性，但它在工程实施中也存在着明显的缺陷。如：阻碍全面工业化生产的实现、工程施工工期长、工程成本难以有效控制、工程质量难以得到可靠保证。


1.2 预制装配式混凝土结构体系和预制装配整体式混凝土结构体系
20世纪80年代初期，建筑业曾经开展了一系列新工艺，如大板、升板体系、南斯拉夫体系、预制装配式框架体系等等，对建筑工业化发展起到了有益的推进作用。但这些有益的实践之后，均未有大规模的推广。究其原因，主要是因为当时的这些新工艺在高度、建筑型式、功能要求等方面有很大的局限。另外，受技术水平的限制，构件接头处理不善，极易造成漏水，而且接头构造处理不当，削弱了其受力性能，在抗震设防区产生的影响更大。这些客观的技术经济条件遏制了装配式结构体系发展的势头。


装配式钢筋混凝土体系，主体结构的墙、梁、板，均可完全在工厂加工，实现完全的工业化大生产，现场只要将其拼装起来即可。工厂化的加工，就可以利用最先进的现代技术，进行全自动化生产和计算机控制及管理，行业的监督机制更为规范，工人的数量较少，可以相对固定和高技能化，这些在客观上可以保证结构构件的质量。现场的拼装需要工人数量也较少，可以雇佣熟练工人。由于工序简单，监督管理相对容易，拼装质量易得到保证。同时，工程的工期可以大大缩短，使项目可以及早发挥经济效益。工程成本由于工序简单也易于控制。另外，长期困扰市民的工地噪音、粉尘污染等问题迎刃而解，工地更易实现文明施工。


1.3 钢结构体系
钢结构有许多优点，但钢结构住宅的工程造价偏高，原因是为解决结构构件防火、防腐问题，解决墙体材料轻质、保温、隔声、耐久等问题，造成钢结构住宅的造价成本较高。即使大批量生产建造，造价仍会比钢及混凝土结构高出一些。


2、应重点培育和发展的结构体系
由于对木材资源的消耗量大，木结构房屋不适合在我国进行大范围推广；砌体结构房屋不适合进行构件工厂化生产，且不适宜应用于高层建筑，也不能作为我国发展建筑工业化需要的主要房屋结构。由此分析，我国工业化建筑结构体系的选择主要集中于混凝土结构体系和钢结构体系上。混凝土结构和钢结构实际上都能满足构件工厂化预制生产、现场机械装配安装的需要，也能满足我国对于高层建筑的需求，但混凝土结构具有比钢结构节省钢材，且建造成本比钢结构低，与钢结构比较具有明显的经济性等特点。因此，混凝土结构应该是我国发展住宅工业化结构体系的首选。应重点培育和发展的是预制装配整体式混凝土结构体系。


二、寻求在住宅产业化关键技术上取得突破
住宅产业化是建造方式的变革，核心是结构体系技术。目前我国还没有建立起“以新的结构体系技术为支撑”、相关要素集约配套的系统体系，虽然建立了一些部品与构件基地，但“皮之不存、毛将焉附”，因而不能形成产业集群效应。必须要在住宅产业化关键技术上取得突破。要找到一种新型住宅结构体系技术。


1、“预制钢筋混凝土空心模剪力墙结构”简介
采用预制钢筋混凝土空心模构件，针对我国现有住宅建造技术的问题和缺陷，通过整合各项单项技术、设备和工艺，结合国内建筑产业技术背景和技术资源，开发全新的、工业化程度较高的住宅建筑技术体系，包括结构体系、制造加工体系、建造工艺体系、设备机具体系。清华大学现已取得专利技术、技术规程、设计团队、构件自动化生产线、已建成小型示范建筑等综合技术成果。


1.1 预制钢筋混凝土空心模构件：









2011年建造小型示范建筑：













1.2 预制钢筋混凝土空心模构件自动化生产线：
2012年自动化生产线研发制造完成。本生产线采用了全封闭成型，压力注料，自动控制及自动出板、打包、清模、涂刷隔离剂等成套技术。大幅提高生产线自动化水平，极大地节省了劳动力成本。每条生产线可以达到年产量50万至80万平方米预制钢筋混凝土空心模。









1.3 预制混凝土空心模剪力墙结构优点：


1.3.1 技术简单便于推广


1.3.2 施工速度快、节省人工
工地现场减少绑钢筋、支模板和浇注混凝土的工作量。节省人工是本技术的突出优点。


1.3.3 适于大规模产业化
目前，某些装配式结构的预制混凝土构件还停留在只能针对某专项工程的专用工具式模板，在工厂内生产的阶段。并非真正意义上的大规模构件工业化生产。有些只解决外挂板问题，没有解决承重体系问题。


我国已有过预制通用预制混凝土构件大规模成功应用的实践经验，例如预应力圆孔楼板。当年全国有上千家混凝土预制构件厂进行生产。近年来，预制构件厂萎缩的原因，并不说明预应力圆孔楼板本身有问题。关键在于做好楼板的支撑体系，使之在地震荷载的作用下，能保持结构的整体性，防止预制楼板塌落。


预制混凝土空心模类似于预应力圆孔楼板，区别是用在墙体上。它是一种通用构件，制定出若干种型号之后，便可组织大规模生产。然后由设计师根据需要进行选用。因此，适于大规模产业化。


结构整体性好，特别是上下层之间剪力墙连接近似于现浇混凝土结构。


建筑造价不高。低于现浇混凝土结构。


2、几个关键技术问题：
2.1 灌孔浇筑混凝土形成最终构件，构件受力性能研究
研究混凝土空心模剪力墙后灌孔填充用混凝土的适宜配合比。研究了二次填充混凝土的强度等级、膨胀剂掺入量、养护条件、试样形状、三级混凝土模具的孔洞维数和内供水养护方式，对二次填充所制备混凝土试样强度发展历程的影响；采用非接触式混凝土收缩测定仪，研究了膨胀剂、养护方式和内供水养护对混凝土体积稳定性的影响。


混凝土模具如图所示：









将上述掏空的三级混凝土模具继续养护至28天后，使用设定配合比的混凝土进行二次填充，成型后的混凝土试样如图所示。将该混凝土试样继续养护至设定的龄期后，测试其抗压强度。










研究结果表明：采用适当的混凝土配合比，掺入膨胀剂的C20、C30和C40混凝土，二次填充进用混凝土所制备的预制混凝土空心模的孔洞中，可制备出强度相同一次成型的C20和C30混凝土。


混凝土收缩测定仪的测试结果表明：掺入膨胀剂后，在良好的养护条件下，混凝土表现出补偿收缩性能，即混凝土在水化过程中表现出微膨胀效果。但即便是掺入膨胀剂的混凝土，当其浇注后就处于可导致混凝土试样高速失水的环境时，如浇注后即将混凝土试样敞开暴露在低湿度的环境中，混凝土试样在水化期间的体积变化则表现为收缩，这说明：对二次浇注成型所制备的混凝土试件，在浇注完成后，采取及时、适当的措施进行封闭和养护是十分必要的。同时，在混凝土中掺入预吸水的轻骨料来替代部分普通粗骨料可缓解混凝土试件在严酷环境下的收缩量，对提高混凝土的体积稳定性有利。但掺入轻骨料会降低混凝土的强度，因此，如要应用该方法来补偿混凝土试样在严酷环境中的体积稳定性，则应通过增加胶凝材料用量和浆体水胶比等方法来优化混凝土配合比，以补偿该内供水养护方法所导致的混凝土强度损失。


2.2 在混凝土空心模中灌孔浇筑混凝土形成剪力墙的受力性能研究
我们以多层和高层住宅预制混凝土空心模剪力墙结构体系为背景，对墙体抗震性能进行了较为系统的试验研究，取得了以下主要研究成果：


研究了预制混凝土空心模剪力墙的受剪性能和破坏机理。













进行了16片强弯弱剪墙体的拟静力试验研究，分别研究墙体孔洞内混凝土与预制混凝土之间的内部接缝以及不同装配单元间的竖向接缝对墙体性能的影响，各进行了8片墙体试验，研究参数包括：剪跨比、轴压比、水平分布钢筋数量、竖向接缝构造等，研究结果表明：


预制混凝土空心模剪力墙的破坏过程经历整截面墙到分缝墙的过程，具有较好的延性。在水平荷载作用下，预制混凝土空心模剪力墙沿着竖向孔洞和竖向接缝出现由微细斜裂缝组成的竖向裂缝，在峰值荷载前，竖向裂缝两侧混凝土相对变形较小，墙体处于整截面墙工作阶段；峰值荷载后，竖向裂缝两侧预制混凝土相对变形增大，并与孔洞内混凝土慢慢分离，形成分缝墙；所有墙体的位移延性系数都大于5。相对于钢筋混凝土墙体在峰值荷载时的突然破坏，预制混凝土空心模剪力墙具有良好的延性和变形能力。


合理设计的预制混凝土空心模剪力墙避免了脆性剪切破坏，改变了传统剪力墙损伤区域集中于塑性铰区域的状况，水平钢筋和竖向钢筋得到充分利用，混凝土的破坏区域面积大而分散。墙体竖向裂缝的出现、开展，避免了墙体整体斜裂缝的出现，防止墙体发生脆性剪切破坏，峰值荷载时，水平钢筋屈服，峰值荷载后，边缘构件竖向钢筋也慢慢屈服；墙体的破坏区域分布在每一竖向孔洞和竖向接缝处，使破坏区域分散在整个墙体上，而墙体底部没有出现明显的混凝土压溃区域。


预制混凝土空心模剪力墙的竖向接缝和内部接缝是墙体的薄弱区域，在水平荷载作用下，会出现相对变形，提高了墙体的变形能力，墙体抗剪承载力降底小于15%。


内部接缝的破坏，导致预制部分混凝土和后浇混凝土分离，对墙体竖向抗压承载力有不利影响。竖向接缝处横向孔洞内后浇混凝土提供了接缝处抵抗破坏的主要抗力，验证了预制混凝土空心模剪力墙结构体系水平孔洞对提高墙体整体性的重要作用。


随着剪跨比增加，预制混凝土空心模剪力墙的受剪承载力降低，刚度衰减减缓；提高水平分布筋配筋率可以提高受剪承载力，改善墙体的变形能力；轴压力可以提高墙体的受剪承载力和刚度，推迟裂缝出现，但是峰值荷载后墙体变形能力降低。


同时，验证了现行规范剪力墙受剪承载力计算公式的适用性：
采用现有规范剪力墙受剪承载力计算公式计算预制混凝土空心模剪力墙的受剪承载力，表明试验值超过计算值的1.2倍。因此，在墙体良好变形能力保证下，可采用现有规范公式计算预制混凝土空心模剪力墙的受剪承载力。


三、下一步开展工作的思路
确立以企业为中心，形成一套完整的住宅产业化链条，建立“研究—设计—预制—施工”一体化的专业化房屋工厂模式，带动一批传统建筑企业向专业化房屋工厂企业的转型，长期从事住宅工业化的设计与施工业务。进而推动我国住宅产业化整体水平的提升。通过大规模试点工程的推广应用，形成专业一体化管理模式为主，预制构件专业化加工为辅的管理模式和运作方式，培训出一批新型建筑工业化企业，为新农村建设、城镇化建设和政府保障性住房建设提供良好的住宅体系。


住宅主要由主体结构、室内装修、建筑设备三大部分构成。其核心技术是主体结构技术。必须首先研究适合我国国情的符合住宅经济性、适用性、安全性要求的主体结构技术，在此基础上，进一步完善住宅室内装修技术和设施设备系统。形成一整套的标准化、系列化、集约化的住宅建筑工业化集成技术。通过技术集成来统一科研、设计、开发、生产、施工等各环节和各生产要素，从而形成先进的住宅生产方式。

四、结论
住宅产业化是个庞大的系统工程。涉及诸多行业和学科。但无论住宅的内涵和外延如何扩展和更新，都离不开住宅的建筑结构体系。它是住宅功能、住宅经济、住宅科技的物质载体。探索和建立适合中国国情（省情、市情）和市场经济需要，符合产业政策和发展方向的住宅结构体系，是推进住宅产业化的中心环节。预制钢筋混凝土装配整体式剪力墙结构将是重点推广技术之一。清华大学研发的预制混凝土空心模剪力墙结构将传统建材预制构件与现浇钢筋混凝土技术相结合，形成的新型住宅结构体系具有推广价值，有望探索建立具有节能环保意义和巨大市场规模的一种产业化新模式。可带动预制构件传统建材行业产业升级及快速发展。一旦建材行业升级成功,建筑业中的很大一部分价值会转移到建材行业。