新型现代预制预应力混凝土结构体系在住宅产业化中的应用

预制预应力混凝土结构是建筑工业化发展的必然产物，在20世纪50年代初，预制预应力混凝土在发达国家的建筑结构体系中就已开始发展。在工业时代早期，这种结构在低抗震设防区应用较多，现在已广泛应用于住宅与写字楼建筑结构、停车场、体育场与剧院、桥梁及其它特种结构等。



预制装配建筑技术是目前国际建筑工业化的潮流之一，能推动建筑产业化、降低建筑全寿命用能的消耗、提高建筑产品质量，也是国际公认的可持续发展技术，在发达国家及许多地区都获得了广泛推广与应用。


预制预应力混凝土结构（Precast and PrestressedConcrete Structures）是采用预制混凝土及预制预应力混凝土为主要构件，依据结构体系要求，进行构件与配件工厂化预制加工制作，运输至现场经过装配、连接及现场部分灌注胶接材料或浇筑混凝土而成的混凝土结构。


预制预应力混凝土建筑结构体系中的部分结构与构件可适当采用现浇混凝土，以满足工程设计和施工的需要。预制预应力混凝土建筑结构的主要特点是绿色施工、节能环保，与完全现浇混凝土结构相比，其优越性体现在：


预制装配工艺的运用，使劳动力资源投入相对减少；建筑产业化比例提高，施工效率提高；预制构件的装配化，缩短工程施工周期；


施工机械化程度明显提高，操作人员劳动强度得到有效缓解；现场装配、连接，可避免或减轻施工对周边环境的影响；


预制构件工业化程度高；建筑外形美观、质量一流；成型模具和生产设备一次性投入后可重复使用，耗材少，节约资源和费用；


采用预应力先张法或后张法技术，提高预制构件结构性能，提高节点抗震性能，保证结构安全可靠；


建筑结构安全可靠；建筑物防水、抗渗与耐久性等效果有可靠保证；


建筑保温节能性能卓越，建筑用能降低。


新型现代预制预应力混凝土结构体系研究
目前新型现代预制预应力混凝土建筑结构体系设计与施工研究主要包括：预制预应力混凝土建筑结构体系设计与优化；预制预应力混凝土单体构件（梁、墙、板、柱、楼梯与阳台等）设计与优化；预制预应力建筑结构体系抗震设计；预制预应力混凝土结构节点构造与连接方式设计与试验研究；预制预应力混凝土材料（HPC与UHPSC材料、清水与彩色建筑混凝土、灌浆料、自密实混凝土等）开发与应用；预制先张法预应力和预制后张法预应力综合技术开发；大型与重型构件吊装、运输与存放综合技术开发；预制构件专用临时支撑系统与综合施工技术开发；其它专业配套技术（节能保温承重与非承重墙板开发、预制构件编码系统开发等）；经济指标与节能、降耗与减排分析、预制预应力混凝土建筑结构体系技术标准的制定等。


预制预应力混凝土建筑结构体系设计与优化。预制预应力混凝土结构的发展，首要解决的问题就是结构体系的设计与优化问题。在高抗震设防区，选择合适的预制结构体系首先应考虑其抗震性能。合理的设计准则、重视节点连接与构造措施是设计地震区预制预应力混凝土结构的基本要求。对于预制预应力混凝土结构，要特别注意连接构造措施，连接构造措施不仅是传递荷载，而且可使整个结构的变形协调、统一。在地震区，限制结构产生位移和转角非常重要，因为位移或转角能够引起建筑物的结构损坏和非结构性的损伤，甚至导致坍塌。由于结构尺寸不规则而必须采用防震缝的话，建议防震缝通过某种拉接体系实现不完全约束，并在建筑各部分间加减震材料从而降低由于撞击作用引起的可能的损坏。


预制预应力混凝土单体构件设计与优化。预制预应力混凝土的单体构件可能包括楼板、梁、柱、墙板、支座以及楼梯等。单体构件的设计既要考虑使用状态的荷载，也要考虑施工运输、吊装阶段的荷载，这与全现浇体系不同。目前，国内由于预制体系的推广仍处在起步阶段，有关预制构件的设计仍需进一步完善。有关单体构件的设计与优化，主要有以下几方面工作需要开展：

（1）适应结构体系的构件。预制预应力混凝土结构在国内的产业化进程方兴未艾，有关结构体系仍需开展许多重新设计与优化分析的工作，因此，对应适用的结构体系，势必需要对应的适用的构件。

（2）使用阶段分析与优化。预制构件最终将装配成整体结构，因此必须对其使用阶段将承受的荷载作用准确分析，从而相应地进行截面设计与优化。

（3）预应力结构设计优化。预应力的施加可能出现在单体构件内部，也可作为连接构件的有效手段。当作为单体构件内部建立的预应力时，有时是为使用阶段而施加预应力，有时则是为施工阶段而施加预应力。因此，预应力的施加有着相当的设计优化空间。

（4）施工阶段分析与优化。预制构件不同于全现浇构件，在最终装配成整体结构前，还存在一个制作、运输、安装阶段。这个阶段，构件仍是单体，就需对单体构件的施工阶段进行准确分析，包括吊点位置、吊装过程中自重以及风荷载的影响等，有时若干构件组合成一个单元同步吊装，此时应分析该单元在施工阶段的各种作用。

预制预应力建筑结构体系抗震设计。建筑结构抗震性能的优劣实质上就是结构整体协同工作性能的体现，一般情况下，预制建筑结构的抗震性能要低于全现浇结构。也正是由于这个原因，预制建筑结构的抗震设计和抗震性能研究尤其重要。这至少包括如下几个方面：

（1）结构体系研究。预制结构的抗震性能有别于现浇结构，但是有关现浇结构抗震性能的许多成果和结论对预制结构有着重要参考价值，如不同烈度地区对结构高度和层数的限制，不同结构体系的适用范围等。在此基础上，应通过对预制建筑结构体系的进一步研究得到相应的研究成果。

（2）连接节点设计。预制结构由大量单体构件在施工现场拼装而成，结构整体工作性能主要取决于连接节点的工作性能，因此就要求预制结构的节点设计尽可能使其在地震作用下的工作性能接近于现浇结构。连接节点的设计与构造是预制结构能否提高抗震性能的关键，应有针对性地进行专门试验与理论研究。

（3）预应力技术的应用。除了采用预应力单体构件外，预制预应力建筑结构体系还可利用预应力技术提高结构的整体工作性能和抗震性能。预应力的施加提高了结构的恢复力特性，使结构在更大的荷载作用下仍处于线弹性状态，实际上提高了小震和中震作用下结构的工作性能，如果再配以适量的非预应力钢筋，大震作用下的耗能能力也可进一步增强，整体抗震能力将进一步提高。


预制预应力混凝土结构节点连接设计与试验研究。连接构造措施是预制混凝土结构设计重要的因素之一。预制建筑构件(如柱、梁、板和剪力墙体) 之间的连接必须有效地将单个结构构件互相连成统一整体，使得整个建筑结构协调一致。这样，预制结构的力学性能就与现浇结构相同。


目前国内外在预制节点连接构造方面研究较多，并已有一些推荐做法，如美国PCI推荐采用注浆钢套管机械连接方法，并将其应用到板与墙的连接、柱与梁的连接、墙与边缘构件的连接等。国内柱与柱连接的方法则不同，包括榫式连接、浆锚连接、插入式连接等，梁与柱的连接包括明牛腿式连接、齿槽式、暗牛腿式、整浇式、叠压浆锚式等多种。


其他专业配套技术。当前建筑发展要求节能降耗，提倡可持续发展，因此，新型墙体的研发应首先保证其节能保温效果，在此基础上可开发出承重墙体和非承重墙体。由于建筑结构的使用周期较长，耐久性也是一个应引起广泛关注的重要因素。


预制预应力混凝土结构在美国的应用
美国预制预应力混凝土协会PCI（Precast/Prestressed Concrete Institute) 成立于1954年，是美国预制预应力行业的权威学会，也是国际上公认的技术水平领先的行业内学术机构。PCI学会的所属企业和会员在预制预应力混凝土结构方面的研究开发工作为世界领先水平，PCI预制混凝土结构体系包括多种结构体系，可适用于各种使用要求和工程条件（见图1～5）。此外，预制预应力混凝土结构在高地震烈度地区的高层和超高层建筑结构中也得到应用。

















预制预应力装配建筑在我国的应用与建议
建筑混凝土预制构件行业在我国已有50多年的历史，曾为我国建筑工业化作出过不可磨灭的贡献，然而唐山大地震的发生、以往我国“装配和半装配混凝土”建筑技术的不完善以及体制不健全等原因，使得预制预应力混凝土构件在建筑设计与施工的大舞台中份额日益减少。


工业建筑从上世纪50年代起就学习前苏联走预制装配化的道路, 柱、吊车梁、屋架或屋面梁、屋面板、天窗架等主要结构构件均采用预制；60年代末70 年代初, 主要生产用于民用建筑的空心板、平板，工业建筑用的屋面板、槽形板以及工业、民用建筑均可采用的V 形折板、马鞍形板等产品；70年代中期投资建起一大批混凝土大板厂和框架轻板厂；到80年代中期, 全国城乡建立起了数万个规模不同的预制构件厂(其中90%以上是规模很小的乡镇企业) 。从技术上看,预制构件的生产从以手工为主到机械搅拌、机械成型再到工厂的机械化程度很高的流水线生产,经历了一个由低到高的发展过程，但整体上我国预制构件的生产还处在较低水平。由于多种原因,进入90 年代以来,预制构件企业无利可图,城市大中型构件厂大多到了无法维持的地步,民用建筑上的小构件已让位给乡镇小构件厂。随着各地相继规定禁止使用预制空心楼板,改用现浇混凝土结构,建筑工程中的预制构件生产企业日渐衰落。


目前我国在建设工程中占主导地位的仍是现浇结构，其代价却是引发严重的城市环境污染、噪声污染等，致使城市居民生活质量下降，现场湿作业不可避免的造成建筑材料资源浪费。随着城市居民生活水准的提高，对环境污染、噪声污染的限制越来越严，对建设工程的环境要求也会越来越高，同时城市建设用地（建设现场用地）的紧张，各种建筑资源的缺少，必然增加建设成本，因此装配结构的优点会越来越凸现，尤其在降低能源消耗、节约成本、降低污染方面，装配结构必然可以部分或大部分取代现浇结构，成为建筑市场的宠儿，并带来巨大的经济与社会效益，因此具有广阔的发展前景。


近年来，国内推广住宅产业化，以提高住宅生产的劳动生产率、质量稳定性并降低物耗和能耗为目标。如北京万科中粮假日风景B3和B4号楼是北京市住宅产业化的第一个试点项目，该项目的产业化生产主要体现在采用预制混凝土结构体系、预制混凝土外墙外保温系统和全装配方面，这种建造方式与传统工艺建造的房屋相比，能够改善墙体开裂、渗漏等质量通病，并提高住宅整体安全等级、防火性和耐久性。B3和B4号楼的建设过程通过工厂化生产和现场装配施工，大幅减少了建筑垃圾和建筑污水，降低了建筑噪声和有害气体及粉尘的排放。由于对钢模板等材料的重复利用率提高，建筑垃圾减少，材料损耗减少，可回收材料增加，建筑节能达到50%以上。与采用全现浇混凝土施工工艺相比，这两栋楼的施工周期缩短了20％左右。


预制预应力混凝土结构体系在住宅产业化发展过程中有着特殊的重要意义，具有广阔的发展前景。结合当前形势，对预制预应力装配建筑在我国的发展提出几点建议：

（1）结合国情制定长远发展规划，依据市场需求、国内外预制工业化技术发展大趋势，制定可行、高效计划，有步骤地打好基础。以科学发展观、可持续发展观推进预制预应力混凝土结构的产业化，同时深刻反思我国上世纪50～70年代预制工业化的兴旺和80年代之后逐渐衰落的原因，制定正确、长远的住宅产业化、预制工业化发展战略，给其发育和发展以充足的时间与空间，避免“一哄而上”和急功近利等短期行为，以预制预应力混凝土建筑结构整体技术发展为契机，充分吸收国内外已成熟的经验，建造精品工程，同时带动相关科研开发、设计、预制工厂、建筑产品、大型运输和吊装、施工等一系列行业健康发展。

（2）根据预制预应力混凝土建筑结构体系的内在技术要求，从工程建筑方案设计开始，将建筑、结构和施工等统一考虑，认清预制预应力混凝土建筑结构的设计与全现浇混凝土结构的差异性，由具备设计施工一体化条件的企业进行试点工程。充分认识土木工程中现浇混凝土和预制混凝土各自的优越性，充分发挥二者的优势互补作用，切忌将二者“对立和排斥”起来。

（3）对于8度抗震设防烈度地区，预制预应力混凝土建筑结构设计难度加大，因此必须研究适合此类地区的建筑结构体系，不能简单仿照国外的做法。同时应改变对预制预应力混凝土建筑结构抗震性能差的认识偏差，通过深入系统的预制预应力混凝土建筑结构抗震研究，解决高地震烈度地区预制预应力混凝土建筑结构抗震设计关键技术。充分认识预制结构体系与技术可以满足抗震性能等全面要求，技术研究、配套装备和实用产品需要加快跟上，提供可实施的全面保证。

（4）预制混凝土和预应力技术是一对密不可分的相关技术，国内全现浇混凝土结构发展迅速，预制混凝土建筑结构长期处于停滞状态，造成预制和预应力技术发展极不平衡，应促进两类实体加强合作，提供技术方面保证。预应力技术的综合应用对提高预制混凝土建筑结构的整体性和抗震性能具有重要作用。

（5）明确产业发展基本原则、目标和要求，提高住宅建筑内在和外在品质，以提高性价比为优化目标，切忌以追求低造价或廉价为目标，切实防止20世纪70年代预制大板建筑的“速度快、成本低、质量问题多、不节能、舒适性差”等缺陷。设计、施工等采用预制混凝土可以长期化、经常化，促进预制混凝土成为品种齐全、标准化设计、使用方便的工业产品。预制工业化技术发展要求研究、设计、施工、预制厂家及相关配套企业等全面发展，以技术可持续发展带动全行业发展，切忌“各自为政、短期行为、资源分散、重复低效”。

（6）在当前形势下，预制预应力混凝土建筑结构体系要想生存、实现可持续发展，需要整个行业从政策制定、标准的推出及完善、设计与施工等所有相关部门与人员认识到位，全面根据社会与市场发展要求，充分吸收、发展国内外先进技术，结合国情和当地实际情况，扬长避短开发预制预应力装配和半装配混凝土结构体系及新工艺和新产品。

随着新型现代预制预应力混凝土建筑结构体系的深入研究、应用与发展，可以预见，新型现代预制预应力混凝土建筑结构体系将产生质的飞跃，并能全面、系统和高效地支持和满足现代住宅产业化的发展需求。

文/北京市建筑工程研究院?李晨光