装配式建筑用预制混凝土构件的发展与应用技术

1900年，美国研制了一套生产钢筋混凝土空心预制楼板的机器，并用这套机器生产了标准构件组装房屋，体现了建筑工业化。

国外工业化住宅兴起的原因有两个：第一个是工业革命，大批农民向城市集中，导致城市化运动急速发展。第二个是第二次世界大战后，城市住宅需求量剧增，受工业化影响的一批现代派建筑大师开始考虑以工业化的方式生产住宅，如法国的现代建筑大师勒·柯布西耶便曾构想房子也能够像汽车底盘一样工业化成批生产，他的著作《走向新建筑》奠定了工业化住宅、居住机器等最前沿建筑理论的基础；日本丰田公司在第二次世界大战后从汽车行业涉足房屋制造业的时候，其领导人明确提出“要像造汽车一样造房子”。

我国停止福利分房以后，住宅需求一直持续膨胀。这主要是因为：①城市居民改善居住条件的需求巨大；②中国的城市化进程在加速，越来越多的农民涌向城市。这些情况和西方国家发展工业化住宅时的背景有些相似。作为国内知名的房地产开发商，万科曾在2003年提出要像造汽车一样造房子。

怎样像造汽车一样造房子呢？造汽车一般有四个车间：冲压车间、焊接车间、涂装车间、总装车间。汽车的基本部品、部件的制造是前面三个车间所做的工作，可以不在汽车厂内完成，采取订单的方式委托其他专业厂家进行加工，最后在总装车间把所有的零部件组装在一起，形成一个完整的汽车产品。对应房地产，前三个都是构件预制的过程，总装车间则对应现场装配，最终形成的产品是住宅。不论构件是外购还是自己生产，最终按照开发商的产品设计、生产、建造的房子就是自有品牌的房子。

1.工业化住宅发展历程

法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一。20世纪50—70年代，法国出现了第一代建筑工业化，以全装配式大板和工具式模板现浇工艺为标志，出现了许多专用建筑体系，不同体系出自不同厂商，各建筑体系的构件互不通用，而工业化住宅存在千篇一律的缺点。到了70年代，房屋的需求基本上得到了解决，工业化住宅进入了质量阶段，即以发展通用构配件制品和设备为特征的第二代建筑工业化。法国于1977年成立构件建筑协会（ACC），1978年，该协会制订尺寸协调规则，同年，有关部门提出以推广“构造体系”作为向通用建筑体系过渡的一种手段。构造体系是以尺寸协调规则为基础，由施工企业或设计事务所提出主体结构体系。它由一系列能相互代换的定型构件组成，形成该体系的构件目录，建筑师可以采用其中的构件，像搭积木一样组成多样化的建筑。到1981年，全法国已选出25种构造体系。法国构造体系以预制混凝土体系为主，钢、木结构体系为辅，多采用框架或者板柱体系，向大跨度发展，焊接、螺栓连接等干法作业流行，结构构件与设备、装修工程分开，减少预埋，生产和施工质量高。但不同体系的构件一般不能通用，导致生产规模较小，在政府提供优惠政策的情况下仅占市场份额的2.5%。1982年，法国政府对这些问题进行了反思：一是主体工程占住宅总造价的50%，其中预制混凝土构件仅占20%，所以把提高生产率的希望仅仅寄予预制构件的生产是片面的，对产业链上的所有环节（从生产到运输，从施工到安装等），都应该提高效率，革新技术；二是由政府来推广某种技术体系是不合适的，应该是由政府确定目标，而由企业自己去想办法达到这个目标。1982年，法国政府制定了一个“居住88”计划：到1988年，全国应该有20 000套样板住宅，其成本要比1982年降低25%，并且质量不能降低。政府提出了这样的目标，而具体用什么样的技术，则由企业自己解决。

为了推行住宅建筑工业化，近年来法国混凝土工业联合会和法国混凝土制品研究中心把全国近60个预制厂组织在一起，由它们提供产品的技术信息和经济信息，编制出一套G5软件系统。这套软件系统把遵守同一模数协调规则、在安装上具有兼容性的建筑部件（主要是围护构件、内墙、楼板、柱和梁、楼梯和各种技术管道）汇集在产品目录之内，它告诉使用者有关选择的协调规则、各种类型部件的技术数据和尺寸数据、特定建筑部位的施工方法，其主要外形、部件之间的连接方法，设计上的经济性等。采用这套软件系统，可以把任何一个建筑设计转变为用工业化建筑部件进行设计而又不改变原设计的特点，尤其是建筑艺术方面的特点。

美国的工业化住宅起源于20世纪30年代，当时是汽车拖车式的用于野营的汽车房屋。20世纪50年代后，美国出现了严重的住房短缺，一些住宅生产厂家开始生产外观更像传统住宅但可以用大型的汽车拉到各个地方直接安装的工业化住宅。可以说，汽车房屋是美国工业化住宅的一个雏形。70年代以后，人们对住宅的要求更高了，除了注重质量，现在的工业化住宅更加注重美观、舒适性、节能及个性化，许多工业化住宅的外观与非工业化住宅外观相差无几。1997年，美国新建住宅147.6万套，其中工业化住宅113万套；2001年，美国的工业化住宅已经达到了1 000万套，占美国住宅总量的7%，为2 200万的美国人解决了居住问题；2007年，美国的工业化住宅总值达到118亿美元。现在在美国，每16个人中就有1个人居住的是工业化住宅，工业化住宅已成为非政府补贴的经济适用房的主要形式，因为其成本还不到非工业化住宅的一半。美国为了促进工业化住宅的发展，出台了很多法律和相关产业政策，如美国联邦政府住房和城市发展部（Department of Housing and Urban Development，HUD）颁布了《美国工业化住宅建设和安全标准》（National Manufactured Housing Construction and Safety Standards，简称HUD标准），对所有工业化住宅的设计、施工和强度、耐久性、节能等质量进行了规范；《联邦工业化住宅安装标准》（HUD Proposed Federal Model Manufactured Home Installation Standards）是全美所有新建HUD标准的工业化住宅进行初始安装的基本标准。

日本预制住宅技术的发展：1955—1965年为预制住宅技术的开发期，大量建造了5层以下的预制大板式住宅；1965—1975年为预制住宅的最盛期。1970年，日本住宅公团开发了HPC工法（H型高强度钢与预制混凝土板组装施工），并被应用到14层的高层住宅开发。但是，1973年的第一次石油危机以后，由于土地不足，导致住宅小区小型化，同时由于需求的多样化、高级化，预制混凝土工法建造的住宅急速减少。1975年以后为预制住宅的再度发展期。1975年开始实施钢筋混凝土构造的预制化，即从现浇混凝土向预制混凝土转变。在此期间，RPC（预制混凝土框架结构）施工工法被开发实施。因此，预制大板式工法也向RPC工法转化，而且RPC工法也逐渐从多层向高层、超高层的应用发展。为了解决超高层建筑预制柱断面过大的问题，高强混凝土及高强钢筋开始被应用到实际工程。

日本建筑中心对预制住宅的认定标准是：全套住宅建造过程中的2/3或以上在工厂完成，及主要结构部分（墙、柱、地板、梁、屋面、楼梯等，不包括隔断墙、辅助柱、底层地板、局部楼梯、室外楼梯等）均为工厂生产的规格化部件，并采用装配式工法施工的住宅。日本的预制结构体系主要有板式体系和框架体系。板式体系有：WPC——板式（剪力墙）预制混凝土（适合5层以下）；WRPC——框架剪力墙预制混凝土（适合7～14层）。框架体系有：RPC——框架预制混凝土（适合3～14层）；HRPC——高层框架预制混凝土（适合14层以上）。日本预制住宅市场最主流的还是预制框架体系，这是因为：①比起板式结构（WPC和WRPC），框架结构（RPC和HRPC）更适合高层住宅，可以做14层以上的预制住宅；②RPC结构也更适合多样化、自由的平面布局的需求；③RPC成本低，空间灵活性大，容易与其他结构（比如RC或钢结构）组合成复合工法；④框架结构的连接方式是最简单的。

我国在20世纪70年代初的时候就开始设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化和墙体改革，其最终目标是实现建筑工业化的高质量、高速度、高功效和低成本。为此，20世纪70—80年代，政府开始了一系列与住宅产业化相关的政策制定，包括改革城镇住房制度、停止福利分房。随着城镇住宅建设的加快，房地产行业开始萌芽。

在技术方面，最早是学习苏联的大板房技术。这种技术有较多缺点，如抗震性能差、外墙的防水防渗技术比较落后、保温隔热及隔声性能差、造型单调等，逐渐被淘汰了。

1998年，建设部住宅产业化促进中心成立，1999年，国务院办公厅转发建设部等八部委《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量若干意见》，要求加快住宅建设从粗放型向集约型转变，推进住宅产业现代化，提高住宅质量。在这个文件中，第一次提出了住宅产业现代化的概念。此后，在JICA项目专家的支持下，参照日本的成熟做法，逐步建立了中国的《商品住宅性能指标体系》《国家康居示范工程建设技术要点》等文件，开始对中国的商品住宅进行性能认定。国内的住宅产业化工作主要集中在住宅部品的研发和生产上面，对工业化住宅建造体系的研究较少，主要集中在轻钢结构的住宅体系方面。从1998年建设部住宅产业化促进中心成立开始到2005年为止，中心陆续批准建立了几个国家级的住宅产业化示范基地，包括天津二建、青岛海尔、正泰电气、北新建材等，都是住宅部品和设备的生产型企业。2005年批准建立的合肥经济开发区也是一个住宅部品和设备生产的工业园。这些基地有产品、有技术，但当它们的住宅部品和技术投向市场的时候，却发现因为技术的配套与标准问题、审批和验收的问题、成本的问题等，开发商不愿意使用。2006年6月，住宅产业化促进中心颁布了修改后的国家住宅产业化基地的管理规定，把产业化基地分成了三大类，除了保留原来的生产型基地之外，新增加了两类：一类是试点城市，第一个住宅产业化试点城市授予了深圳市，主要是考虑到深圳作为经济特区，有立法权，能够进行产业政策方面的制定，给予住宅产业的相关企业以一定的政策支持；另一类是以房地产开发商为龙头整合住宅产业链上的企业形成的企业联盟，属于开发应用型的产业化基地，万科成为第一个获得国家“住宅产业化基地”称号的房地产开发商。

上海市2014年发布《关于推进本市装配式建筑发展的实施意见》，要求：

（1）各区县政府和相关管委会在本区域供地面积总量中落实的装配式建筑的建筑面积比例，2015年不少于50%；2016年起，外环线以内新建民用建筑应全部采用装配式建筑，外环线以外超过50%；2017年起，外环线以外在50%基础上逐年增加。(www.xing528.com)

（2）采用混凝土结构体系建造的装配式住宅单体预制装配率和装配式公共建筑单体预制装配率应不低于30%，2016年起，不低于40%。装配式建筑项目的建筑外墙宜采用预制夹芯保温墙体。

（3）2016年起，外环线以外的建筑项目还应按照以下要求实施装配式建筑（建筑高度超过100 m的除外）：

①政府投资的总建筑面积2万m2以上的新建（扩建）学校（含校舍）、医院、养老建筑等项目原则上应采用装配式建筑；

②总建筑面积5万m2以上的新建保障性住房项目（暂不包括用于安置被征地农民的区属动迁安置房建设项目）应采用装配式建筑；

③总建筑面积10万m2以上的新建商品住宅项目和总建筑面积3万m2以上或单体建筑面积2万m2以上的新建商业、办公等公共建筑项目应全部采用装配式建筑，并在土地供应条件中明确相关内容。

（4）装配式建筑外墙采用预制夹芯保温墙体的，其预制夹芯保温墙体面积可不计入容积率，但其建筑面积不应超过总建筑面积的3%。

（5）对于2015年年底前签订土地出让合同、2016年年底前开工建设的、总建筑面积达到3万m2以上的装配式住宅项目（政府投资项目除外），预制装配率达到40%及以上的，每平方米补贴100元，单个项目最高补贴1 000万元。

（6）鼓励装配式构件生产企业积极申请建筑施工专业承包企业资质。

中国香港的住宅工业化始于1953年，政府启动了公屋计划。从20世纪80年代后期开始，香港房屋委员会（房委会）提出预制构件的概念，开始在公屋建设中使用预制混凝土构件。当时所有的预制构件都是工地制作，后来逐渐把构件预制的工作转移到预制构件厂。最先放到预制厂生产的是洗手池和厨房灶台，这两个小部件改为预制装配式后，不但质量得以保证，施工速度也加快了，现场产生的建筑垃圾也减少了，预制装配的工业化工法取得了成功。于是，房委会进一步推动预制装配式的工业化施工方法，把施工现场最浪费模板、最费工时的楼梯也进行预制。1990年，房委会又推行把传统的砌筑内隔墙改为预制条形墙板，虽然出现诸如墙体开裂、隔声不好、不能吊挂重物等问题，但由于预制内墙板具有加快施工速度、增加使用面积、节约人工和材料、减少建筑垃圾等优越性，房委会还是坚持推广预制内墙板：一方面，政府于2005年开征建筑废弃物处置费；另一方面，政府还采取了一系列质量保障措施，所有生产厂家必须通过ISO质量保证体系认可，使用的配套材料必须经过认证，内墙板的生产和安装由同一家分包商负责，厂家对工地负责的是最后的墙体，而不是送交的墙板等。质量保障措施实施后，最终取得了较好的效果。内墙板的应用得到了普及，又促进了外墙板的生产。由于香港采用英国的结构设计标准，不考虑抗震，外挂式预制混凝土外墙板通过现浇结合部与框架结构主体连接，能够突出预制装配的优越性，同时解决了框架填充砌块外墙的渗漏问题及外墙瓷砖饰面黏结强度问题。由于预制装配式外墙的质量保证率较高，所以从20世纪90年代起，香港的公屋建造强制性要求使用预制外墙，由于公屋的设计标准化、预制构件的生产规模化，产生了不错的效率和效益。为鼓励地产发展商提供环保设施、采用环保建筑方法和技术创新，2001年、2002年香港屋宇署、地政总署和规划署等部门联合发布《联合作业备考第1号》及《联合作业备考第2号》，规定采用露台、空中花园、非结构预制外墙等环保措施的项目将获得面积豁免，多出的可售面积可以部分抵消发展商的成本增加。这两份文件对香港住宅产业（尤其是私人发展商）的影响巨大，私人发展商采用预制外墙的项目数量从2001年之前的4个增长到2006年的26个。到今天，由于绝大部分的住宅（含公屋和私人项目）采用了预制建造技术，一些大型建筑公司纷纷到珠江三角洲地区开设预制构件厂。现在，预制构件已经不再是单调、呆板的代名词了，现场不容易搭建模板的异型构件，采用预制装配式反倒更加有效，比如能够表现波浪起伏造型的预制构件。

2.我国混凝土预制构件的发展阶段

第一阶段，从20世纪50年代起，我国处于经济恢复和国民经济的第一个五年计划时期。在苏联建筑工业化的影响下，我国建筑行业开始走预制装配式的发展道路。这一时期的主要预制件有：柱、吊车梁、屋面梁、屋面板、天窗架等。除屋面板及一些小型吊车梁、小跨度屋架外，大多是现场预制，预制作业仍然是施工企业的一部分。

第二阶段，20世纪60年代末到70年代初，随着中小预应力构件的发展，出现了大批预制件厂。用于民用建筑的空心板、平板、檩条、挂瓦扳，用于工业建筑的屋面板、F形板、槽形板，以及工业与民用建筑均可采用的V形折板、马鞍形板等成为这些构件厂的主要产品，预制件行业开始形成。

第三阶段，20世纪70年代中期，在政府部门的大力提倡下，建起了大批混凝土大板厂和框架轻板厂，掀起了预制件行业发展的热潮。到80年代中期，我国城乡建立了数万个规模不同的预制件厂，我国构件行业发展达到了巅峰。在此阶段，主要的预制构件有以下种类：民用建筑构件，包括外墙板、预应力大楼板、预应力圆孔板、预制混凝土阳台等；工业建筑构件，包括吊车梁、预制柱、预应力屋架、屋面板、屋面梁等。从技术上看，我国预制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。

第四阶段，20世纪90年代以来，构件企业利润微薄，城市的大中型构件厂大多已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生产，而某些乡镇企业生产的劣质空心板影响了预制件行业的形象。1999年年初以来，一些城市相继下令禁止使用预制空心楼板，一律改用现浇混凝土结构，给预制件行业以沉重的打击。进入21世纪，人们开始逐渐发现现浇结构体系存在的弊端，我国建筑行业兴起了“建筑工业化”“住宅产业化”的浪潮，预制件的发展进入了一个崭新的时代。