装配式结构体系的发展与建筑工业化

①

严　薇,　曹永红,　李国荣

(重庆大学　土木工程学院,重庆　400045)摘要:通过对目前建筑施工现状的分析,提出装配式结构体系的发展,不仅可以解决施工中存在的问题,而且是实现建筑工业化的关键。提出以技术创新为基点,对装配式结构体系的结构性能、施工方法、预制化生产等方面进行科研,对建筑工厂等相关企业进行流程再造,扬长避短,推动建筑工业化的发展。

关键词:建筑工业化;新型装配式结构体系;流程再造

中图分类号:TU71　　文献标识码:A 　　文章编号:1006-7329(2004)05-0131-06

Development of Assembly -Type RC Structure and Building Industrialization

YAN Wei ,CAO Y ong -hong ,L I Guo -rong

(College of Civil Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400045,P.R.China )

Abstract :Based on the analysis of the status of building construction in China ,the development of Assembled Structure System (ASS )can solve not only the problems in construction ,but also is the key for realization of building industrialization.On the basis of technique innovations ,a study on the structural performance ,con 2struction method and precast production of ASS should be carried out to inherit the old one and overcome its demerits.The process reengineering should be done in the construction enterprise to promote the development of building industrialization.

K eyw ords :building industrialization ;new assembly -type RC structure ;process reengineering

在未来几十年中,中国经济仍将以一定的速度持续发展,因而对建筑产品将产生一种持续的需求。同时,随着科学技术的高度发展及人们对生活品质提出更高的要求,未来社会需要在一定时间内获得更多的高品质的建筑产品。面对这样一种巨大的、持续的需求和即将开放的建筑市场,我国建筑业既拥有机遇,又面临挑战,如何把握对整个民族建筑业的发展将产生深远的影响。

逐步实现建筑工业化,是迎接挑战、抓住机遇的必要途径,这是为大家所公认的。但究竟如何去实现建筑工业化,则在理论上和实践工作中均未达成共识。笔者认为,要实现建筑工业化,必须要重新审视装配式结构体系的应用前景,高度重视与此相关的理论研究,为大力发展装配式结构体系提供理论和工程设计的依据。提出这一论点,是基于以下几方面的分析。

1　中国建筑工业化发展现状

建筑工业化,就是要用大工业的生产方式来建造工业和民用建筑,是建筑业从手工操作的小生产方式逐步过渡到社会化大生产方式的全过程。要把不同类型的房屋作为工业产品,分别采用统一的结构形式和成套的标准构配件,采用先进的工艺,按专业分工,集中在工厂进行大批量生产,然后在现场进行机械化的施工安装。建筑工业化的基本内容,是建筑标准化和体系化,建筑构配件生产工厂化,施工机械化和建第26卷　第5期2004年10月　　　　　　　　重庆建筑大学学报Journal of Chongqing Jianzhu University 　　　　　　　Vol.26　N о.5Oct.2004

①收稿日期:2004-05-25

作者简介:严　薇(19-),女,贵州遵义人,副教授,主要从事施工技术及工程项目管理研究。

筑管理科学化。

我国在20世纪50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70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80年代末,全国已有数万家构件厂,全国预制混凝土年产量达2500万m3。工厂化的新发展使商品混凝土得到了很大发展,我国大、中城市(尤其是我国东部地区)基本上都已拥有商品混凝土生产企业,年生产能力已达到3000万m3以上。部分大城市的商品混凝土产量已超过现浇混凝土总量的50%。我国的建筑机械行业得到了巨大的发展,通过引进、消化、吸收和国产化,迅速缩小与国外先进水平的差距。1990年建工系统全员动力装备率就已达到每人3.2kW,综合机械化施工程度已达到60%以上,打桩、吊装、垂直运输机械化达到95%以上[1,2]。

由于多层工业与民用建筑大多采用现浇混凝土结构体系,所以建筑工业化也是围绕这一体系进行的。商品混凝土的大力发展正是其典型代表。勿庸置疑,所有进行的革新均有助于建筑业的发展。然而,由于现浇结构体系自身的特点,大量的手工劳动不可避免。现场仍然要进行支模,钢筋绑扎、连接,混凝土的振捣、养护等等,均为手工操作,不可能进行完全的工业化生产。

2　钢筋混凝土现浇结构体系的应用现状

在我国,钢筋混凝土工程在多层建筑中占主导地位,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。

2.1　阻碍全面工业化生产的实现

现浇结构施工中,许多由手工操作的工序无法用机械完成,也无法用其他方法取代这些工序。如模板工序基本为手工作业,劳动强度大,费时长,工序质量对结构的质量影响巨大,且该工序的高空作业又易引起质量波动。但由于建筑产品的多样性,该工序无法实现机械化操作。因此,若仅在现浇结构的前提下研究建筑工业化,就只能是部分工业化。

2.2　工程施工工期长

现浇结构体系施工,从搭脚手、支模、扎筋、到混凝土浇筑及墙体砌筑,多数工作主要由手工劳动完成,生产效率十分低下,导致施工工期偏长。再加上现场露天作业受自然条件影响,有可能使工程工期进一步延长,从而使项目的投资效益得不到及时发挥,给业主和国家带来经济损失。同时,由于工期长,也易造成业主为赶工期而违背基本建设程序,出现边勘察、边设计、边施工的现象。

2.3　工程成本难以有效控制

由于现浇结构体系的工序复杂,手工劳动多,受外界干扰大,许多成本因素难以控制。而且,工期越长,影响成本的因素变化就越多,进一步加大了成本控制的难度。目前,许多工程的决算就大大超过预算,造成项目投资的失控,严重干扰了国家对固定资产投资的宏观。

2.4　工程质量难以得到可靠保证

工程质量难以控制,这几年工程质量事故频繁,给国家和人民的生命和财产造成巨大损失。其中很多是现浇混凝土结构。分析造成这些工程事故的原因,与所采用的现浇混凝土结构体系施工质量难以控制有很大的关联[3～7]。

2.4.1　从技术上分析　(1)现浇结构结点处钢筋穿插数量多,易打架,施工中不能准确实现设计对钢筋位置的要求,造成有效高度降低,保护层厚度不一,钢筋间距不能满足规范要求,钢筋锚固长度不足等问题。

(2)钢筋混凝土成型中常用的小板钢模多次使用后板缝较大,易漏浆,尤其结点处模板连接更为困难,难以保证结点尺寸,漏浆更突出,其结果是造成混凝土表面蜂窝、麻面、露筋,甚至大的空洞。(3)模板的支撑体系处理不好,会造成下陷,使结构构件外形尺寸不能满足设计要求,改变其受力性能,无法正常使用,对于大开间的模板支撑体系,严重的还可能引发垮塌事故。(4)混凝土振捣过程中,易发生漏振,振捣不密实的

情况,结点处由于钢筋密集,振捣尤为困难,易使结点处的刚度和强度降低。养护时间不足就拆卸模板和支撑,造成结构构件开裂。现在推广使用的泵送混凝土,也存在混凝土开裂的问题。(5)维护结构的墙体多采用砌体砌筑,也是手工操作。由于不是承重结构,墙体的砌筑非常马虎,垂直度、砂浆强度、砂浆饱满度不易满足设计及施工规范的要求,并且影响后续工作如抹灰、装饰等工作效率和效果。与柱连接的构造钢筋由于预埋位置与砌筑模数不合,操作不便,常常被工人切断,所有这些均形成质量隐患。

2.4.2　从管理上分析　由于所有工序均是现场作业,给质量控制带来许多困难。(1)建筑工程施工中使用的材料种类多、数量大、来源广、变异性大,但现场很难建立稳定、有效的制度进行检验和控制,保证所有使用材料的品质。(2)现浇体系在现场生产的工序环节多,生产条件不稳定,很难对每一个工序的生产过程实行规范化管理,再加上多数工序均为手工劳动,其工序质量很大程度上依靠工人的责任心、技术水平、身心状况来决定。而由于现浇体系的工序繁多,一个工人在不同的时间要从事多种不同的工作。这样虽可能培养工人的一专多能,但不利于工人熟练掌握、深入钻研所从事工作的技术,造成工人素质的巨大差异,使工序质量很不稳定,从而对最终工程质量产生影响,加大了工程质量控制的难度。(3)这种开敞的“作坊”式的现场施工,使社会和很难实施有效的监督和管理,从客观上为个别施工单位偷工减料提供了可乘之机。

3　装配式结构体系的应用状况

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。加之受到当时的经济条件制约,机具设备和运输工具落后,运输道路狭窄,无法满足相应的工艺要求。另外,受技术水平的,体系接头处理不善,极易造成漏水,而且接头构造处理不当,削弱了其受力性能,在地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。

目前,一些地区只是楼板用初级的预制产品,主要的结构构件均采用现浇体系。大部分地区,尤其有设防要求的地区,基本为全现浇结构。尤其不利的是,科研机构较少对装配式结构体系进行研究,结构专家们怀疑该体系的结构性能,认为这种体系有无法弥补的性能缺陷,不值得进行研究。设计院里的结构设计者由于没有强有力的科研支持,只得采用现浇结构体系。

国外多层房屋建筑常用装配式结构,但多是钢结构的框架体系,预制的楼板和墙板[8]。钢结构施工速度比现浇混凝土快,再采用预制的楼板和墙板(甚至是已装饰好的),使项目能尽快完工,发挥经济效益。但此体系造价较高,了它在我国的推广应用范围。

反观装配式钢筋混凝土体系,主体结构的柱、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。国家对固定资产投资的宏观更易于实现。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。国外不乏这样的成功事例,澳大利亚的悉尼有一栋十三层的楼房,上部结构均采用预制构件,梁柱接头采用的是预埋件焊接方法,柱与柱接头采用预应力钢筋连接(即通过施加预应力使柱与柱连接紧密),采用预制的楼板和墙板,基础采用预制桩基础,只是承台和基础梁为现浇混凝土,其全部施工工期仅用了三个月。

4　技术创新,发展新型装配式结构体系

比较以上两种结构体系,现浇体系存在致命的缺陷,围绕现浇结构体系进行的改良只能是处于技术发展的量变阶段,只有装配式结构体系才能实现质变,才能实现全面的工业化大生产。因此,我们不能因为331第5期　　　　　　　严　薇,等:装配式结构体系的发展与建筑工业化　　　　　　　　　　　　

已有的装配式结构体系的缺陷,就全盘否定其光明的应用前景。而应在建筑业内真正引入技术创新的机制,探究一种新型的装配式结构体系,能扬装配式结构体系所长,避其之短,必然会给建筑业带来性的突破。理论界也做了一些有益的探讨[9～15]。

近年来,建筑机械得到长足进步,城市道路也日新月异,新技术、新材料迅猛发展,为发展新型装配式结构体系提供了必备的物质基础。

4.1　新型装配式结构体系构想

以前的装配式结构体系,注重抓主体结构的工业化,而忽略了装修及建筑设备的工业化,造成最终产品的整体工业化程度不高,综合效益不明显。新型装配式结构体系应该以最终建筑产品为对象,而不仅仅是主体结构。将基础工程、主体工程、砌筑工程、屋面工程、装饰工程、建筑设备工程(包括水电安装、空调通风采暖,厨房卫生设备等)均纳入新型装配式结构体系的范畴之中,研究与此相关的工业化大生产问题。人们在具体设计一幢房屋的装配式方案时,将装修与地板、墙体,并与建筑设备联系起来,预制工厂按要求装饰好了结构部件尤其是地板和墙板,并预留了建筑设备所需的孔洞,预埋件等,或是将能够安装的建筑设备安装好,安装工人再将这些结构构件进行现场装配,装配好后,仅需简单的工序即可最后完成该项建筑产品。

本文提出的新型装配式结构体系的工业化大生产与传统的工业化大生产的概念是有区别的。传统的工业化大生产实际就是大批量的流水式生产过程,是无法满足不同顾客的个性化需求的。而新型装配式结构体系的工业化大生产是借助工业化大生产的技术优势,根据顾客的个性化要求建立柔性化的生产方式,是企业从大规模的流水生产到大批量定制生产的新型工业化大生产方式。

社会发展到了今天,面向用户、以人为本的思想深入人心。企业家们在考虑怎样利用现代技术,最大限度地满足用户的需要。建筑业在这方面进行了有益的尝试,由小开间、小进深、小柱网向大开间、大进深、大柱网发展,以增加灵活性,满足用户的不同需求。如住宅,若采用框架结构,用墙体划分好了各功能区域,用户在进行装修时,虽然可以根据需要调整墙体以改变各功能区域的大小亦或是功能性质,但会受到柱网的,重新修建的墙体通常只能用轻质墙体,同时厨房和卫生间还牵涉到上、下水的问题,调整起来较为困难;若是混合结构则基本上没有调整的余地。在实践中,人们发现将已设计好了的房屋进行改进不是容易的,要打掉已有的墙体重新调整是一件费时费力的事情。而没有功能分区只是一个空旷的房屋也不是所有人喜欢的,因为不是每一个人都可以作出完美的设计,人们需要有一个参考的模式。装修一般是私人装修队做,水平参差不齐,装饰效果也不能令人满意。另一方面,用户不是结构工程师,在进行调整时经常发生损害重要结构构件的事件,直接威胁房屋结构的安全性。

新型装配式结构体系应该面向用户。建筑设计做好以后,结构设计只是设计大的框架部分(即柱和框架梁),用户可以根据其建筑设计进行调整,预制工厂可以根据用户的需求用轻质墙板划分细的功能分区,根据用户的装饰要求进行地板和墙板加工,并由专业人士配合相应的建筑设备设计,比如详细的厨房布局,家俱样式,刀具搁板,挂钩等等,可以做到非常精细而又充分利用空间,然后利用工厂的高质量加工和安装,达到完美的地步。

4.2　科研是发展新型装配式结构体系的前提

要建立新型装配式结构体系,必须以科研为依托。装配式结构体系要得到发展,首要的是观念上的改变,上的引导,科研上的资金支持;其次是理论上的研究,尤其是结构上的研究。工程界不应一味青睐现浇结构体系,在没有进行深入的研究之前就认为装配式结构体系结构性能不过关,不是科学的态度。目前还是有一些科研工作者在关注装配式结构体系[16～20],但还远远不够。现在的新技术、新材料已有长足发展,已不是20世纪70、80年代可以相比的,在现有的技术经济条件下,寻求新的装配式结构体系,扬长避短,是可以实现的。笔者认为,科研应在以下几方面进行:

1)根据多层民用建筑的特点和功能要求和装配施工的工艺要求,按照力学分析原理正确合理地划分结构构件的组合形式,通过力学计算提出系统的设计模型。

2)根据当今的新技术、新材料、新工艺,提出新型连接结点的形式和具体构造,注重新材料的研究。

3)通过实验,一方面验证完善结构体系的合理性和构造的具体技术要求,另一方面对所提出的新型结点,验证其可靠性、适用性和施工的便易性,进一步完善其施工工艺和技术要求。

4)与建筑设备、装修等专业配合,研究总体纳入该工业化体系的具体方法和技术难点。

5)研究建立工业化生产的运行机制和操作程序。

4.3　新型装配式结构体系与企业流程再造

要实现本文所提出的新型装配式结构体系,必须同企业的流程再造结合起来。目前传统的建筑预制工厂制造的产品不仅过于粗糙,无法提供新型装配式结构体系所需要的各种部件,而且其传统的流程模式和组织形态,即大批量的生产方式和集中控制的金字塔式的组织结构,尤其无法为用户提供多样化和个性化需求的产品,而这正是本文提出的新型装配式结构体系的核心内容。

企业流程再造(BPR )是对企业的业务流程作根本性的思考和彻底重建,其目的是在成本、质量、服务和速度等方面取得显著的改善,使企业能最大限度地适应以“顾客、竞争、变化”为特征的现代企业环境。BPR 的思想是上世纪90年代以来,世界企业管理届面对企业一方面在外部环境上需满足不同客户的需求、不同环境的竞争压力和市场快节奏变化的强大压力,另一方面在企业内部必须完成进度、质量、投资、服务等目标的压力,在这内外双重压力下,由美国Michael Hammer 博士首先提出来的[21]。BPR 思想的核心是过程管理思想和过程再造思想,明确了再造工程考虑和改造的对象是企业过程。通过考查企业过程的发生、发展和终结,确定、描述、分析、分解整个企业过程,重构与企业相匹配的企业运行机制和组织机构,实现对企业全过程的有效管理和控制。

BPR 的基本原则:(1)以顾客为导向。BPR 所追求的改造是以顾客需求为导向,凡是无法为顾客创造价值的活动,均为BPR 改革的目标。(2)以流程为导向。BPR 强调打破部门及组织的界限,以流程为工作单位,重新设计工作及组织架构。(3)流程改进后具有显效性。BPR 不在原有的组织架构上作修补的工作,而是彻底改变作业流程。因此,改进后的流程的确提高了效率,消除了浪费,缩短了时间,提高了顾客满意度和企业竞争力,降低了整个流程成本。(4)信息科技的运用。有效运用信息科技是流程再造中重要的一环。信息技术一项重要的功能是能突破时间及空间界限,适时、适地将信息传给使用者,使得流程中的信息流及物流迅速地传达[22]。

建筑工厂及相关企业应该运用信息技术进行流程再造,以适应新型装配式结构体系的要求。有了科研技术和企业流程再造的支持,新型装配式结构体系也才可能成为现实。

总之,装配式结构体系虽然目前还存在不少的问题,但从长远来看,它是符合工业化生产的发展方向的。建筑业应在整个行业范围内形成技术创新的氛围、机制和压力,转变观念,投入更多的人力、物力进行新型装配式结构体系的科学研究,从而推动建筑工业化的发展。

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频器的输出电压可按电机额定电压Hz的变频器。宜设置切换盘,切换筋是电网运转与变频器运转两种状态转换的切换装置,用于当变频器出现故障时转入电网中继续运行的场合,也可用于提高效率在额定速度上运转时电机由工频电网直接驱动的场合。

4　结语

鉴于变频调速设备的价格总体呈逐渐下降的趋势,而电价却在稳定地上调,因此对污水处理中部分大容量电机进行变频设计和改造,回收投资周期亦很短暂,而所创造的经济效益和社会效益则是显著的。曝气转刷采用变频调速后,可以有效地控制氧化沟中的溶解氧,在氧化沟中形成稳定的缺氧区,提高脱氮效果。此外,采用变频调速后,可以提高污水处理厂的自动化程度,提高污水处理厂的运行管理水平。

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