论我国住宅工业化及发展途径.doc

论我国住宅工业化的发展路径陈振基 土木建筑学博士（亚洲混凝土学会工业化体系委员会 主席）1 重提住宅工业化的现实意义我国认识建筑工业化早自上世纪50年代，当时仅局限于生产方式的改变，提出设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化和管理科学化。时至今日，随着全社会对建筑节能、环境保护和资源循环利用的重视，我们必须把这些可持续发展的观点融入建筑工业化的内涵中，赋予建筑工业化以新的概念、新的要求，使建筑工业化比传统的生产方式具有更先进和现代化的优势。北方工业大学经济管理学院纪颖波博士在她编著的建筑工业化发展研究1 纪颖波，建筑工业化发展研究M，北京：中国建筑工业出版社，2011；p6，一书中，对建筑工业化给出了新的定义：以构配件预制化生产、装配式施工为生产方式，以设计标准化、构件部品化、施工机械化为特征，能够整合设计、生产、施工等整个产业链，实现建筑产品节能、环保、全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。现在我们重提住宅工业化是因为社会对建筑工业可持续发展的要求越来越高，对建筑物质量的低劣不满，对建筑业浪费能源、污染环境的现状不再容忍，迫切要求建筑业进行改革。此外，随着人民生活水平的提高，城乡劳动力短缺现象越来越严重，特别是劳动条件恶劣的建筑工人越发难找，中高级技术的技工逐渐老龄化，不走工业化的道路，不实行产业升级，加快生产方式的改变，建筑业恐怕难以发展下去。最近几年国家大力建设保障型住宅。这些住宅面向中低收入的居民，单元面积较小，标准化和定型化较易实施，用户个性化的要求也不高。许多政策性的技术指令，比如围护结构的热工性能、窗墙比等，在商品房中可能不被发展商遵守，但在政府主管的保障性住房建设中就可以严格贯彻。再比如为了遮阳隔热，窗户上做伸出的遮阳板是很费工费时的，但标准化设计和工厂化制造就比较简单。所以，保障型住宅是施展工业化建造模式最好的平台了。另外，保障型住宅同类型的建设量大，可以解决预制装配式住宅建设在一定规模以下成本偏高问题。目前，保障型住宅的建设规模越来越大，这正是利用大力建设保障性住房的机会，推行我们想做了多少年而一直成效甚微的住宅工业化的时机。2 新型工业化房屋的特点半个世纪前我们在前苏联影响下推行过装配式房屋，那时多种工业化体系带动了建筑设计、构件预制和运输安装等专业的技术进步。但是在随后的“大跃进”、“解放思想”的思潮下，技术不成熟的材料相继推出，产品质量不被重视，预制件质量越来越差，安装要求越来越低，节点没有任何可靠连接，以致在唐山大地震中预制楼板倒塌，造成居民伤亡。从那以后，人们一提工业化，就联想到那种分散构件拼装起来的“一震就散”的装配式房屋，整体性差，抗震性能不好。我国的混凝土预制行业自此一蹶不振，全国数万个预制厂相继倒闭。现场作业恢复了对建筑业的垄断。事实上，现代的工业化房屋可以做到与整体现浇结构相同的抗震性能。我们提倡的工业化房屋的构件虽然和装配式房屋一样是预制的，但并非像过去那样把预制构件简单地拼装（组装）在一起。现代的装配式房屋在梁和柱、柱和墙板、梁和楼板的联接处都有可靠的钢筋连接，再用现浇混凝土浇成整体，达到与现浇混凝土结构“同性化”。这有两个好处：一是整个结构体系和各个部件的设计可以沿用目前整体现浇混凝土的规范，回避了因缺少规范而难以通过设计审查的困局；二是把现代住宅不可与缺的“风火水电”的管线预埋在预制构件中，只在节点处集中连接，大大节约了现场人工。2008年汶川地震以后国内抗震规范建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）2 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010)M，北京：中国建筑工业出版社，2011; p1112，3.5.4条修订增加了“多、高层的混凝土楼、屋盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用预制装配混凝土楼、屋盖时，应从楼盖体系和构造上采取措施，确保各预制板之间连接的整体性”的条文。实际上该规范并没有否定预制构件的采用，只是要求保证连接的整体性。国外大量资料表明，如果按上述条文要求，能确保各预制板之间连接的整体性，预制结构的抗震性毫不亚于现浇混凝土结构。在最近的四十年来，太平洋周边多震地区有许多栋高层建筑，经历了多次强烈地震而无损。菲律宾马尼拉的预制建筑经受了1968、1972和1990年的三次里氏7.27.7级以上的强地震，日本的神户高层办公楼经历了1995年1月的7.2级阪神大地震，美国的关岛和全世界其他地区，低层和高层的预制混凝土结构都经受了重大地震的考验，证明是有能力抗震的3 Alfred A. Yee, 陈振基译，预制混凝土结构的社会及环境受益M，国外工业化建筑的经验文集，深圳：2011；p3，。 日本是世界上抗震设计最严格的地区，东京几乎有40%的从35层到43层的高层建筑是用预制混凝土结构建成的。最近东京还建造了54层的预制混凝土结构。中国大连有着建筑“美男子”之称的希望大厦，地上40层，地下3层，也是按抗震要求设计的预制混凝土结构。美国加利福尼亚州的三藩市建成了一栋39层的按四度设防的预制预应力混凝土建筑。有关详细资料可参阅深圳市住房和建设局与亚洲混凝土协会合编、笔者主编的国外工业化建筑的经验文集。3 我国住宅工业化的发展路径3.1 发展路径模式一讲到住宅工业化，人们就会联想到日本丰田公司提出的“像造汽车一样造房子”。笔者认为这个比喻可能对工业化造成误导。首先，汽车和房子是两个尺度的产品，前者长不过23m，重量小于1.5t，完全可以在室内造成，再将成品移至室外；后者长数十m，动测高100m，重数万t，怎可能像汽车一样制造？其次，汽车是个流动的产品，房子则要“生根”在地上，除了小型单层房屋，不可能将制成品从工厂搬到现场。第三，汽车的部件都比较轻，易于车间内装配，房屋的构件又大又重，运输和吊装相当费时费工，难度可能要高上百倍。现时人们习惯把外墙板视为工业化住宅的切入点，以为这是发展工业化住宅的开始，笔者对此不敢苟同。外墙板是工业化住宅重要的部件，但或许也是难度最大的部件，因为它和结构紧密联系，又必须满足建筑物围护结构对热工、防水、防火、美观等多方面的要求。制造时还要和阳台、遮阳板、空调支架、窗帘盒等配合，构造复杂、安装不易。如果工业化的推广面积不大，数量有限的外墙板因模型周转率低而成本极高，无法凸显工业化的优越性。所以，对于缺乏经验的地区，或者刚刚在工业化道路上起步的中小城市和农村，住宅工业化不应该选择外墙板作为切入点，应循序渐进从简单的部件开始。住宅的内墙板则比较简单，目前国内外都有标准规格，产品也有生产规范，是工业化起步的最佳选择。其次，楼梯和楼板功能也比较单一，只要楼层高度和/或跨度尺寸标准化，预制起来规格不会很多，也易于工业化。这两种预制部品都不涉及承重结构体系，由砌筑或现浇改为预制，不必更改整个结构物的设计，推进起来比较容易。只有在经过内墙板和楼梯、楼板的装配化，建筑物的围护结构设计已趋于标准化的情况下，住宅工业化才可以走向外墙板阶段。外墙板可以是非结构构件，但如果与梁柱结构构件相连，也可能成为结构体系的一部分。住宅工业化的次最高境界是卫生间和厨房间等的预制化，所谓立体构件的生产。最后，完整的工业化住宅必然涉及结构体系的预制，包括框架梁柱的预制、剪力墙的预制、框架筒体的预制等，其难度远高于个别部件的预制化。所以最高境界是结构体系的工业化。总结起来说，笔者对我国住宅工业化描绘的发展路径模式是：内墙板楼梯和楼板外墙板立体构件结构承重构件。相应各阶段的预制率可能为15%20%、35%40%、50%60%、65% 75%和85%95%。实际上这也是香港公共房屋预制装配建筑方法的演进路径。笔者在墙材革新与建筑节能2006年第五期上即已撰文提及4 陈振基、吴超鹏、黄汝安，香港建筑工业化进程简述J，墙材革新和建筑节能，2006（5），p5456，。国外工业化建筑的经验文集中香港房屋署结构总工程师麦耀荣也有专文介绍5 麦耀荣，香港公共房屋预制装配建筑方法的演进M，国外工业化建筑的经验文集，深圳：2011；p4650，6 Standard Precast Staircases, List of Suppliers for Precast Concrete Building Components, BCA Singapore, 2000; 7 Alfred A. Yee, 陈振基译，地震区预制预应力混凝土建筑结构的设计因素M，国外工业化建筑的经验文集，深圳：2011；p108，8 施奈、陈振基译，居住-民用建筑中使用装配式混凝土结构问题分会资料M，北京：建筑工业出版社；1958，9 Precast Civil Defence Shelters, Precast/Prefabricated Bathroom Unit, List of Suppliers for Precast Concrete Building Components, BCA Singapore, 2000; 10 Alfred A. Yee, 陈振基译，陆地和海上组合式预制预应力混凝土结构的设计和施工M，国外工业化建筑的经验文集，深圳：2011；p1411 陈振基，新加坡的工业化设计评价方法简介M，国外工业化建筑的经验文集，深圳：2011；p89，。3.2 大大提高内墙板生产和安装质量作为设计、生产、运输和安装各阶段难度不大的住宅部件，内墙板在十多年前即已在国内流行，当时被视为代替粘土砖经济效益最明显的房屋部件。但是，迎着国家政策的优惠，太多的生产厂家一哄而起。由于生产门槛不高，“土法上马”、“简易生产”的厂家遍地开花，低质产品充斥市场。时至今日，许多准备推行工业化的建筑商仍在那些作坊式的墙板厂圈子里寻找产品，而多个发展商却为已投入使用的房屋的内墙板开裂、变形弄得焦头烂额，被业主追讨损失。这不但是建筑业的“杯具”，对墙板的名声起了负面作用，更重要的是阻碍了住宅工业化的健康发展。内墙板的生产、运输和安装环节必须大大提高质量，当我们的住房已经跨入每平米万元或数万元的价位，二十年前尚可接受的那一套再也不可以继续下去了。首先，墙板的标准要有突破性的改变，不应按照材料品种来编制，只需规定墙板产品本身的性能，如防火、隔音、隔热、强度和坚固性等。对于强度，绝不能以“送检样品”为准，应参照国外方法，在生产地点对准备发运的批量产品进行抽样和检查。混凝土制品最简单经济的养护方法是自然养护，事实上自然养护的温度、湿度和时间无法严格规定，导致成品强度和含水率难以控制。这可能是造成目前内墙板安装后变形开裂的主要原因。过去国内流行的用挤出机在长线台座上生产内墙板的工艺，不应该再受到推崇。香港的内墙板杜绝了开裂，这一方面是因为香港的内墙板一定是配筋的，可用钢丝网或钢筋骨架，如果不配筋，在吊装过程中脆性断裂的成品从高空跌落，后果非常严重。此外养护到成熟，也是保证质量的重要原因，是非常值得国内学习的。其次，我国墙板的安装规程也要规范化和科学化。国内的墙板常视为装修的环节，在主体结构完成后再开始。产品是单块运输，主要靠人力或简单机械装卸，再用工地的垂直电梯从各层的门窗洞口运入，不但增加运输费用，而且提高了破损率。为何不可早些在逐层楼板封顶前用塔吊将成捆包扎的墙板吊入，并按各开间的数量和位置放在楼面上呢？工业化是建筑业水平的科学提升，不应简单地认为只是施工场地由露天现场移到工厂，所以墙板的应用也不能解读为以预制墙板代替现场砌筑的墙体，必须把科学进步和科学管理的观念引进来，在最简单的工业化部品上体现出合理管理的痕迹。 预制厂内待运的内墙板3.3 积极推广预制楼梯和叠合式楼板相对内墙板来讲，预制楼梯和叠合式楼板要求更高一步。现浇楼梯需要技术工人和浪费材料，而现浇楼板一直是工地占时最长和对环境污染最严重的。这两个部件的预制化对住宅工业化的贡献不可忽视。其实，只要楼层高度和楼梯间的平面尺寸确定后，使用预制楼梯是非常方便的，国外的设计师根本无需绘出楼梯图纸，只需在标准化构件目录中选择合用的型号即可。新加坡的楼梯标准规格非常简单12 房志勇、曲笛，部品小型化是农村住宅工业化的发展方向J，墙材革新和建筑节能，2012（2），p5456，共有3种踏步高度（150mm，164mm和175mm）和5个踏步级数（812), 即可满足3m到4.2m计5个不同的楼层高度。所有型号的图纸均有配筋图和安装节点详图。 安装过程中的预制楼梯楼梯段通常和楼梯平台分别浇注，后者被固定在墙体或框架结构内，再安装前者。连接方法有干法和湿法两种，前者仅用于不受气候影响的室内。叠合式楼板是目前工业化住宅用得最多的方案。叠合式楼板是在下层的预制楼板安装好之后，再在现场布置钢筋网和浇注面层的混凝土，可以极大地提高结构的整体性。这是一种预制薄板与现浇混凝土面层叠合而成的装配-整体式楼板。叠合式楼板的预制钢筋混凝土薄板既是永久性模板承受施工荷载，也是整个楼板结构的一个组成部分。这种楼板是为现行结构规程允许的，可用于抗震设防烈度为8或9度地区，能保证地震力的可靠传递。在现浇面层中可以预先铺设水电穿管。叠合式楼板下面的预制板最理想是用预应力长线法生产，有条件的地方应积极推行。环太平洋地震区采用了美国Yee Precast Design Group Ltd 的建议（见下图），在预制底板的端头留出钢筋，且向上斜弯，形成鸭筋，在预制承重墙板顶部交叉。现浇面层内增加了负弯矩钢筋，将相邻楼板连成整体。这种连接把预制底板尺寸误差对结构整体性和组合体系性能的影响降到最小，对抗地震水平力是极有利的。预制承重墙板支承着预制混凝土板和现浇面层组成的叠合楼板3.4 条件成熟时推广外墙板如果设计和施工单位学会了内墙板、楼梯和叠合式楼板的生产和安装，才开始有条件使用预制外墙板。笔者把外墙板放在住宅工业化的第三阶段，就是因为它的难度远远高于前面第一、二阶段的预制品，而且它的经济效果没有前者那么明显，因为预制外墙板的成本将大大高于砌筑墙体。此外，内墙板、楼梯段或楼板的底板，如果供应组织不当，运到工地后不能马上就位，在工地临时存放占地不大，也不很麻烦，而必须垂直立放的外墙板在工地临时储存则麻烦得多，尤其是装好玻璃和贴好瓷砖的外墙板。再说外墙板在每层楼有多种规格，互换性很低，运输和吊装的次序非常严格，对工地管理工作的要求甚高。这就是为什么笔者不同意将工业化住宅的切入点选为外墙板，或把预制外墙板当做考量工业化的优先标准。笔者在上世纪50年代搞工业化也是先从楼板开始，再考虑了热工、防水、装修等因素，才跨入生产外墙板；90年代香港生产预制构件，笔者所在企业（香港最大的建筑企业）生产内墙板2年后才开始试制外墙板。国内有些单位一说工业化就想到外墙板，应该说是一种误解。必须提醒，外墙并不一定做成整片的大板。我国在上世纪50年代也曾搞过中型砌块，或者现在可以改称为中型板，即将每层外墙分割成三段或四段：窗下墙、窗间墙和窗上墙，每块高度在1m左右，用轻型的机械（那时称为“少先吊”，以示轻便之意）就可以安装。另外，与内墙板规格相似的条板也可以拼成外墙。总之，工业化并不只有大型外墙板一条道路。在这里邓小平的“黑猫白猫”理论也是适用的。 50年代的“三层分割法”外墙。此图引自全苏混凝土及钢筋混凝土会议居住-民用建筑中使用装配式混凝土结构问题分会资料，1958年建筑工业出版社出版 90年代香港两个开间的大板外墙，把冷气机 座和下层的遮阳板一起预制。固然，整开间甚至两开间的外墙板可以减少预制部件数量，简化吊装，但它要求的运输和吊装设备吨位较高，常在10t左右，对于中小城市或者刚开始发展工业化的地区，可能是遥远的目标。与其望而不及，不如从实际出发，从初级起步，逐渐走向目标。3.5 加快将立体构件进入工业化部件体系立体构件顾名思义就是三维预制件，最具代表性的就是厨房和卫生间，还可能包括预制楼梯间、电梯间、垃圾管道。新加坡1998年立法规定住宅中必须设置庇护体，供居民紧急时使用。庇护体随住户面积不同而异，建筑面积75m2以下的需2.4m2（重3.3t），大于140m2的单位需4.0m2（重4.4t）。这类构件也可纳入立体构件范围内。 庇护间可在楼面铺好后即整体 吊装就位（作者2012年6月摄于新加坡某工地）厨房和卫生间这两个住宅内不可与缺的单元，所占面积不大，但接入的服务管线甚多，传统方法使用湿作业时极易出现纰漏，在住宅的生命周期内维修保养很重要，因此，在工厂内预制好，不但大大减少现场的作业时间，也可有效提升产品质量。卫生间比厨房的标准化较易，但因各个国家的煮食习惯不同，国外的厨房难以用于国内，所以国外工业化的卫生间参考意义较大。预制卫生间可以在工厂内做成整个六面体，里面安装好所有配件、贴好瓷砖，也可以分拆成几片，各片上固定配件用具（如镜子、洗手盆等），然后在现场拼装。所有管线均需预先铺设在预制件中，吊装完后再接驳到总管道上。 新加坡预制卫生间的重量由0.5t到3t不等，常常是由专门的工厂制造的。四周的围护材料有用混凝土、肋型钢板，或钢骨架覆以薄板。日本松下电器公司推出的预制卫生间用玻璃钢浇注围护墙体，表面贴瓷质水泥板，顶棚用铝合金龙骨覆以PVC装饰板，每个单位仅350kg，占了日本同类产品市场的35%，到上世纪末累计安装了3百万个单位。 预制好待运的立体卫生间 预制卫生间在吊装中 香港的立体构件只是在几年前方试验应用，它的应用大大提升了住宅的预制化率，成为房屋署在公共房屋中推行工业化重要的里程碑。据知，香港房屋署2012年3月还派员去新加坡学习预制卫生间的应用。3.6 结构承重构件的工业化前面提出的全是单个构件由现浇或砌筑改为预制，未涉及整个建筑物的承重体系。但是工业化方法必然要求正确选择住宅承重体系，包括框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架筒体结构、钢结构等。一般来讲，中高层住宅使用梁柱体系的框架承重结构即可，香港因地少人多，住宅多在40层以上，承重结构形式以剪力墙为主。不论采用何种结构体系，结构承重构件的预制化是住宅工业化的最高境界，它关系到结构计算和力学分析，有时节点处理还必须有实验数据的支持，甚至规程的修改。所以笔者认为，工业化的尝试不应从结构体系和结构承重体的改变开始，只能把这一步放在最后。在个别部件的工业化取得丰富经验后，才可以踏入结构承重体系的预制化。多层建筑的构件分割示例 上图所示的一个多层建筑，预制构件的分割方法有多种，可以是T形，也可以是双T形或廿形，每个构件的受力和与相邻构件的连接都需要结构计算的认可，其难度并非预制生产那么简单。结构体系决定后，承重部件的预制化要非常慎重，因为涉及到整个建筑物的安全（不像单个构件的预制化只影响局部部位的安全），以剪力墙的预制化为例，如何保证上下预制墙段的可靠连接，使整个高度（有时可高达百余米）内由个别预制件组合起来的剪力墙如同现浇整体剪力墙一样工作就非常重要了。4 推行工业化要澄清的几个问题4.1 工业化并非就是预制化笔者担任顾问的深圳某预制构件公司承接了一担任务，为一个三层的托儿所供应预制件。尽管房间开间尺寸标准化，但每个钢模的周转次数有限，致使预制墙板的成本很高。这类特殊性建筑的部件重复生产数量不多，难以显示工业化的优越性。作为地产商的练兵无可非议，但如果得出负面结论就不值得了。目前，有人错认为工业化就是预制化，可能只说对了一半，只有标准构件的预制化，才是正确的工业化。4.2 工业化要从设计开始部件的合理设计是走向工业化的第一步。国外有个3S原则，即所谓标准化Standardization、简单化Simplicity和集成化Single integrated elements，就是将部件的品种数量减至最少，尺寸和外形最简单，尽量把几个不同的功能汇集一起，以有利于批量和重复生产。差异化的竞争本身对标准化进程是排斥的。在前十数年商品房建设为主的市场里，设计人员已经不习惯模数化、标准化和定型化这些以往曾经是建筑设计基本的ABC原则了。众多“标新立异”的设计偏离标准化越来越远。要推行建筑工业化，设计人员应有个重新学习的过程。4.3 工业化并非就是大板建筑国内某知名地产公司把工业化住宅的模式定位于非承重构件交给工厂生产，主要承重结构则为现浇。这种模式没有考虑目前设计单位的能力、预制构件的生产条件、有限预制件的经济性，导致现在的工业化住宅很少人懂得设计，预制成本居高不下，一般发展商望而生畏，不敢试水。其实，我们不应该把工业化的长远目标当成眼前的起步，工业化住宅并非就是大板建筑。按笔者的意见，工业化是一个由使用单个简单的标准化构件，逐步扩大到难度较高的其他构件的过程。有兴趣的读者可以看看马来西亚建筑工业发展局发表的2003-2010年工业化建筑体系（Industrialised Building System, 简称IBS）蓝图，框架结构的板、梁、柱如果在工厂内预制，然后运到现场安装，他们也称为工业化。实际上，我国上世纪50年代流行的空心楼板，只要连接可靠，何尚不是工业化的一种前进呢。即使推行外墙板，也不能认为大板就是唯一的形式。外墙板也可以像内墙板一样做成标准化的条板，按一定设计拼装起来。更不用讲欧洲国家在上世纪四、五十年代就用过的三段或四段分割法的中型板了。4.4 工业化和PC结构的关系有人把工业化等同于PC结构，笔者不敢苟同。PC