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模块化:中国建筑产业化发展的必由之路(上) [推广有奖]

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       远大T30酒店—构件模块化全钢结构可建模式的示范性试点项目,因360小时建成30层楼的主体工程,由开工到投入使用只用了48 天,获得了“中国速度”及“楼快快”的轰动性社会反响。酒店整栋建筑为构件模块化全钢结构,被划分为几个空间模块在车间加工制造,最后运输到施工现场进行吊装。该工程比传统建筑节约能源5倍以上,混凝土用量减少了80%~90%,建造成本减少10%~30% ;施工现场“无火、无水、无尘”,建筑垃圾不及传统建筑的1%。


        西科瑞阁模块化建筑技术为澳大利亚Hickory 集团第六代模块化建筑技术,该技术在高层及超高层建筑上取得了突破,是目前世界上唯一突破高度限制的模块化建筑系统。该系统预制比例可高达95%,为目前所有装配式结构模式中部品化率最高的一种。


        随着城市建设高速发展和城镇化逐步推进,我国的建筑行业进入了一个高速发展的时期,房屋建设的年增量成为全球第一。然而,随之而来的建筑能耗和环境污染问题也越来越受到人们的关注。目前国内绝大多数的建筑仍是采用传统粗放型、劳动密集型的手工建造生产方式进行建设的。而传统的建造方式一般是以现场手工湿作业为主,具有建设周期长、能耗高、环境污染大、效率低的特点,并且由于建筑工人的技术水平参差不齐,技术工人的招收也越来越困难,导致建筑的质量和性能难以保障,既不适应现代都市的发展水平,也不符合国家建筑业转型及住宅产业化的政策理念。因此,寻求一种既能适应国民经济高速发展的节奏,又能满足国家可持续发展的要求的新型结构体系和建造方式成为了业界的一个共识,同时也是国家建筑业转型升级政策的迫切需求。


        广州大学土木工程系教授张季超针对现浇体系传统建造方式的弊端和国家建筑业转型升级政策的迫切需求,根据工厂化装配式结构体系在我国的发展历程,介绍了当前我国存在的7种主要装配式结构模式,即预制叠合构件装配式混凝土结构模式、预制装配整体式混凝土结构模式、以钢构件为承重骨架的装配式钢框架结构模式、构件模块化全钢结构可建模式、多高层模块化结构模式、新型装配整体式空间*格盒式结构体系模式、超高层模块化盒子结构模式。结合预制装配式混凝土结构和装配式钢结构两种基本体系的特点,对Hickory 第六代超高层模块化盒子结构模式在现阶段我国住宅产业化进程中的突出优势进行了总结,对其未来的推广应用提出一些建议,认为模块化建筑在我国具有广阔的应用前景。


         模式一:预制装配式混凝土叠合构件模式


        作为国内地产业的领军企业,万科早在认知阶段就着手进行住宅工厂化的系列研究和推广,经过对国际上各种工厂化住宅体系的调研,结合国内的实际情况,最终从木结构、预制混凝土结构、轻钢结构三种住宅体系中选择了预制混凝土结构住宅作为万科工厂化住宅的试点创新发展方向,力争带来中国住宅行业产品开发模式的改变,并引导国家相关政策法规的制定,这也使得万科成为国内住宅产业化的先行者。


        基于我国现有结构设计、施工、检验,装配整体式结构节点构造等方面存在的诸多瓶颈,万科企业股份有限公司委托广州大学,采用“产、学、研”相结合的科学研究方针,联合广州市万科房地产有限公司、中铁九局集团有限公司广州分公司、广东科学中心等单位成立了课题组进行节能环保装配式住宅关键技术的科技攻关,开展了节点连接技术的创新研究。



        在2004 年底,万科企业股份有限公司开始着手设计1号试验楼。万科1#试验楼是一栋5层高的预制装配式混凝土框架结构多层住宅,位于深圳市龙岗区坂田万科第五园,总建筑面积约1200平方米。试验楼高约14.6m,层高为2.8m,建筑平面形状基本为矩形。该试验楼梁柱采用三维构件的形式预制,现场通过后浇混凝土将各构件连接形成框架承重体系,楼板采用叠合楼板。


        在万科1#试验楼上,由万科企业股份有限公司和广州大学等单位组成的课题组针对装配整体式结构施工中节点连接存在的问题,进行了整栋节能环保装配式混凝土试验楼的力学性能试验和50 多个构件的试验研究,试验了预制混凝土(PC)梁、预制混凝土(PC)柱、预制混凝土(PC)外墙、预制混凝土(PC)整体式厨房和卫生间,研究了预制装配式混凝土结构节点连接技术,提出了工业化预制PC 体系的关键连接技术的优化设计方法等,同时开展了试验楼现场测试健康监测的研究工作,为预制装配式混凝土住宅相关设计技术标准和规范的完善奠定理论基础。


        预制装配式混凝土叠合构件模式是综合预制结构和现浇结构的特点提出的一种具有工业化程度高、适用性好、节点连接牢靠、抗震性能好的一种混凝土结构体系,是一次尝试性的革命。采用与现浇结构相同的设计,然后再将构件进行拆分预制,预制构件一般采用叠合柱、叠合梁、叠合板。外墙结构采用完全预制钢筋混凝土结构(PC)体系的方式,楼体的框架结构绝大部分在工厂完成加工,运输到施工现场进行组装。采用半预制半现浇建造方式,构件之间的连接采用与现浇结构等强的构造措施,一般将构造钢筋和受力的钢筋采用焊接或者套筒连接在一起,在节点区采用后浇混凝土或者灌浆材料将预制结构连为整体,实现与现浇结构等强度的特性,提高了材料利用率,大大节约了资源和能源,减少了施工现场的湿作业量;施工现场建造人员减少了89%,建造周期也缩减了70%,部品化率可达到30%~50%,满足我国“四节一环保”建筑绿色发展需求。整个建造过程基本上与发达国家在生产线上生产房子的情形类似。


        模式二:预制装配整体式混凝土结构体系


        经过1#试验楼的“预制装配式混凝土叠合构件模式”试验后,在建设部(即现住房和城乡建设部)的规划和主导下,针对全预制装配式结构体系整体抗震性能相对较弱的缺陷问题,万科企业股份有限公司于2007 年在东莞建立了万科东莞松山湖住宅产业化研究基地,进一步研究预制装配整体式混凝土结构模式,开始了万科2#试验楼的创新尝试,继续探索预制混凝土结构住宅,进一步推进装配式结构的万科模式。2#试验楼选定的是预制装配整体式混凝土结构体系,该试验楼除了结构柱之外,梁、楼板、直接外墙、楼梯等均采用预制混凝土构件,通过“工厂预制、现场拼装”的绿色建造方式建设而成。非直接外墙、楼梯间墙、分户墙则采用ALC墙板,内隔墙采用轻钢龙骨双面石膏板系统。设备系统完全与主体结构脱开,给排水系统采用同层系统,内装系统将完全采用来自日本的设计及其配套产品。该项技术于万科府前1号、万科东荟城、万科红郡、上海万科新里程项目20 号、21 号商品住宅楼等项目中得到了推广应用,极大地减少了项目建设的人力投入、资源消耗和环境污染,达到了很好的节能环保效果,促进了节能环保装配整体式住宅关键技术的发展。


        与此同时,远大住工在充分吸纳美国、日本、德国、新加坡等国家先进理念与技术的基础上,自主创新,历经多次集成建筑技术体系尝试,解决了新技术与高成本的矛盾,创新研发出适应中国国情的、符合现行设计规范要求的预制装配整体式钢筋混凝土结构体系,部品化率约50%左右。在设计和施工整个生命周期中远大住工模式充分利用BIM技术在整个设计、制作、安装中的作用,节约了大量人力、物力,既解决了预制构件在拆分设计中各个构件、设备管线之间的碰撞问题,同时通过BIM技术也解决了施工过程中安装的顺序问题等。该项技术成功应用于张家界酒店项目、湖南浦发行办公楼项目、湖南洋湖雅礼中学项目、东莞市凯达科技设计中心项目等。


         该装配式结构体系模式包括装配整体式钢筋混凝土框架结构、框架- 剪力墙结构、剪力墙以及框架-筒体结构。采用内浇外挂的方式,结构中的竖向承重构件例如框架柱、剪力墙都采用现浇方式,外墙板采用外挂式的预制大板,这样既能保证结构的稳定性,又能保证外墙的围护性能。其他的构件例如阳台板、楼梯、内隔墙等都采用预制的方式建造;竖向构件在现浇时利用其周围的预制维护墙体充当模板的作用以减少模板的使用。预制构件之间的连接采用与现浇结构等强的构造措施,一般将构造钢筋和受力的钢筋采用焊接或者套筒连接在一起,在节点区采用后浇混凝土或者灌浆材料将预制结构连为整体,实现与现浇结构等强度的特性,提升了结构体系的整体抗震性能,节水节电效率均在30% 以上,具有构件工厂生产效率高、质量好、受季节影响小、现场安装的施工速度快、节能环保低碳的优点。
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