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深度分析:向德国学习,如何发展装配式建筑

磊磊 2018-08-13 来源:中华建设网
随着欧洲国家迈入工业化和城市化进程,农村人口大量流向城市,需要在较短时间内建造大量住宅办公和厂房等建筑。标准化、预制混凝土大板建造技术能够缩短建造时间、降低造价因而首先应运而生。

德国以及其他欧洲发达国家建筑工业化起源于1920年代。在1920年代以前,欧洲建筑通常呈现为传统建筑形式,套用不同历史时期形成的建筑样式,此类建筑的特点是大量应用装饰构件,需要大量人工劳动和手工艺匠人的高水平技术。随着欧洲国家迈入工业化和城市化进程,农村人口大量流向城市,需要在较短时间内建造大量住宅办公和厂房等建筑。标准化、预制混凝土大板建造技术能够缩短建造时间、降低造价因而首先应运而生。

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一、德国装配式建筑发展历史

德国最早的预制混凝土板式建筑,是1926-1930年间在柏林利希藤伯格-弗里德希菲尔德(Berlin-Lichtenberg, Friedrichsfelde)建造的战争伤残军人住宅区。该项目共有138套住宅,为两到三层楼建筑。如今该项目的名称是施普朗曼(Splanemann)居住区。该项目采用现场预制混凝土多层复合板材构件,构件最大重量达到7吨。

二次大战结束以后,由于战争破坏和大量战争难民回归本土,德国住宅严重紧缺。德国用预制混凝土大板技术建造了大量住宅建筑。这些大板建筑为解决当年住宅紧缺问题做出了贡献,但今天这些大板建筑不受欢迎,不少缺少维护更新的大板居住区已成为社会底层人群聚集地,导致犯罪率高等社会问题,深受人们的诟病,成为城市更新首先要该在的对象,有些地区已经开始大面积拆除这些大板建筑。

预制混凝土大板技术相比常规现浇加砌体建造方式,造价高,建筑缺少个性,难于满足今天的社会审美要求,1990年以后基本不再使用。混凝土叠合墙板技术发展较快,应用较多。

德国今天的公共建筑、商业建筑、集合住宅项目大都因地制宜、根据项目特点,选择现浇与预制构件混合建造体系、或钢混结构体系建设实施,并不追求高比例装配率。而是通过策划、设计、施工各个环节的精细化优化过程,寻求项目的个性化、经济性、功能性和生态环保性能的综合平衡。随着工业化进程的不断发展,BIM技术的应用,建筑业工业化水平不断提升,建筑上采用工厂预制、现场安装的建筑部品愈来愈多,占比愈来愈大。

各种建筑技术、建筑工具的精细化不断发展进步。小范围有钢结构、混凝土结构、木结构装配式技术体系的研发和实践应用。

小住宅建设方面装配式建筑占比最高,2015年达到16%。2015年1月至7月德国共有59752套独栋或双拼式住宅通过审批开工建设,其中预制装配式建筑为8934套。这一期间独栋或双拼式住宅新开工建设总量较去年同期增长1.8%;而其中预制装配式住宅同比增长7.5%!显示出在这一领域装配式建筑受到市场的认可和欢迎。

单层工业厂房采用预制钢结构或预制混凝土结构在造价和缩短施工周期方面有明显优势,因而一直得到较多应用。

德国预制装配式建筑发展过程中,规模最大、最有影响力当属预制混凝土大板建筑。

由于战后需要在短期内建设大量住宅,东德地区1953年在柏林约翰尼斯塔(Johannisthal)进行了预制混凝土大板建造技术第一次尝试。1957年在浩耶斯韦达市(Hoyerswerda)的建设中第一次大规模采用预制混凝土构件施工。此后,东德用预制混凝土大板技术,大量建造预制板式居住区(Plattenbausiedlungen)。预制混凝土大板住宅的建筑风格深受包豪斯理论影响。

1972-1990年东德地区开展大规模住宅建设,并将完成300万套住宅确定为重要政治目标,预制混凝土大板技术体系成为最重要的建造方式。这期间用混凝土大板建筑建造了大量大规模住区、城区,如10万人口规模的哈勒新城(Halle-Neustadt)。在1972-1990年大规模住宅建设期间,东德地区新建、改建共300万套住宅,其中180-190万套用混凝土大板建造,占比达到60%以上,如果每套建筑按平均60平米计算,预制大板住宅面积在1.1亿平米以上。东柏林地区1963-1990年间共新建住宅273000套住宅,其中大板式住宅占比达到93%(数据来源:Die ?L?sungder Wohnungsfrage?作者Dieter Hanauske)。

住宅建设工程耗费了东德大量财政收入。为节约建造成本和快速建设,设计开发出不同系列厂品,如Q3A, QX, QP,P2系列。预制混凝土大板住宅项目大量重复使用同样户型、类似的立面设计。大板建筑规划形态僵硬缺少变化,在老城区通常采用推倒重建模式,破坏了原有城市肌理。

虽然大板建筑今天饱受诟病,但在当时大板住宅符合东德的社会意识形态,人人平等,整齐划一。预制混凝土大板技术建造的工业化住宅,功能基本合理,拥有现代化的采暖和生活热水系统,独立卫生间,比没有更新改造的20世纪初期建造的老住宅舒适。由于得到东德政府的大量财政补贴,因而这种工业化住宅租金并不很高,受到当地居民的欢迎。大量新建居住区,导致原有历史街区中的住宅吸引力下降,出租率低,租金无法支持建筑的维护,历史街区中的建筑逐渐破败。这种现象也导致政策制定者重新思考补贴政策,甚至开始尝试用预制技术进行老城历史建筑的改造更新。

1980年代以后,东德政府开始在一些城市的重要地区,尝试从规划和城市空间塑造方面,借鉴传统城市空间布局与建筑设计,打破单调的大板建筑风格。

二次大战之后,原西德地区也用混凝土预制大板技术建造了大量住宅建筑,主要用于建设社会保障性住宅。1957年西德政府通过了《第二部住宅建设法》(II.WoBauG),将短期内建设满足大部分社会阶层居民需求的、包括具有适当面积、设施、可承受租金的住宅,作为住宅建设的首要任务。混凝土预制大板技术以其建设速度快、造价相对低廉因而也在西德地区有大面积应用。

较著名的项目包括:格罗皮乌斯和科布希埃参与的著名的柏林汉莎街区的住宅项目;慕尼黑纽帕拉赫居住区(Neuperlach);纽伦堡朗瓦萨居住区(Langwasser);柏林曼基仕居住区(M?rkisches Viertel);法兰克福西北新城(Nordweststadt);汉堡施戴斯胡珀(Steilshoop);曼海姆佛格斯唐居住区(Vogelstang);科隆克崴勒新城(Chorweiler)。

西德地区有大量预制大板建筑,虽然在总建设量中占比不高,但总量估计也有数千万平米。西德地区居住使用面积1970年为人均22平米,1991年上升到人均36平米。2007年人均超过40平米。


二、德国装配式建筑技术标准

德国建筑业标准规范体系完整全面。在标准编制方面,对于装配式建筑首先要求满足通用建筑综合性技术要求,即无论采用何种装配式技术,其产品必须满足其应具备的相关技术性能:如结构安全性、防火性能,以及防水、防潮、气密性、透气性、隔声、保温隔热、耐久性、耐候性、耐腐蚀性、材料强度、环保无毒等。同时要满足在生产、安装方面的要求。

企业的产品(装配式系统、部品等)需要出具满足相关规范要求的检测报告或产品质量声明。单纯结构体系,主要需满足结构安全、防火性能、允许误差等规范要求;而有关建筑外围护体系的装配式体系与构件最复杂,牵涉的标准最多。装配式建筑相关标准非常多,部分标准分列如下:

有关混凝土及砌体预制构件、装配式体系的标准规范包括:DIN 1045-3混凝土,钢筋预应力混凝土机构。第3部分:建筑施工DIN13670的应用规则;DIN 18203-1建筑误差第1部分:混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土预制件;DIN EN 13369预制混凝土产品的一般性规定;DIN 1045-4混凝土,钢筋预应力混凝土机构。第4部分:预制构件的生产及合规性的补充规定;DIN EN 13670混凝土结构的允许误差根据DIN 18202及DIN18203;DINEN 14992预制混凝土产品-墙体;DINEN 1520带开放结构的轻集料混凝土预制件;DIN EN 13747预制混凝土产品楼板系统用板;DIN1053-4砌体-第四部分:预制构件。

有关钢结构、装配式体系的标准规范包括:DIN EN 1993-1-1/NA钢结构设计第 1-1部分:建筑物一般性规定和设计规则,欧盟标准3国家参数;DIN EN 1993-1-2/NA钢结构设计第 1-2 部分:结构防火设计一般规则,欧盟标准3国家参数;DIN 18800-1钢结构建筑第一部分设计和构造;DIN 18800-7钢结构建筑-第 7 部分: 施工和生产资格;DIN EN ISO 16276-1钢结构腐蚀防护涂层系统,涂层附着性(粘结强度)的评估及其验收标准,第 1 部分: 撕裂测试;DIN EN 10219-2由非合金和细晶粒结构钢制造的建筑用冷加工的焊接空心型钢,第2 部分: 限制大小、尺寸和静态值;DIN 18203-2: 建筑公差-第2部分,预制钢构件;BFS-RL 07-101 生产和加工建筑钢结构。

有关预制木结构、装配式体系的标准规范包括:DIN EN1995-1-1/NA: 木结构的设计和构造,1-1部分: 一般性规定-一般性规则和有关建筑物规定,欧洲规范5-国家参数;DIN EN 1995-1-2/NA,木结构的设计和构造,1-2部分:一般性规定-承重构件的防火设计,欧洲法规 5-国家参数:;DIN EN 14250木构建筑-对采用钉片连接的预制承重构件产品的要求;DIN EN 14509两侧带有金属覆层的承重复合板-工厂加工产品-技术要求;DIN EN 408,木结构-承重木材和胶合木材-物理和力学性能的规定;;DIN EN 594,木结构-试验方法-板式构造墙体的承载能力和刚度;;DINEN 595,木结构-试验方法-检测框架式梁确定其承载能力和变形情况;DIN EN 596,木结构-试验方法-板式构造墙体柔性连接的检测;DIN EN 1075, 木结构-试验方法-钉板连接;DIN 18203-3,建筑公差-第 3 部分: 木材和木基材料的建筑部品。

有关预制金属幕墙、装配式体系的标准规范包括:DIN EN 1999-1-1承重铝结构的设计和构造,第1-1部分:一般设计规定;DIN EN 1999-1-4/A1承重铝结构的设计和构造,第1-4部分:冷弯压型板;DIN EN 14509, 自承重式双面金属覆盖夹芯板-工厂制造产品-规格;DIN EN 14782 (Norm), 适合室内和室外工程使用的、自承重式金属屋面板和墙面板-产品规格和要求;DIN EN 14783适合室内和室外工程使用的、整面支撑的金属屋面板和墙面板,-产品规格和要求;DIN 18516-1带后侧通风构造的外墙覆板,第一部分:要求,检验原理;DIN 24041 穿孔版。

工业化预制建造技术的优点:工业化预制建造技术的优点是大量建造步骤可以在厂房里进行,不受天气影响,现场安装施工周期大幅缩短,非常适用于每年可以进行室外施工时间较短的严寒地区。另一方面优点是建筑构件部品在工厂加工制造,利用机械设备加工制造,工作效率高,精度和质量有保障。

工业化预制建造技术的缺点:成本高。在预制建筑出现的初期,工业化建筑产品成本低于传统古典建筑。而今天用预制混凝土大板形式建造的住宅和办公大楼的成本通常高于常规建造技术建造的建筑物。原因: 钢筋混凝土墙是比砌体墙更贵。预制梁、板结构上大都是简支梁而非连续梁,因而需要较多的用钢量。此外,预制件的连接点通常复杂,连接元素有些须采用昂贵不锈钢材料。如果使用了保温夹芯板构造,节点更加复杂,大板缝隙的密封处理也会导致额外的费用。大体量的预制板的运输导致更高的运输成本。

缺少个性化。工业化预制建造技术的缺点是任何一个建设项目,包括建筑设备、管道、电气安装、预埋件都必须事先设计完成,并在工厂里安装在混凝土大板里,只适合大量重复建造的标准单元。而标准化的组件导致个性化设计降低。


三、德国现代建筑工业化建造技术

德国现代建筑工业化建造技术,主要可分为三大体系:预制混凝土建造体系、预制钢结构建造体系、预制木结构建造体系。

预制混凝土建造体系包括三个方面:预制混凝土大板体系。虽然上世纪中叶以后德国有大量混凝土预制大板建造的居住区项目,但这类项目今天看来大部分不太受欢迎,如今预制混凝土大板建造技术在德国已遭抛弃,从1990年代以后基本没有新建项目应用。

取而代之的是追求个性化的设计,应用现代化的环保、美观、实用、耐久的综合技术解决方案,满足使用者的需求。通过精细化的设计,模数化设计,使大量建筑部品可以在工厂里加工制作,并且不断优化技术体系,如可循环使用的模板技术,叠和楼板(免拆模板)技术、预制楼梯、多种复合预制外墙板。因地制宜,不追求高装配率。

预制混凝土叠合板体系。德国大量的建筑是多层建筑。现浇混凝土支模、拆模,表面处理等工作需要人工量大,费用高,而混凝土预制叠合楼板、叠合墙体作为楼板、墙体的模板使用,结构整体性好,混凝土表面平整度高,节省抹灰、打磨工序,相比预制混凝土实体楼板叠合楼板重量轻,节约运输和安装成本,因而有一定市场。有资料显示混凝土叠合预制板体系在德国建筑中占比达到50%以上。 采用这种装配结构体系,外立面形式比较灵活。由于德国强制要求的新保温节能规范的实施,建筑保温层厚度在20cm以上。从节约成本角度考虑,采用复合外墙外保温系统配合涂料面层的建筑居多。

预制混凝土外墙体系。2012年在柏林落成的Tour Total大厦,代表德国预制混凝土装配式建筑的一个发展方向。

建筑面积约28000平米,高度68米。外墙面积约10000平米,由1395个、200多个不同种类、三维方向变化的混凝土预制构件装配而成。每个构件高度7.35米,构件误差小于3mm,安装缝误差小于1.5mm。构件由白色混凝土加入石材粉末颗粒浇铸而成,精确、细致地构件、三维方向微妙变化富有雕塑感的预制件,使建筑显得光影丰富、精致耐看。

预制刚结构建造体系包括两个方面:预制高层钢结构建造体系。高层、超高层钢结构建筑在德国建造量有限,大规模批量生产的技术体系几乎没有应用市场。同时高层建筑多为商业或企业总部类建筑,业主对个性化和审美要求高,不接受同质化、批量化、缺少个性的装配式建筑。另一方面,近年来高层、超高层钢结构建筑的承重钢结构、以及为每个项目专门设计的复杂精致的幕墙体系,都是采用工业化生产、到现场安装的建造形式。因此可以归纳到个性定制化装配式建筑。

法兰克福德国商业银行总部大楼是德国为数不多的高层钢结构建筑。钢制构件和金属玻璃幕墙采用工业化加工、现场安装方式建造。

获得德国2012年钢结构建筑奖的帝森克虏伯总部大楼,代表德国近年来钢结构建筑的一个发展方向。由于混凝土结构优异的防火、隔声、耐久、经济实用等性能,以及现代建筑技术能够成熟地利用混凝土结构优异的蓄热性能,来满足愈来愈高的建筑节能和室内舒适度要求,使混凝土或钢混结构成为德国高层建筑最主要的结构形式。建筑核心筒和楼板通常采用现浇混凝土形式、梁和柱采用钢材、钢混或混凝土形式,以满足承载、防火、隔声、热惰性等综合技术要求;建筑外墙、隔墙地面、天花等部品则大量采用预制装配系统。

2014年落成的欧洲央行总部大楼,一定程度上代表了德国高层办公建筑发展的特点。项目位于法兰克福,建筑高度185米。采用双塔形式,两栋塔楼之间形成一个巨大的室内中庭,中间用钢结构设置多层连接平台,布置绿化和交往空间。建筑结构为现浇钢筋混凝土,以满足承载、防火、隔声、热惰性等综合技术要求;高性能的全玻璃幕墙、隔墙、楼面、天花等采用预制装配系统。

预制多层钢结构建造体系。汉诺威VGH保险大楼采用一种模块化、多层钢结构装配式体系建造。由承重结构、外墙、内部结构和建筑设备组成。基本构件:楼板5.00x2.50m,厚度20cm(可加长到10.00),墙板3.00x1.25m,厚度15cm。楼板和墙板由U型钢框架和梯形钢板构成,表面防火板。楼面地面可采用架空双层地面构造。楼板和承重墙板之间采用螺栓固定,并用柔性材料隔绝固体传声。墙板之间可作为窗、门、百叶等。非承重隔墙采用轻钢龙骨石膏板墙体。

有特殊要求的多层建筑项目亦有采用预制装配形式建造。法兰克福SQUAIRE商业综合体,内部功能包括商业零售、餐饮、酒店、办公等。建筑位于法兰克福机场高铁站上方,因为需要横跨铁路线,因而建筑整体坐落在钢绗架之上,为减轻重量,建筑结构进行了多方面优化设计。钢结构和幕墙体系采用工业化生产现场安装形式建造。


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