裝配式建筑概述

    預制裝配式建筑即集成房屋是將建筑的部分或全部構件在工廠預制完成,  然后運輸到施工現場將構件通過可靠的連接方式組裝而建成的房屋.在歐美及日本被稱作產業化住宅或工業化住宅.

    裝配式房屋目前主要分為三大類:預制鋼筋混凝土結構、輕鋼結構和預制集裝箱房屋.

    (1)預制鋼筋混凝土結構.預制裝配式混凝土結構是以預制混凝土構件為主要構件,經裝配、連接,結合部分現澆而形成的混凝土結構.PC  構件是以構件加工企業工廠化制作而形成的成品混凝土構件.PC 住宅具有高效節能、綠色環保、降低成本、提供住宅功能及性能等諸多優勢.

    (2)輕鋼結構.輕鋼房屋具有自重輕、跨度大、抗風抗震性能好、保溫隔熱、隔聲等各項指標卓越的特點,是一種高效、節能、環保、符合可持續發展方針的綠色建筑體系.適用于別墅、多層住宅、度假村等民用建筑及建筑加層、屋頂平改坡等.可預拼裝墻體包括事先安裝好的外墻圍護、保溫和窗戶.

    (3)預制集裝箱房屋.以集裝箱為基本模塊,采用制造模式,在工廠內以流水線制造完成各模塊的結構建造和內部裝修后再運輸到工程現場,按不同的用途與功能快速組合成風格各異的房屋建筑.

    裝配式建筑具有如下特點:

    (1)功能集成化.裝配式建筑集成了良好的節能、隔聲、防火及外立面等功能和效果.選用了良好保溫性能的外圍護結構,可以降低冬季采暖能耗和夏季空調能耗冬;保溫材料和多層玻璃具有較好的吸聲隔聲功能,可以盡可能減少外界噪音,提供安靜的室內環境;裝配式建筑采用不燃或難燃材料,具備良好的防火性能;外觀清新耐久.外觀立面比較清新,不會輕易變形、裂縫及褪色.

    (2)生產工業化.裝配式建筑中的外墻板在生產廠通過模具進行生產,區別于傳統的現場現澆混凝土方式,可實現外墻板的流水線生產.裝配式建筑門窗洞口模數化、工廠制作,因此門窗生產可直接按照圖紙流水生產,可以實現門窗產品生產的工業化.

    (3)施工裝配化.在生產廠生產好各種相應的構件,然后再運輸到施工現場,專業人員在現場進行安裝和拼接.施工速度快,可以縮短工期;施工現場建筑工人減少,施工作業更加方便有序,工人的勞動強度降低;施工現場廢物、廢水、噪聲減少,減少環境污染,節能減排;進行每道工序時都可以安裝設備一樣,要求精度,保證質量;還可以降低施工成本.

    美國在上世紀70年代能源危機期間開始實施配件化施工和機械化生產.美國城市住宅結構基本上以工廠化的混凝土裝配式和鋼結構裝配式為主,并形成了一系列嚴格的行業標準規范.總部位于美國的預制與預應力混凝土協會PCI編制的《PCI設計手冊》就包括了裝配式結構相關部分,在美國和國際上具有廣泛的影響力.

    歐洲裝配式建筑發展較早.法國1891年就已實施了裝配式混凝土建筑的建設,至今已有130年的歷史;法國建筑工業化以混凝土體系為主,鋼、木結構體系為輔.德國的裝配式住宅主要采用疊合板、混凝土、剪力墻結構體系,作為世界上建筑節能發展最快并首先提出被動式建筑理念的國家,其節能建筑到被動式建筑均采用了裝配式建造方式,裝配式標準和節能標準已充分融合.瑞典和丹麥早在20世紀50年代就已開發了混凝土、板墻等裝配式部件,目前新建住宅中通用部件達到了80%,實現了多元化和標準化的統一.已有典型歐盟標準,如EN  1992-1-1《歐洲規范:混凝土結構設計——第1-1部分:一般規程與建筑設計規程》和EN 13369《預制混凝土構件質量統一標準》等.

    日本1968年提出裝配式住宅概念,在1990年全部采用部件化、工廠化生產方式,并且從一開始就追求中高層住宅的配件化生產體系,滿足了日本人口比較密集的住宅市場的需求;制定了一系列的方針和政策,形成了統一的模數標準,解決了標準化、大批量生產和多樣化需求之間的矛盾.

    新加坡開發出了15層到30層的單元化裝配式住宅,占全國總住宅數量的80%以上.通過平面布局、部件尺寸和安裝節點的重復性來實現標準化,以設計為核心、設計與施工相互配套融合的工業化,裝配率達到70%以上.

    20世紀70年代裝配式建筑在我國開始慢慢傳播;80年代,預制屋面梁、預制屋面板等構件在一些工程中也開始使用,但受限于技術水平,建筑質量較差.比如,樓屋面板的密封效果不好,防水措施不完善,以致存在漏水、隔聲效果不好等現象.90年代,施工技術和管理水平有了長足進展,預制裝配式建筑被提及并得到了進一步的發展.

    2013年,國務院辦公廳印發了《國務院辦公廳關于轉發國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部綠色建筑行動方案的通知》(國辦發〔2013〕1  號文),其中第(八)項為推動建筑工業化:住房城鄉建設等部門要加快建立促進建筑工業化的設計、施工、部品生產等環節的標準體系,推動結構構件、部品、部件的標準化,豐富標準件的種類,提高通用性和可置換性.推廣適合工業化生產的預制裝配式混凝土、鋼結構等建筑體系,加快發展建設工程的預制和裝配技術,提高建筑工業化技術集成水平.支持集設計、生產、施工于一體的工業化基地建設,開展工業化建筑示范試點.積極推行住宅全裝修,鼓勵新建住宅一次裝修到位或菜單式裝修,促進個性化裝修和產業化裝修相統一.

    2014 年1月,住房和城鄉建設部通知要求各地積極推進綠色保障房工作,并同時發布了《綠色保障性住房技術導則》(試行)(以下簡稱《導則》),明確各地依此研究制定本地區的綠色保障性住房技術政策,做好技術指導工作.《導則》共有八大項,其中強調了綠色保障性住房應遵循的基本原則,研究和制定了綠色保障性住房的指標體系,提出了綠色保障性住房的規劃設計、建造施工和產業化等技術要點.此外,  《導則》還專項設置了產業化技術指標和體系化技術.為大量、快速的住宅建設提供切實有效的保障,從根本上全面推進綠色建筑行動.

    2017年9月12日,國務院發布了《中共中央國務院關于開展質量提升行動的指導意見》,《意見》中明確提出了"因地制宜提高建筑節能標準.完善綠色建材標準,促進綠色建材生產和使用.大力發展裝配式建筑,提高建筑裝修部品部件的質量和安全性能.推進綠色生態小區建設."

    目前我國很多城市都制定了裝配式建筑發展規劃.以北京市為例,到2018年要實現裝配式建筑占新建建筑面積比例達到20%以上,到2020年要實現裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%以上.上海市實行以土地源頭實行"兩個強制比率"(裝配式建筑面積比率和新建裝配式建筑單體項目的預制率)控制,即2015年在供地面積總量中落實裝配式建筑的建筑面積比例不少于50%,2016年外環線以內符合條件的新建民用建筑全部采用裝配式建筑,外環線以外超過50%,2017年起外環以外在50%基礎上逐年增加.江蘇省到2020年實現全省裝配式建筑占新建建筑比例達到30%以上的目標.此外,廣東、浙江、湖北、山東、湖南、四川、河北、安徽、福建、海南、河南、甘肅、山西、陜西、江西、吉林、貴州、云南等二十余個省市提出了裝配式建筑發展目標,裝配式建筑在我國迎來了一輪大發展.

    2 裝配式建筑標準對門窗的要求

    目前,我國已發布的裝配式建筑技術標準有:GB/T 51231-2016《裝配式混凝土建筑技術標準》、GB/T  51232-2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》和GB/T  51233-2016《裝配式木結構建筑技術標準》.三本標準均從2017年6月1日正式開始施行.GB/T  51231-2016《裝配式混凝土建筑技術標準》適用于抗震防烈度為8度及8度以下地區裝配式混凝土建筑的設計、生產運輸、施工安裝和質量驗收;GB/T  51232-2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》適用于抗震防烈度為6度到9度的裝配式鋼結構建筑的設計、生產運輸、施工安裝、質量驗收與使用維護;GB/T  51233-2016《裝配式木結構建筑技術標準》適用于抗震防烈度為6度到9度的裝配式木結構建筑的設計、制作、施工、驗收、使用和維護.此外,涉及裝配式建筑設計、生產、施工、驗收等的相關國家標準和圖集、行業標準、地方標準共計已有80余項.

    裝配式建筑技術標準與門窗相關的特殊要求主要有五個方面,分別是:洞口模數協調化、設計標準化、功能集成化、安裝裝配化和管控信息化.其他的相關設計、制造、安裝、驗收等與傳統門窗產品基本一致.

    2.1洞口模數協調化

    標準中均對門窗洞口模數作了明確要求:"……門窗洞口寬度等宜采用水平擴大模數數列2 nM、3  nM(n為自然數).""……門窗洞口高度等宜采用豎向擴大模數數列 nM.""門窗部品的尺寸設計應符合現行國家標準《建筑門窗洞口尺寸系列》GB/T  5824和《建筑門窗洞口尺寸協調要求》GB/T 30591的規定."

    門窗的洞口尺寸應符合模數規定.根據GB/T 50002-2013《建筑模數協調標準》規定,基本模數的數值為100 mm(1 M等于100  mm),整個建筑物和建筑物的一部分以及建筑部件的模數化尺寸,應是基本模數的倍數.導出模數分為擴大模數和分模數,擴大模數基數應為2M、3M、6M、9M、12M……,分模數基數應為M/10、M/5、M/2.根據此規定,門窗洞口寬度應為200  mm、300 mm的整數倍,洞口高度應為100 mm的整數倍.

    根據少規格、多組合的原則,門窗的洞口模數建議進一步擴大為3M的整數倍,即3M、6M、9M、12M、15M、18M.

    2.2 設計標準化

    標準中對裝配式建筑門窗標準化設計有如下規定:"裝配式建筑應采用模塊及模塊組合的設計方法,遵循少規格、多組合的原則,實現建筑及部品部件的系列化和多樣化.""裝配式建筑立面設計應符合下列規定:……外窗等部品部件宜進行標準化設計.""外門窗應采用在工廠生產的標準化系列產品,并采用帶有披水板等的外門窗配套系列部品.""部品部件尺寸及安裝位置的公差協調應根據生產裝配要求、主體結構層間變形、密封材料變形能力、材料干縮、溫差變形、施工誤差等確定."

    可以看出,門窗設計標準化應從以下幾個方面進行:

    首先是門窗尺寸的標準化.門窗產品尺寸應對相應洞口尺寸進行減尺以保證正常安裝.門窗傳統的安裝方式分為濕法安裝和干法安裝,濕法安裝指無附框安裝方式,而干法安裝多指采用附框安裝的方式.裝配式建筑門窗的安裝也可分為無附框安裝方式和附框安裝方式,其中附框安裝方式又可分為預埋附框和后置附框.無附框安裝和預埋附框安裝時,洞口尺寸均為標準洞口尺寸,合理減尺即可;后置附框安裝時,還應合理減去附框的尺寸.

    其次是分格的標準化.門窗分格一個最重要的考慮就是開啟扇,因此建議首先確定開啟扇的尺寸.對于平開窗,建議分格尺寸寬度為600 mm,高度可選為800  mm、1000 mm、1200 mm.則其他分格可依據開啟扇的尺寸確定.

    最后是安裝構造的標準化.對裝配式建筑而言,建議優先考慮預埋附框的安裝方式.

    2.3功能集成化

    裝配式建筑門窗作為建筑外圍護構件,應集成傳統的建筑門窗所應承擔的主要功能.標準規定:"外圍護系統應根據裝配式建筑所在地區的氣候條件、使用功能等綜合確定抗風性能、抗震性能、耐撞擊性能、防火性能、水密性能、氣密性能、隔聲性能、熱工性能和耐久性能要求."對于裝配式建筑門窗,應綜合考慮其抗風壓性能、氣密性能、水密性能、保溫性能、遮陽性能、隔聲性能、采光性能、耐久性能、防火性能等.

    因此,裝配式建筑門窗設計時應綜合考慮以上性能,應根據各地的指標要求進行性能和功能設計.

    2.4施工裝配化

    標準規定:"裝配式建筑的部品部件應采用標準化接口.""外門窗應可靠連接,門窗洞口與外門窗框接縫處的氣密性能、水密性能和保溫性能不應低于外門窗的有關性能.""預制外墻中外門窗宜采用企口或預埋件等方法固定,外門窗可采用預裝法或后裝法設計,并滿足下列要求:①采用預裝法時,外門窗框應在工廠與預制外墻整體成型;②采用后裝法時,預制外墻的門窗洞口應設置預埋件."

    標準中所說的"預裝法"規定外門窗框應在工廠與預制外墻整體成型,指的是直接將窗框預埋在外墻里,這種做法會導致外窗更換困難,不推薦采用.

    裝配式建筑門窗安裝建議采用標準中提出的"后裝法",即外墻洞口設置預埋件的方式.該方法便于門窗更換.

    2.5管控信息化

    標準規定:"裝配式建筑設計宜采用建筑信息模型(BIM)技術,建立信息化協同平臺,采用標準化的功能模塊、部品部件等信息庫,統一編碼、統一規則,全專業共享數據信息,實現建設全過程的管理和控制."

    作為裝配式建筑重要的部品部件,建筑門窗也應建立統一編碼、統一規則的信息庫.該信息庫應能給出洞口尺寸、外窗尺寸和分格、外窗的性能信息等,供建筑師選用.

    3 裝配式建筑對門窗行業的要求

    裝配式建筑要求門窗洞口模數協調化、設計標準化、功能集成化、施工裝配化和管控信息化,建筑門窗行業應適應這一趨勢,同時也是門窗行業的五大利好,包括以下幾個方面.

    3.1 門窗產品的系列化、標準化

    門窗產品的系列化、標準化應從洞口的標準化、系列化入手.首先是從建筑設計的角度簡化門窗洞口尺寸選型.

    表1 裝配式建筑門窗洞口尺寸

    裝配式建筑中對門窗的標準要求解析

    然后是根據安裝方式來確定門窗的標準尺寸.裝配式建筑建議采用預埋附框的方式,明確以附框內口構造尺寸作為雙方統一的協調位置,用附框規范洞口精度.洞口完成尺寸為表1所示,誤差可以控制在±1  mm以內.則對應洞口尺寸的門窗尺寸即可確定,見表2.

    表2 裝配式建筑門窗參考標準尺寸

    裝配式建筑中對門窗的標準要求解析

    門窗尺寸確定后,可確定門窗分格.一般建議平開門窗的開啟窗尺寸寬度至少取為580 mm,高度至少取為780 mm.典型建筑門窗分格見圖1.

    裝配式建筑中對門窗的標準要求解析

    3.2 門窗制作工廠化

    傳統的建筑門窗制作是在工廠完成全部門窗框等組件,按照施工進度要求框、扇、玻璃順序出廠運至工地安裝,導致門窗最后的關鍵裝配程序被迫在工地完成,工廠無法對成品進行檢驗,很難保證產品質量.對于裝配式建筑鼓勵門窗廠對裝配式工廠的模式,門窗廠將檢驗合格的全部裝配完成的門窗運至裝配式工程,一次性安裝完成,確保了門窗產品的質量.

    3.3門窗施工裝配化

    裝配式建筑門窗的安裝將朝著整體化安裝發展.目前我國裝配式建筑門窗的安裝與傳統的附框安裝方式基本一致,即在預埋附框洞口先安裝門窗框,再裝配玻璃和開啟扇的方式,施工質量參差不齊導致門窗的性能難以有效保證.為保證裝配式建筑門窗的安裝質量,裝配式建筑應向整體安裝發展,這必然要求區別于傳統門窗安裝方式的新型安裝方式出現.由于裝配式PC外墻板的高溫蒸養工藝會對門窗質量有很大影響,優先推薦后塞口的懸浮安裝構造,優點是安裝簡單可靠、便于整體更換、避免溫度變形的影響.可采用專用的安裝適配器、專用附框等.

    3.4門窗功能集成化

    原則上,裝配式建筑門窗應具備傳統的透明圍護結構的各種功能,如采光、通風等,因而需要具備各種必須的性能,如抗風壓性能、氣密性能、水密性能、保溫性能、遮陽性能、隔聲性能、采光性能、耐久性能、防火性能等.因此,與傳統門窗一樣,裝配式建筑門窗應集成這些功能,同時門窗也作為一個部品集成在墻體上,甚至整合最新的物聯網技術的智能化門窗系統,受益于門窗產品的工廠化制造,可以完美的應用在裝配式建筑中.

    3.5門窗產品信息化

    由于裝配式建筑要求采用建筑信息模型(BIM)技術,因此裝配式建筑門窗必然要求信息化.

    首先是建立統一的信息化平臺,該平臺應可將企業標準化的門窗產品統一編碼,供廣大相關人員選用.該信息平臺還應提供門窗的相關分格圖示、性能參數供選用.相關分格圖示將應用于建立建筑信息模型(BIM);同時要求該平臺應給出不同窗型、不同尺寸門窗的物理性能數據,便于結合標準和設計要求選用.

    4 存在的問題

    裝配式建筑在我國方興未艾,無論是政策鼓勵,政府推動,還是行業共同努力,作為建筑領域的未來主要發展方向之一,其優勢顯而易見.但是門窗作為建筑當中重要的部件之一,如何適應其發展,尚有不少的困難有待克服.

    4.1 標準體系不完善

    標準體系不完善表現在兩個方面:一是裝配式建筑標準體系不完善;二是適應裝配式建筑的門窗標準體系不完善.裝配式建筑目前國家層面僅有幾本建筑技術標準,均為宏觀指導性標準,缺乏相應的設計、制造、施工、驗收等專用標準的支撐.是英語裝配式建筑的門窗標準目前除了僅有的幾本洞口模數協調標準外,從設計、制造、安裝、驗收等環節均缺乏相應的技術標準.在此背景下,中國建筑科學研究院也申報了協會標準《裝配式建筑門窗技術規程》,目前已經獲得立項,該規程在此背景下對適應于裝配式建筑的門窗進行詳細規定.

    4.2 門窗標準化普及程度低

    目前我國門窗標準化還僅限于材料和配件層面的標準化,應用于工程領域的門窗產品的標準化還遠遠不夠,主要原因是傳統模式下我國建筑門窗尺寸、分格的標準化沒有完成.傳統的建筑模式下,由于窗型尺寸和分格設計的隨意性較大且洞口施工偏差較大,使得門窗企業必須現場逐個復核洞口尺寸而無法按圖紙給定尺寸生產加工,且由于尺寸太多導致無法規模化生產.僅有個別大型房地產開發企業在內部實現了一定程度的門窗標準化,但對于整個國家層面是遠遠不夠的.

    4.3 門窗制作、安裝工藝對各種裝配式構造的適用性

    裝配式建筑要求傳統的門窗制造和安裝方式進行大的變革.目前很多裝配式建筑門窗還是采用傳統的安裝方式,即工廠僅預埋附框、框和玻璃先后在現場安裝的方式,嚴格來講這種傳統制造安裝方式與裝配式建筑理念是背道而馳的;研發新型附框、安裝適配構造進行門窗整體安裝將是裝配式建筑門窗的重點內容.

    4.4 新型產業鏈的調整

    裝配式建筑門窗要求產品標準化系列化、制造工業化、施工裝配化、功能集成化和產品信息化,必然會導致建筑門窗行業新一輪的洗牌.研發實力強、思路調整快的企業在率先完成適應裝配式建筑的調整之后其產值短期內必然是呈指數增長,而大多數企業則面臨倒閉或淪為代工廠的境地,一段時間優勝略汰之后必然會出現幾大品牌企業幾乎壟斷整個市場的情況.