“预先浇筑”混凝土建筑的设计与施工方法 / 开普饭

一、“预先浇筑”混凝土的起源

（一）为什么要发展“预先浇筑”混凝土

1、“预先浇筑”混凝土的起源

国外预先浇筑混凝土与钢筋混凝土几乎同时起步，而现代意义上的工业化预先浇筑混凝土在半个世纪前才得到真正发展，预先浇筑混凝土真正取得了突破性的发展是在第二次世界大战之后。

第一阶段（1945年~1960年）：战争的破坏、城市化发展以及难民和无家可归者的涌入使得欧洲国家住宅极度短缺，这为预先浇筑混凝土的发展提供了肥沃的土壤。

第二阶段（1960年~1973年）：随着生活水平的提高，欧美人对住宅舒适度的要求也水涨船高。通货膨胀致使房地产领域的资金抽逃，专业工人的短缺进一步促进了建筑构件的机械化生产，这也直接成就了预先浇筑混凝土建筑技术的突破。

第三阶段（1973年后）：住宅建设在欧美市场遭遇了严重的危机，建筑领域飞速发展的光辉不在。这一方面要归结于建筑市场的饱和，另一方面要归咎于当时的高利率，这直接导致了多户住宅建设的停滞。

2、“预先浇筑”混凝土的老师

美国人做事情和言语表达比较直接，毫不隐晦，例如他们认为“预先浇筑混凝土骨架施工过程正好类似于钢材骨架”（The construction process for precast concrete framing is directlyparallel to that for steel framing），也可以这么说，预先浇筑混凝土骨架就是模仿钢材骨架。有话直说，决不藏着掖着。

在美国，确实是先有（1880年前后）高层钢结构建筑，后有（1960年前后）高层预先浇筑混凝土建筑。预先浇筑混凝土建筑学习钢结构建筑一点也不丢人。

在欧洲，1945年，第二次世界大战结束之后，当时西欧面临大量战后恢复工作。由于钢材奇缺，开始采用预应力混凝土代替一些传统上采用钢结构的工程（目的是节省钢材）。

在发达国家，预先浇筑混凝土和预应力混凝土是成双成对出现的。几乎所有文献，组织都把预先浇筑混凝土和预应力混凝土捆绑在一起，例如：

■StructuralPrecast/Prestressed Concrete

■Precast/PrestressedConcrete Institute

在中国，由于很长的一段时间内都缺少钢材，所以国家要严格控制建设用钢量，建筑界只能发展现浇混凝土建筑。经过三十多年坚持不懈的努力，中国建筑界已经发展起来一整套非常成熟的现浇混凝土剪力墙建筑技术，从而造成中国钢结构建筑、预先浇筑混凝土建筑技术，以及预应力混凝土建筑技术与国际建筑界的差距巨大，不要说现在建筑院校的学生，以及大部分建筑界从业人士，就是一些老工程技术人员，也基本都已经忘记了预应力混凝土的存在。

在中国，是先有高层现浇混凝土剪力墙住宅，再有高层钢结构住宅（尚不完善），现在才开始发展高层预先浇筑混凝土住宅（起步阶段），还没有考虑发展高层预先浇筑/预应力混凝土住宅。

（二）高层建筑的历史

1、多高层钢结构建筑起源

19世纪上半叶，英格兰和美国出现了产业化建筑物；在美国苏必利尔地区发现铁矿后，使得美国在钢材产品上成为世界领袖。

公元1883年，美国发明家和建筑师，詹尼，威廉·勒巴隆（William LeBaron Jenney）在芝加哥设计了家庭保险公司大厦（图1）。该大厦是用铸铁和钢材建造的框架结构，它首次采用框架代替承重墙，因而被认为是一次革命，开创了现代高层建筑的历史，是里程碑式的建筑物。

图1

2、多高层预先浇筑混凝土建筑起源

历史上可查的，最早的高层预先浇筑混凝土建筑是公元1960年建造的纽约泛美航空公司大厦（图2），现在归大都会保险公司(MetropolitanLife Insurance Company)所持有，该大楼是纽约市以及世界最具代表性的摩天大楼之一。

这栋最早建成的预制装配式混凝土建筑有59层，高246.28米，外墙是玻璃幕墙。

图2

3、多高层预先浇筑混凝土住宅面临的困难

总的来说，可以在全球范围内找到一些已经建成的高层预先浇筑混凝土商业建筑。

但是，要想在全球范围内找到一些已经建成的高层预先浇筑混凝土住宅，特别是建造在远离市中心的，物廉价美的高层预先浇筑混凝土住宅，则一定是一件非常困难的事情。

因为只有以下地区有高层住宅市场需求：

■传统计划经济（或正在转型中的）国家，例如俄罗斯、中国、北朝鲜；

■城市型国家和地区，例如新加坡、迪拜、中国香港。

■国际上超大型城市的市中心，例如纽约的曼哈顿、东京的银座。

除此之外，在全球范围内，很难找到高层预先浇筑混凝土住宅（包括高层钢结构住宅）的市场。

在市场经济运行模式下，市场催生技术或产品，没有市场就不会有人主动去研发技术或产品。发达国家之所以没有人愿意去研发高层预先浇筑式混凝土住宅（包括高层钢结构住宅），就是因为没有这方面的市场需求。

如果中国有高层预先浇筑混凝土住宅（包括高层钢结构住宅）市场需求，就只能依靠中国人自己来解决和克服了

二、“预先浇筑”混凝土的设计

（一）“预先浇筑”混凝土的选型设计

所有其它行业（汽车、飞机、轮船、家用电器、IT等产业）的现代设计方法都是以“选型设计”为主，“定制设计”为辅。

因为只有“选型设计”才能批量复制、产业化制造、预先制造；才能最大限度的加快进度、降低成本、提高质量。

“定制”就无法复制，即每个新产品设计都要从零开始重新设计，其设计周期、设计费用、设计质量都无法控制。

现场浇筑混凝土建筑的所有设计都是“定制设计”，以至于按照“等同现浇”方式来设计和建造的装配式混凝土建筑设计需要“拆图”才能制造与施工。

所以现阶段按照“等同现浇”原理设计和建造的所谓装配式混凝土建筑的施工时间长、建造成本贵、建筑质量差就很正常和容易理解了。

（二）选型设计表

例如加拿大预先浇筑预应力混凝土协会就给出了空心混凝土板选型表（表1和表2），可供建筑师和结构工程师选型设计所用。

表1 空心混凝土板规格、荷载与跨度选型表

迭加荷载	3.6 kN/m²	4.8 kN/m²	6.0 kN/m²
203 mm HC x 1220 or 2440 mm*	11m	10m	9m
305 mm HC x 1220 or 2440 mm*	14m	13m	12m
357 mm HC x 1220 or 2440 mm*	17m	16m	15m

表2 空心混凝土板规格与跨度选型表

（三）节点详图

加拿大预先浇筑预应力混凝土协会不但提供了空心板选型表，而且还提供了空心板安装详图（图3~6）。

图3 空心板连接到预先浇筑混凝土倒T梁

图4 空心板连接到预先浇筑混凝土砌块

图5 空心板连接到重钢梁

图6 空心板连接到轻钢（或轻木）墙

三、混合结构是最优结构

从加拿大预先浇筑预应力混凝土协会这些预先浇筑预应力混凝土空心板的安装详图来看，并不局限应用于混凝土结构，还包括重钢结构和轻钢（或轻木）结构。

这在中国建筑标准、规范体系内是很少见到现象（把各种建筑材料混合使用到不同建筑结构体系中）。

但是，各种建筑材料、建筑体系、建造方法“优势互补”是国际建筑界一直坚持的设计理念。

根据密斯·凡·德·罗90多年前的建议，发展中国特色的高层装配式住宅就应该对混凝土、热轧钢材、冷轧钢材、各种轻质板材、各种保温材料、各种外饰材料的特点了如指掌。才能根据这些材料自身的特性，发挥各自的特长，研发出一套适合中国国情的各种建筑材料“混合”使用的新型建筑结构体系才是当务之急。

不论是动物，还是植物，包括人类，只有远亲杂交才能培育出优势品种。对于建筑也一样，只有混合结构才是最优结构。

（一）混合结构案列一

这是一栋错层桁架形式的钢结构公寓楼，屋顶和楼面采用预先浇筑预应力空心混凝土板，外墙采用预先浇筑混凝土外墙板（图7）。

图7

（二）混合结构案列二

这是一栋现浇钢筋混凝土核心筒-重木框架体系，冷轧薄壁轻钢复合幕墙的混合结构高层建筑（图8~10）。

图8

图9

图10

四、预先浇筑混凝土构件种类

（一）预先浇筑混凝土梁和大梁

标准的预先浇筑混凝土梁和大梁形状（图11）。大点代表低碳钢钢筋，小点代表高强度预应力钢筋。虚线代表低碳钢箍筋。如图显示，箍筋通常突出梁的顶部，与现场浇筑混凝土面层黏合到一起形成复合结构作用。

预先浇筑混凝土L形梁和倒T梁上的突出部分为预先浇筑混凝土板构件提供了直接支撑。没有突出部分的矩形梁必须把混凝土板构件搁在梁的顶部，而L形梁和倒T梁是靠近梁的底面支撑混凝土板，把混凝土板隐藏在建筑物净空高度中。AASHTO（美国国家公路和运输协会）设计的大梁起初是作为桥梁结构有效形状，但是它们有时也用于建筑物。

图11

（二）预先浇筑混凝土柱子

预先浇筑混凝土柱子截面通常是方形，或矩形，并且可能是预应力，或是简单的钢筋混凝土。

下面是三种预先浇筑混凝土柱子的连接方法：

1、阶梯柱子

四颗从现场浇筑混凝土基础的顶部突出来的锚栓。把螺母和垫子放在这些临时支撑柱子的螺栓上。在焊接到基板上的钢筋周围浇筑混凝土柱子，用起重机下降它。工人引导柱子，让锚栓穿过基板上的孔。把垫片和螺母拧到基板顶部的螺栓上。采用八个螺母来调节柱子的高度，并确保它垂直。当已经完成这些工作，就紧固螺母，并用硬砂浆干裹住下面的基板（图12）。

图12

1、预埋钢板柱子

图13是把柱子放在柱基础上，以及柱子到柱子连接，二种可选择方法的类似详图。以合适的垫片高度支撑上方柱子部分，直到砂浆凝固。在柱子对齐，并且用螺栓连接好之后，在开口拐角采用硬砂浆干裹；这是对连接的金属部件的防火和防腐保护。

图13

1、套筒灌浆柱子

这个柱子到柱子的连接采用了专门的套筒，从上方柱子部件的底端进行浇筑。在部件组装之前（上左），上方柱子部件垂直钢筋的底端位于每个套筒高度的中间位置。开始组装柱子部件前，在下面部件的顶部中心放置一摞钢垫片。这些垫片是用来调节柱子的高度，以保证二个部件之间的灌浆间隙（图14）。

‍（a）

（b）

（图14）

（三）预先浇筑混凝土板

图15是四种主要类型的预先浇筑混凝土板构件。空心混凝土板是由不同的公司（由于国际上大部分预先浇筑预应力空心板企业都没有开拓中国市场，所以国内目前基本只知道美国Spancrete公司制造的，简称SP的预先浇筑混凝土空心板产品），以各种各样的横截面布局（在国际上，空心板有很多不同的外形、空腔和连接专利），采用几种不同的工艺来生产（各种空心板的生产工艺也不尽相同）。单T板用的比双T板少，因为它们在被永久性固定就位之前，需要临时支撑，以防倾翻。

图15

五、“预先浇筑”混凝土的施工方法

（一）现场浇筑混凝土施工

传统的现浇混凝土（或砌块）建筑的施工是燕子衔泥垒窝式的施工（图16），建筑师的工作就像一个雕塑家在做雕塑艺术创作。所以土木建筑师一般不需要懂太多的建筑结构知识，只需要把建筑形状和色彩画出来，就算完活了，建筑师一般都不太追求建筑外观和室内效果的尺寸准确性，往往是施工时短了就抹一把泥，长了就削掉一节，对尺寸基本没有什么精度要求。

图16

（二）预先浇筑混凝土施工

前面已经说过，预先浇筑混凝土建筑是学习，模仿钢结构设计与施工的，也可以说是“等同钢结构”设计与施工的。

所以，预先浇筑混凝土建筑的施工应该和钢结构施工一样——是喜雀叼枝架巢式的施工（图17），不论是轻钢（冷轧钢）、重钢，还是预先浇筑混凝土建筑，他们预先制造的构件长了和短了都不行，无法正确安装，往往需要建筑师、结构工程师和装修工程师三位一体，在做建筑设计时必须要同时考虑结构设计和装修设计。所以轻骨架建筑师必须要懂一点建筑结构知识，以及建筑材料的标准模数尺寸。

图17

（三）预先浇筑预应力混凝土施工

前面已经说过，“预先浇筑混凝土骨架施工过程正好类似于钢材骨架”（The construction process for precast concrete framing is directlyparallel to that for steel framing），即预先浇筑混凝土骨架是模仿钢材骨架。

预先浇筑混凝土结构可以模仿钢材骨架，建造真正的“铰接”节点，可以像钢结构建筑那样“以柔克刚”的吸收地震能量，抵抗地震。

在大地震来临时，“铰接”节点可以缓解地震冲击，吸收地震能量，起到抗震减灾的作用，这是现浇混凝土和“等同现浇”混凝土建筑根本无法模仿的技术。

这也是华南理工大学王仕统教授力辨装配式钢结构应该采用高强度螺栓连接（柔性连接），而不宜采用焊接（刚性连接）的主要原因。

普通的预先浇筑预应力混凝土“铰接”节点是采用后张法张紧预应力钢筋（图18~19）。

图18

图19

上个世纪90年代，著名的地震工作者Nigel Priestley支撑研发了Precast Seismic Structural System（PRESSS，预先浇筑混凝土抗震结构系统，图20~22）。该系统计划针对预先浇筑预应力混凝土结构构件提出了多种装配形式，其中采用后张预应力连接可以实现构件的自复位能力，通过交接面处预设缝隙的张合来减少构件的损伤，以及吸收地震能量，达到抗震减灾作用。

在2011年2月新西兰基督堂市地震中，大量传统现浇混凝土结构遭到严重的破坏，剪力墙结构也未能幸免。但是一些采用预先浇筑混凝土抗震结构系统（PRESSS）的建筑却表现出了预期的良好抗震性能。例如位于新西兰南岛的南十字医院，建造于2010年，采用后张预先浇筑预应力混凝土框架-剪力墙结构。在本次地震中，该结构东西方向有明显的瞬时变形，南部的联肢剪力墙顶部交界处有少量混凝土保护层被压碎，计算分析表明该结构在本次地震中的瞬时层间位移角超过2.5%。但是由于采用了预先浇筑混凝土抗震结构系统（PRESSS）技术，结构具备自复位能力，震后结构的损伤仅为微小损坏水平，整个医疗设施正常运行。

图20

图21

图22

（四）“等同现浇”的施工方法

“等同现浇”的施工方法是通过钢筋之间的可靠连接（如“浆锚灌浆”、“钢筋搭接”“灌浆套筒”连接等），将预先浇筑构件（主要是大部分外墙）与现浇部分有效连接起来，让整个装配式结构与现浇实现“等同”，满足建筑结构安全的要求。

正常情况下，应该是“东施效颦”（即现场浇筑混凝土效仿预先浇筑混凝土），而不应该“西施效东施”（即预先浇筑预应力混凝土效仿现场浇筑混凝土）。

而中国建筑界正好反其道而行之，在装配式混凝土建筑中采用“等同现浇”技术，是典型的“西施效东施”（即装配式混凝土效仿现场浇筑混凝土）。

尽管“等同现浇”是一个极具中国特色的，中国原创的建筑技术，但是，中国建筑界还是希望能够从国际建筑规范中找到“等同现浇”的同盟军。

美国混凝土协会（ACI）规范体系中有一个规范引起了中国建筑界的注意，这就是：Guide to Emulating Cast-in-Place Detailing for SeismicDesign of Precast Concrete Structures《模仿现场浇筑混凝土进行预先浇筑混凝土结构的抗震设计指南》。

但是，Emulating既不是sameas（等同于），也不是beequal（等同）。Emulating不但有仿真、模仿的意思，也有着“竞争”的意思。竞争就有超越的意思。

实际上，在结构性能（跨度、强度、轻质、质量、美学等）方面，预先浇筑预应力混凝土结构确实是大大超越了现场浇筑混凝土结构。而且，预先浇筑预应力混凝土结构可以仿真、模仿现场浇筑混凝土结构，但是反过来，现场浇筑混凝土却很难模仿预先浇筑预应力混凝土结构（例如空心板、双T板、单T板，以及各种柔性连接的梁柱和墙板体系）。

六、“预先浇筑”混凝土的优点

（一）快速

结构预先浇筑混凝土构件是在环境受到控制的工厂条件下制造（图23），与此同时现场基础也正准备施工。当现场准备就绪，预先浇筑供应商就立即开始安装预先浇筑混凝土构件，极大的缩短了建造时间。这就减少了现场拥挤、财务成本，加速提前入住。

（二）质量/可靠性

预先浇筑混凝土最大的好处是内在的：高强度、高密度、质量可控，与其它建筑产品相比，预先浇筑混凝土超级耐久、防腐、抗撞、耐火、安全，并且长期不需要维护。通过在环境受控的制造条件下制造、有技能的工人，以及严格的检验流程，可以获得优质的混凝土产品。当预先浇筑混凝土是预应力时，更进一步的好处是耐久性，并且结构可以更加苗条（图24）。预应力保证了混凝土受压、很少开裂，并且增加了承载能力。