美國(guó)現(xiàn)代預(yù)制業(yè)經(jīng)過近一世紀(jì)的發(fā)展在安全， 技術(shù)及質(zhì)量上已成為一個(gè)成熟的工業(yè)。而這一切都不是偶然的。是各生產(chǎn)廠家，專業(yè)顧問公司及大學(xué)的相關(guān)科系在美國(guó)預(yù)制-預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)(PCI)的長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)下的成果。在PCI帶領(lǐng)下，美國(guó)預(yù)制業(yè)已成功發(fā)展出一套完整且有預(yù)制特性的設(shè)計(jì)及施工方法。不受到現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的束縛，將預(yù)制產(chǎn)品的特性完全發(fā)揮出來。在市場(chǎng)上能以質(zhì)量及造價(jià)上平衡的與其他建筑材料自由競(jìng)爭(zhēng)。
因?yàn)轭A(yù)制業(yè)大量使用預(yù)應(yīng)力及裝飾外墻的快速發(fā)展，預(yù)制產(chǎn)品更能達(dá)到業(yè)主及建筑師的要求。在建筑市場(chǎng)上反而成為更靈活且耐久的材料。 最近正在美國(guó)加州施工中的高科技蘋果公司的總公司就以混凝土預(yù)制材料為主(如圖1，圖2所示)。主體結(jié)構(gòu)在地震九級(jí)的加州也使用預(yù)制材料。
美國(guó)預(yù)制業(yè)有很多值得我們學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)，因篇幅有限，我就以干性連接及剪力墻絞接梁柱系統(tǒng)的使用做介紹。這二點(diǎn)是國(guó)內(nèi)較少運(yùn)用但是走出”等同現(xiàn)澆”限制的關(guān)鍵之一。
1.干性連接
我們常用搭積木來形容預(yù)制組合。其實(shí)并不合適，用外國(guó)的樂高(LEGO) 來形容或許更接近一些，因?yàn)闃犯呤窍嗷ミB接的積木。
預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)是由許多單獨(dú)生產(chǎn)的構(gòu)件組成，由于需要在工地組裝的特性，各各組件之間需要有適當(dāng)?shù)倪B接以支持建筑物的整體性及設(shè)計(jì)荷載。美國(guó)不論地震要求的高低，干性連接為主要的方式來組合完成最后的結(jié)構(gòu)體，以在每一個(gè)預(yù)制構(gòu)件中預(yù)埋不同的連接件(圖3，圖4所示)然后在工地現(xiàn)埸用螺栓，焊接等方式(圖5，圖6所示)按照設(shè)計(jì)要求完成組裝，圖7及圖8 用3D透視圖表示出建筑物整體結(jié)合情況。
通常干連接件比他們連接的預(yù)制組件有更多的柔性， 在外力下的變形往往集中在連接件上，容易，經(jīng)濟(jì)性是預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)埸安裝的二大要素。現(xiàn)埸誤差的容忍度也很重要，同時(shí)在允許變形下不會(huì)有太多強(qiáng)度的損失。而每個(gè)構(gòu)件與其相鄰的構(gòu)件要以美國(guó)ACI對(duì)整體性(如圖9所示)的要求為最低標(biāo)準(zhǔn)連接，不能過于僵化，以防止在溫度變化及預(yù)制構(gòu)件在受力時(shí)能產(chǎn)生合理變形而不影響連接件的強(qiáng)度，一個(gè)成功的干性連接結(jié)構(gòu)體更能完全反應(yīng)出在受力時(shí)結(jié)構(gòu)工程師的假設(shè)，而有比現(xiàn)澆構(gòu)更好的安全性。
1.1 連接件設(shè)計(jì)指南
1.1.1 連接件的分類
選擇連接件的類型是預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在初期設(shè)計(jì)時(shí)就要按照他們預(yù)期的作用而定下它的類形，鋼筋的屈服是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在較嚴(yán)重外力(例如:地震力)下的一般反應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在組件中非彈性變形的位置與設(shè)計(jì)，在變形時(shí)仍不影響在工作荷載下的承載力。而預(yù)制構(gòu)件的連接處是最容易屈服的位置，美國(guó)IBC(International Building Code)中對(duì)連接件有三種分類：
1.1.1.1 強(qiáng)(Strong) – 強(qiáng)連接件在設(shè)計(jì)中位于結(jié)構(gòu)在反應(yīng)外力時(shí)不需要屈服的位置，強(qiáng)連接不需要有韌性(ductile)的要求。一個(gè)例子是梁和柱的連接在梁的跨中(如圖10所示)，在地震力下在梁中間的彎矩小于梁端的彎矩，它遠(yuǎn)離屈服點(diǎn)，這種連接件比較少用，雖然可行，但因需要安排合成連接后的結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)不在連接處比較困難及不經(jīng)濟(jì)。
1.1.1.2 韌性(Ductile) – 韌性連接具有顯著的變形能力，能在非彈性變形集中地帶形成抗震系統(tǒng)的一部份，韌性連接在反循環(huán)荷載作用下形成穩(wěn)定的滯后環(huán)(Hysteresis loops)，在設(shè)計(jì)中確保屈服及循環(huán)應(yīng)變硬化發(fā)生在連接處，可以用焊接，但要保證焊接及預(yù)埋件的強(qiáng)度要大過連接預(yù)埋件之間的連接件。不論如何，要有足夠的應(yīng)變能力，以維持在變形之下的抵抗力。圖11是剪力墻之間的干連接，在主要地震后的照片。
1.1.1.3 可變形(Deformable)– 可變形連接在結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)變形而不產(chǎn)生阻力。例如圖12預(yù)制梁與柱之間有橡膠墊片，能允許梁有小量的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到簡(jiǎn)支的要求。另外圖13在與梁平行方向用螺栓連接來確保不會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩及允許溫度變化。同時(shí)也要在結(jié)構(gòu)體有大變化時(shí)，構(gòu)件本身不會(huì)因大位移而失去其他承載垂直力連接件的功能。
1.2 連接件設(shè)計(jì)原則
1.2.1 系統(tǒng)的連接件(System connections) – 因?yàn)檫B接件的連接決定結(jié)構(gòu)如何反應(yīng)外力。所以連接件應(yīng)該如何連接要與整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相連合。例如剪力墻結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)反么是剪力墻在基礎(chǔ)的搖擺(rocking)還是平面的小許滑動(dòng)來釋放能量，所以設(shè)計(jì)者不僅要設(shè)計(jì)連接件將規(guī)范規(guī)定的力傳到基礎(chǔ)，也要決定建筑物要用何種方式反應(yīng)較巨大外力。
1.2.2 加載傳送的路徑(Load path) – 每一個(gè)完整的加載傳送路徑會(huì)將外力安全的傳送到基礎(chǔ)上。每一個(gè)傳送中的連接件要有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)有足夠的承載力來完成外力的傳送。而每個(gè)連接件有可能在同一時(shí)間傳送多種外力且在不同方向，而應(yīng)力集中可能造成的局部開裂要在優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮。
1.2.3 加載路徑的偏心(Load path eccentricity) – 因連接件位置的安排及連接方式的限制。力量的傳遞有時(shí)會(huì)有偏心產(chǎn)生，在張力情況產(chǎn)生的偏心會(huì)造成彎矩要拉直構(gòu)件或造成連接件的變形，而壓力的偏心會(huì)在構(gòu)件上產(chǎn)生額外的彎矩，在設(shè)計(jì)連接件時(shí)要避免這種偏心或做其他安排使偏心產(chǎn)生的彎矩用其他組件抵抗。
1.2.4 容量設(shè)計(jì)(Capacitydesign) – 容量設(shè)計(jì)是細(xì)部設(shè)計(jì)的原則.。使設(shè)計(jì)者能控制連接件在整體設(shè)計(jì)的影響，能確定加載路線的屈服發(fā)生在指定的韌性元素中，該元素應(yīng)是連接件中最薄弱的環(huán)節(jié)，適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)要加在與弱環(huán)節(jié)相關(guān)的連接件(預(yù)埋件)上,，使它們?cè)谟芯薮笸饬r(shí)不需要有韌性的反應(yīng)而有屈服的現(xiàn)像，使地震后的修復(fù)較容易完成。
例如圖13所示, 如果不在焊接或混凝土錨固處采取任何特別措施，破壞可能是脆性，發(fā)生在焊接斷裂或預(yù)埋件在混凝土產(chǎn)生局部破壞，如果連接預(yù)埋件的矩形連接板經(jīng)過特別處理,，使其減弱，在強(qiáng)震下先屈服而變形，使能量釋放位置在人為控制之下，后期的撿修也易于完成。
1.2.5 韌性(Ductility)– 韌性連接設(shè)計(jì)要確保有韌性特性但預(yù)防預(yù)埋件在構(gòu)件中不產(chǎn)生局部開裂。
1.2.6 施工能力(Constructability)– 連接件的設(shè)計(jì)要考慮：在同一工程中的標(biāo)準(zhǔn)化， 避免非標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，考慮吊裝的公差, 現(xiàn)埸調(diào)整能力。
另外需要考慮的是：耐久性(防繡處理)，防火性，美觀，簡(jiǎn)單現(xiàn)埸檢驗(yàn)，現(xiàn)埸快速施工達(dá)到連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，減少起吊機(jī)掛鉤時(shí)間等。另外因工程需要，還有許多特別要求，在此無法一 一詳述.。
2.剪力墻-梁柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
有別于中國(guó)的剪力墻-框架系統(tǒng)，美國(guó)最常使用的預(yù)制結(jié)構(gòu)體系是剪力墻-梁柱系統(tǒng)。水平力百分之百使用剪力墻承受，梁柱接頭使用絞接，不承受水平力(如圖14所示).以內(nèi)剪力墻系統(tǒng)(如圖15所示)及外剪力墻系統(tǒng)(如圖16所示)為主。一般而言，外剪力墻系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)，因外墻做剪力墻的同時(shí)也能做裝飾墻(如圖17所示). 因工程需要，混合使用也是可行。
一般柱以多層柱為主(如圖18~圖20所示)，梁以簡(jiǎn)支梁計(jì)算，梁通常只有在梁的上端有連接件與柱相連(如圖21所示).梁，柱，樓板以可靠的連接方式連接，保持建筑物在水平力之下的整體性。
2008年美國(guó)加州的圣地亞哥大學(xué)(San Diego University)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)及預(yù)制預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)支持下完成了一個(gè)三層樓的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)(如圖21，圖22所示)，整棟建筑以傳統(tǒng)干連接，剪力墻承受百分之百水平力，梁柱以絞接為主。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很成功的證明了剪力墻-梁柱體系在強(qiáng)震之下的可靠性。
3 個(gè)案討論
從現(xiàn)階段市埸反應(yīng)來看，裝配建筑的建設(shè)成本高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的建設(shè)成本。一般而言并沒有太多的公開數(shù)據(jù)可供參考.，在有限的資料中每平方米的造價(jià)有從200元到800元不等。這對(duì)裝配式建筑的廣泛發(fā)展和大范圍應(yīng)用造成了不利的影晌。
現(xiàn)階段等同現(xiàn)澆的設(shè)計(jì)施工方向，即使使用不同的流冰線，自動(dòng)化及標(biāo)準(zhǔn)化來降低成本。在這幾年的實(shí)踐中，并不能完全解決造價(jià)過高的問題，而從結(jié)構(gòu)上真正發(fā)揮預(yù)制構(gòu)件優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)不失為一條可行之路，利用工廠施工的先拉法預(yù)應(yīng)力水平構(gòu)件及適當(dāng)使用干連接來建立一個(gè)比現(xiàn)澆鋼筋混凝土更經(jīng)濟(jì)及實(shí)用的預(yù)制結(jié)構(gòu)體系，因結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化。構(gòu)件生產(chǎn)，運(yùn)輸及現(xiàn)埸施工費(fèi)用才能真正降低，在建筑市埸上有自由競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。
3.1 案例:
建筑 A(如圖23所示)是傳統(tǒng)使用迭合板，次梁的某一實(shí)際預(yù)謒工程，唯一不同是將樓梯及電梯間去掉以利比較；建B(如圖24所示)使用同樣柱距，梁及樓板改成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件；建筑物C，D(如圖25，26所示)增加一方向柱距，達(dá)到12米，同樣使用預(yù)應(yīng)力梁及樓板；建筑物E(如圖27所示) 使用剪力墻-梁柱系統(tǒng)。使用干連接及多層柱；建筑B到E的梁，樓板因使用預(yù)應(yīng)力，所以并不需要臨時(shí)支撐(如圖17，圖18，圖20所示)。表1列出在不同設(shè)計(jì)方案下頂預(yù)制構(gòu)件的分類及總數(shù)的比較。
3.2 討論
3.2.1 建筑A與建筑D
以美國(guó)傳統(tǒng)施工做比較，一般運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工占總工程預(yù)算的40%，建筑D比建筑A減少16.4%的工程費(fèi)。
因空心樓板是單向板，與板同方向的梁的垂直承載力極小，因而梁柱接頭延伸出的鋼筋也相對(duì)減少，主要是抗水平力的鋼筋，而承受樓板的梁雖受較大的載重，因預(yù)應(yīng)力的使用加上無支撐施工技術(shù)的應(yīng)用，梁延伸出的鋼筋并不會(huì)增加，間接解決了內(nèi)柱延伸鋼筋過多的現(xiàn)埸施工問題。另外加上無需臨時(shí)支撐及預(yù)應(yīng)力空心樓板的經(jīng)濟(jì)性，建筑D至少比建筑A節(jié)省超過20%的工程費(fèi)。
3.2.2 建筑A與建筑E
建筑E比建筑A的預(yù)制件減少超過50%，吊裝速度以樓板6.5件/小時(shí)，墻 1件/小時(shí)，梁 2件/小時(shí)，柱 .75件/小時(shí)，計(jì)算，總共吊裝時(shí)間是95小時(shí)，以一天工作八小時(shí)計(jì)算，一共只需十二個(gè)工作天，因使用干連接，吊裝是連續(xù)進(jìn)行，干連接由專門技術(shù)人員同步完成。
主結(jié)構(gòu)由305個(gè)構(gòu)件減低至73個(gè)構(gòu)件，柱因不承受水平力，40公分的正方型柱足夠承受承直力，因構(gòu)件數(shù)量的減少梁柱接頭的簡(jiǎn)化，長(zhǎng)線生產(chǎn)，預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)件的使用。一般中型預(yù)制埸有能力在六個(gè)工作天完成所有的構(gòu)件，也就是說在最快十五個(gè)工作天(工廠完成50%開始吊裝)能夠從生產(chǎn)到現(xiàn)埸吊裝完畢，如果需要現(xiàn)澆層，可以在吊裝全部完成后再澆灌。
雖然不能很直接的做很詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性比較，但從生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝的速度及簡(jiǎn)化上分析，建筑E會(huì)是最有競(jìng)爭(zhēng)力的體系。如果有合理的規(guī)范做支撐，將會(huì)是一個(gè)比現(xiàn)澆更有經(jīng)濟(jì)性的梁柱結(jié)構(gòu)。
結(jié)論
在全國(guó)積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，不要忘記設(shè)計(jì)的提升，走出”等同現(xiàn)澆”的限制，如同世界各地發(fā)展出靈活及高質(zhì)量的預(yù)制產(chǎn)品，真正成為現(xiàn)澆混凝土的替代品，預(yù)制產(chǎn)品也成為安全、快速、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的代名詞。
