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中国为何一心想学德国PC装配式建筑产业链

    文章来源:鞍山建设科技网 发布时间:2018-10-15 点击数: 字号:

  近几年,随着建筑工业化及建筑产业化的发展进程热度越来越高,混凝土预制件和预制装配式建筑越来越多的受到关注,这个看似很新的产业吸引了大量企业资金和资源投入,以求在未来的发展中占得先机。德国是现代建筑工业化先驱,有完善的PC装配式建筑产业链,因此中国企业加强了和德国企业的合作交流,想将完整产业链模式引进到国内。这篇文章通过对国际先进国家的研究学习,希望给现阶段国内PC装配式建筑领域的从业人员一些思考和启示。

什么是PC构件?

  “ PCprecast concrete(混凝土预制件)的英文缩写,在住宅工业化领域称作PC构件。英语:Precast Concrete ,故又称PC构件,是指在工厂中通过标准化、机械化方式加工生产的混凝土制品。

  与之相对应的传统现浇混凝土需要工地现场制模、现场浇注和现场养护。混凝土预制件 被广泛应用于建筑、交通、水利等领域,在国民经济中扮演重要的角色。

  与现浇混凝土相比,工厂化生产的混凝土预制件有以下优势:

  安全

  对于建筑工人来说,工厂中相对稳定的工作环境比复杂的工地作业安全系数更高;

  质量

  建筑构件的质量和工艺通过机械化生产能得到更好地控制;

  速度

  预制件尺寸及特性的标准化能显著加快安装速度和建筑工程进度;

  成本

  与传统现场制模相比,工厂里的模具可以重复循环使用,综合成本更低;机械化生产对人工的需求更少,随着人工成本的不断升高,规模化生产的预制件成本优势会愈加明显。

  环境

  采用预制件的建筑工地现场作业量明显减少,粉尘污染、噪音污染显著降低。

混凝土预制件的历史

  混凝土预制件最早起源于德国,混凝土预制件在德国的发展历史和混凝土材料、预制件建筑的需求和混凝土材质审美观念三块的发展密切相关。

  混凝土材料的发展

  约瑟夫·阿斯谱丁,英国人,泥水匠。18241021日,他在利兹获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书,从而一举成为流芳百世的水泥发明人,但其发明的水泥的稳定性无法保证,直到1844年,同为英国人艾萨克·查尔斯·约翰森进行了本质性的改良奠定了今天硅酸盐水泥的发明。1年后,既1845年,德国生产出了人造石楼梯,即德国的第一个混凝土预制件,开启了德国混凝土预制件的历史,以下以大事记的方式来说明德国混凝土预制件的历史:

中国为何一心想学德国PC装配式建筑产业链

PC装配式建筑发展

  ★1845年,德国生产出了人造石楼梯,即德国的第一个混凝土预制件

  ★1849年,法国园丁约瑟夫·莫尼尔(en:Joseph Monier(英文)于1849年发明钢筋混凝土并于1867年取得包括钢筋混凝土花盆以及紧随其后应用于公路护栏的钢筋混凝土梁柱的专利

  ★1850年到1870年,随着1850年德国制造出第一批硅酸盐水泥,之后的20年,被大量应用到水泥管的制造中。

  ★1870年,随着流动砂浆的配方确定,房屋立面的装饰线条,立柱,栏杆等装饰构件得到大量的生产;屋面的混凝土预制瓦也得到大量的生产

  ★1878年,普鲁士州颁布硅酸盐水泥的规范

  ★1890年,德国工程师C.F.W  Doehring 对自己发明预应力混凝土申请专利

  ★1903年,德国汉堡建筑公司Juergen Hinrich Magens 建立世界上第一个商品混凝土搅拌站,第一次对可运输的“商品混凝土”申请专利。

  ★1907年,用混凝土预制件建造柏林国家图书馆的穹顶

  ★1912年,John E. Cozelmann 用钢筋混凝土预制了多层建筑的所有构件,并为此申请了专利。

  ★1929年,第一条钢筋混凝土马路被修建。

  ★1930年,研发出用于地下工程的有缓凝要求的混凝土

  ★1940年前后,混凝土预制件也被大量用到军工需要的场所。

  ★1948年,第一座预应力混凝土桥梁在西德被修建。

  ★1954年,新的商混搅拌运输车的发明代替了老的运输工具,全国50%的水泥产量由商混站来消耗。

  ★50年代和60年代,东德地区和西德工业区造了战后大量的多层预制板式住宅楼。

  ★60年代末,德国Filigran公司发明了钢筋桁架,同时也发明了钢筋桁架叠合楼板

  ★1978年,钢纤维混凝土得到大量的应用。

  ★80年代中期,德国Filigran公司发明了预制钢筋桁架叠合墙板

  ★90年代,板式预制构件的流水线设备得到了大量的发展 

  预制建筑的需求促进了混凝土预制件在该领域三个方面的发展

  预制房屋

  随着80年代双面叠合墙板的发明,很多房屋的地下室纷纷采用叠合板体系来建造,其建造速度加快。随着复合功能的预制墙体纷纷开发出来,以及对节能的要求,如今活跃在预制房屋市场上除了木结构的高品质House之外,还有大量全预制的混凝土预制排屋和别墅。

  预制多层住宅

  预制多层住宅主要是二战之后,随着经济的复苏,战后的重建,以及外国劳工的引入,需要大量的住房,而传统的别墅式多样化的住宅无法满足发展的速度,因此单一标准化的预制板式多层住宅楼被大量设计和建造,极大的促进和扩展了混凝土预制件的设计生产和施工的产业链。这也使得之后的产品升级换代以及生产设备升级换代成为可能和必然。

  预制公共建筑及工业建筑

  公共建筑随着人们的生活及工作需求本身也是在不断的发展过程中,随着钢筋桁架叠合楼板的发明和完善,大多办公楼式的公共建筑采用无梁楼盖式的板柱结构体系,建筑师对这类建筑的立面特殊设计也彰显出这类办公楼的美观大气,大量的使用也促进了桁架叠合楼板体系的设计,生产和施工的研究提升。

  而公共停车楼也是促进了预制梁柱,以及大跨度预应力双T板的大量应用。而工业建筑方面,预制混凝土结构的厂房也是一直延续下来,期间也出现了材料组合多样化,比如预制柱与木结构的预制梁结合,加上钢结构与混凝土的结合。这类多样性的组合也使得很多预制构件的连接方式方面出现很多创新。

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▲北美最新预测,装配式建筑行业市场占有率。

德国PC装配式建筑发展历程

  起源:德国以及其他欧洲发达国家建筑工业化起源于20世纪20年代,推动因素主要有两方面▼

  社会经济因素

  城市化发展需要以较低的造价、迅速建设大量住宅、办公和厂房等建筑。

  建筑审美因素

  建筑及设计界摒弃古典建筑形式及其复杂的装饰,崇尚极简主义的新型建筑美学,尝试新建筑材料(混凝土、钢材、玻璃) 的表现力。

  在20世纪20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。

  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-LichtenbergFriedrichsfelde)建造的战争伤残军人住宅区。该项目共有138套住宅,为2~3层建筑。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,构件最大质量达7t

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▲建筑结构示意图

德国PC构件主要的应用方向

  当今德国PC构件主要应用方向可以概括如下:

  1.工业建筑及设施;

  这里大量的预制梁柱,围护墙板,排水沟构件,内隔墙,预应力楼板等PC构件被使用。

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▲工业建筑设施施工现场

  2.住宅、酒店及办公楼;

  这里,叠合墙板,叠合楼板,三明治夹芯墙体,叠合保温夹芯墙体,实心墙体,楼梯,平台,阳台等构件被使用。

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▲住宅酒店项目现场

  3.风力发电塔;

  这里预制的发电塔机身是预制构件组合的。

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▲羊峰山装配式大青山风电场项目施工

  4.地下工程及隧道工程;

  叠合板式地下车库,地下管道,检查井,隧道管片等

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▲横向跨度约6.5米、纵向高度近5米的衡水市武邑县装配式钢制地下综合管廊内部情况

  5.挡墙;

  类似像柏林墙一样的墙体,多用于监狱,仓库。

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▲多哈新港海岸警卫队码头预制胸腔安装项目

  6.铁路建设;

  轨道板,枕木,电路架等

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▲预制件材料示意图

  7.道路及桥梁建设

  排水设施,路牙,防撞护栏,消音墙,预制大型箱梁等

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▲预制件材料示意图

德国PC装配式建筑领域的产业链概况

  研发

  德国在产学研的结合方面一直是走在前沿的先进国家之一,人们熟知的领域如机械制造、汽车以及化工等,已经有很多著名的产学研结合的经典案例。

  然而,传统的建筑行业,其实在德国也不例外,德国在PC装配式建筑领域的技术和产品研发方面,很多大学和应用技术大学都与相关产品和技术研发需求的企业或者企业的研发部门保持着紧密合作的关系,企业根据自身产品和技术革新所需的要求,向大学提出联合或者委托研究,大学在理论和验证性实验方面具备完整的科研体系,能科学的完成相关科研设定目标,理性的给企业相关的结果。

  而其他专业的独立于大学以及企业之外的研究机构,则在材料,力学等方面有着深厚的实用性研究的积累,促进了新技术新产品的发展。

  关于这方面的一个经典例子就是Filigran公司,Filigran是个小型家族企业,主要从事钢结构方面的产品的研发和生产,但也是这家小公司,发明了钢筋桁架,联合了汉堡,德雷斯顿大学等科研单位,对钢筋桁架叠合楼板进行了大量研究,形成成果,比如如何实现双向叠合楼盖等,叠合板裂缝分析及对策等,最终形成行业标准,对钢筋桁架叠合板的全球应用产生了深远的影响。

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▲钢筋桁架叠合板示意图

  设计

  预制装配式建筑的设计是分工有序,是各事务所之间的紧密合作的。首先是建筑事务所牵头与客户对接,然后相关的机电专业如水、电和暖专业的专业事务所也会受委托进行专项设计,而预制构件深化则是和结构设计基本结合在一起。

  同时BIM的原理得到广泛的应用,设计成果不仅仅是图纸还有大量的数据和清单,为了后面与生产系统以及各企业ERP管理系统方便对接。

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BIM设计示意图

  生产

  德国强大的机械设备设计加工基础也使得预制构件的生产形式得到了变革式的飞跃发展,板式构件的加工,由于有了象Vollert, Avermann 这类专职于做设备加工的企业和Unitechnik, SAA 这样的生产控制系统的软件供应商的支持,流水作业变为可能,而且摆脱了传统板式构件预制必须具备固定模数尺寸的限制,在不减效的情况下自由度提高,更加能满足个性化的需求。

  施工

  德国大多数建筑施工企业都有着预制建筑的施工经验,从Hochtief, Zueblin这些大集团公司到地方上的小家族企业。旭普林的某总部办公楼就是预制建筑在德国公共建筑中的经典案例,完成了很多预制建筑领域的创新和施工技术的创新。

  而象Peri, Doka这类公司则是对这些施工企业在工具和支撑,模板等方面给予了莫大的支持。Liebherr 这类公司则是在吊装机械方面做着贡献。同样在施工领域,预制建筑方面也有专门的协会,促进着交流与创新。

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▲装配建筑施工现场

  运营及维护

  战后所建的多层板式住宅楼,由于当时的技术条件和建造条件的限制,经历了半个世纪,面临着大量的维修维护和改造。象西伟德建材集团,他们在德国提供大量改造类项目以及维修维护类项目所需的特殊建材。而新建的复合很多功能的预制建筑则也面临着有效的能源管理,物业管理等,所以专业的物业公司在德国也是常常见到。

德国PC装配式建筑上下游产业链

  当今德国PC装配式建筑上下游产业链通过分析,我们可以看到清楚的看到以下的五大特征:

  工业化

  工业化是德国任何行业都可以看到的影子,从PC构件的生产方式,从物流工具的形式以及施工方式,我们看到德国人在追求流程标准化,作业机械化,提高效率,这都是工业化的特质。

  社会化

  整个产业链的细分,其分支如此之多,参与的企业数量之多,而且社会化的最大的一个表现就是,几乎大多产品供应类企业,包括设备供应商,配件供应商,化学剂供应商,甚至构件供应商,都不是单一做这类产品的企业,在PC领域的产品只是他们众多产品中的一个分支。这种社会资源的高度整合,正是社会化的特质。

  节能减排

  德国是个特别注重节能和环保的国家,对行业的发展甚至都有相关的法律来约束,这个大环境背景下,企业的技术发展,产品开发都是朝着提高效率,提高质量,减少人工,减少排放的方向发展,PC领域也是一样。

  信息化

  自从德国去年提出工业化4.0的概念后,意味着第三次工业革命的到来,从现有的预制装配式建筑的设计(信息化设计)到构件的生产(数控式的生产)到施工企业的管理(信息化的管理)可以看出,相比其他国家在这个领域,信息化无疑是德国的重量特征。而且以后还会面临更进一步的提升。

  传承与发扬

  在这个领域里,有很多家族企业都是百年企业,他们自从成立以来,一直精于某个领域的技术积累和研发,一代代的产品创新出来,但他们没有今天做这个成功了,明天改行。所以很多产品你可以看到传承,也可以看到发扬。