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    深度分析:德國是如何發展裝配式建筑的

    發布時間 | 2018-07-23 17:20:21 閱讀 | 2472

    德國以及其他歐洲發達國家建筑工業化起源于1920年代。在1920年代以前,歐洲建筑通常呈現為傳統建筑形式,套用不同歷史時期形成的建筑樣式,此類建筑的特點是大量應用裝飾構件,需要大量人工勞動和手工藝匠人的高水平技術。隨著歐洲國家邁入工業化和城市化進程,農村人口大量流向城市,需要在較短時間內建造大量住宅辦公和廠房等建筑。標準化、預制混凝土大板建造技術能夠縮短建造時間、降低造價因而首先應運而生。

    一、德國裝配式建筑發展歷史

    德國最早的預制混凝土板式建筑,是1926-1930年間在柏林利希藤伯格-弗里德希菲爾德(Berlin-Lichtenberg, Friedrichsfelde)建造的戰爭傷殘軍人住宅區。該項目共有138套住宅,為兩到三層樓建筑。如今該項目的名稱是施普朗曼(Splanemann)居住區。該項目采用現場預制混凝土多層復合板材構件,構件最大重量達到7噸。

    二次大戰結束以后,由于戰爭破壞和大量戰爭難民回歸本土,德國住宅嚴重緊缺。德國用預制混凝土大板技術建造了大量住宅建筑。這些大板建筑為解決當年住宅緊缺問題做出了貢獻,但今天這些大板建筑不受歡迎,不少缺少維護更新的大板居住區已成為社會底層人群聚集地,導致犯罪率高等社會問題,深受人們的詬病,成為城市更新首先要該在的對象,有些地區已經開始大面積拆除這些大板建筑。

    預制混凝土大板技術相比常規現澆加砌體建造方式,造價高,建筑缺少個性,難于滿足今天的社會審美要求,1990年以后基本不再使用?;炷怜B合墻板技術發展較快,應用較多。

    德國今天的公共建筑、商業建筑、集合住宅項目大都因地制宜、根據項目特點,選擇現澆與預制構件混合建造體系、或鋼混結構體系建設實施,并不追求高比例裝配率。而是通過策劃、設計、施工各個環節的精細化優化過程,尋求項目的個性化、經濟性、功能性和生態環保性能的綜合平衡。隨著工業化進程的不斷發展,BIM技術的應用,建筑業工業化水平不斷提升,建筑上采用工廠預制、現場安裝的建筑部品愈來愈多,占比愈來愈大。

    各種建筑技術、建筑工具的精細化不斷發展進步。小范圍有鋼結構、混凝土結構、木結構裝配式技術體系的研發和實踐應用。

    小住宅建設方面裝配式建筑占比最高,2015年達到16%。2015年1月至7月德國共有59752套獨棟或雙拼式住宅通過審批開工建設,其中預制裝配式建筑為8934套。這一期間獨棟或雙拼式住宅新開工建設總量較去年同期增長1.8%;而其中預制裝配式住宅同比增長7.5%!顯示出在這一領域裝配式建筑受到市場的認可和歡迎。

    單層工業廠房采用預制鋼結構或預制混凝土結構在造價和縮短施工周期方面有明顯優勢,因而一直得到較多應用。

    德國預制裝配式建筑發展過程中,規模最大、最有影響力當屬預制混凝土大板建筑。

    由于戰后需要在短期內建設大量住宅,東德地區1953年在柏林約翰尼斯塔(Johannisthal)進行了預制混凝土大板建造技術第一次嘗試。1957年在浩耶斯韋達市(Hoyerswerda)的建設中第一次大規模采用預制混凝土構件施工。此后,東德用預制混凝土大板技術,大量建造預制板式居住區(Plattenbausiedlungen)。預制混凝土大板住宅的建筑風格深受包豪斯理論影響。

    1972-1990年東德地區開展大規模住宅建設,并將完成300萬套住宅確定為重要政治目標,預制混凝土大板技術體系成為最重要的建造方式。這期間用混凝土大板建筑建造了大量大規模住區、城區,如10萬人口規模的哈勒新城(Halle-Neustadt)。在1972-1990年大規模住宅建設期間,東德地區新建、改建共300萬套住宅,其中180-190萬套用混凝土大板建造,占比達到60%以上,如果每套建筑按平均60平米計算,預制大板住宅面積在1.1億平米以上。東柏林地區1963-1990年間共新建住宅273000套住宅,其中大板式住宅占比達到93%(數據來源:Die ?L?sungder Wohnungsfrage?作者Dieter Hanauske)。

    住宅建設工程耗費了東德大量財政收入。為節約建造成本和快速建設,設計開發出不同系列廠品,如Q3A, QX, QP,P2系列。預制混凝土大板住宅項目大量重復使用同樣戶型、類似的立面設計。大板建筑規劃形態僵硬缺少變化,在老城區通常采用推倒重建模式,破壞了原有城市肌理。

    雖然大板建筑今天飽受詬病,但在當時大板住宅符合東德的社會意識形態,人人平等,整齊劃一。預制混凝土大板技術建造的工業化住宅,功能基本合理,擁有現代化的采暖和生活熱水系統,獨立衛生間,比沒有更新改造的20世紀初期建造的老住宅舒適。由于得到東德政府的大量財政補貼,因而這種工業化住宅租金并不很高,受到當地居民的歡迎。大量新建居住區,導致原有歷史街區中的住宅吸引力下降,出租率低,租金無法支持建筑的維護,歷史街區中的建筑逐漸破敗。這種現象也導致政策制定者重新思考補貼政策,甚至開始嘗試用預制技術進行老城歷史建筑的改造更新。

    1980年代以后,東德政府開始在一些城市的重要地區,嘗試從規劃和城市空間塑造方面,借鑒傳統城市空間布局與建筑設計,打破單調的大板建筑風格。

    二次大戰之后,原西德地區也用混凝土預制大板技術建造了大量住宅建筑,主要用于建設社會保障性住宅。1957年西德政府通過了《第二部住宅建設法》(II.WoBauG),將短期內建設滿足大部分社會階層居民需求的、包括具有適當面積、設施、可承受租金的住宅,作為住宅建設的首要任務?;炷令A制大板技術以其建設速度快、造價相對低廉因而也在西德地區有大面積應用。

    較著名的項目包括:格羅皮烏斯和科布希埃參與的著名的柏林漢莎街區的住宅項目;慕尼黑紐帕拉赫居住區(Neuperlach);紐倫堡朗瓦薩居住區(Langwasser);柏林曼基仕居住區(M?rkisches Viertel);法蘭克福西北新城(Nordweststadt);漢堡施戴斯胡珀(Steilshoop);曼海姆佛格斯唐居住區(Vogelstang);科隆克崴勒新城(Chorweiler)。

    西德地區有大量預制大板建筑,雖然在總建設量中占比不高,但總量估計也有數千萬平米。西德地區居住使用面積1970年為人均22平米,1991年上升到人均36平米。2007年人均超過40平米。

    二、德國裝配式建筑技術標準

    德國建筑業標準規范體系完整全面。在標準編制方面,對于裝配式建筑首先要求滿足通用建筑綜合性技術要求,即無論采用何種裝配式技術,其產品必須滿足其應具備的相關技術性能:如結構安全性、防火性能,以及防水、防潮、氣密性、透氣性、隔聲、保溫隔熱、耐久性、耐候性、耐腐蝕性、材料強度、環保無毒等。同時要滿足在生產、安裝方面的要求。

    企業的產品(裝配式系統、部品等)需要出具滿足相關規范要求的檢測報告或產品質量聲明。單純結構體系,主要需滿足結構安全、防火性能、允許誤差等規范要求;而有關建筑外圍護體系的裝配式體系與構件最復雜,牽涉的標準最多。裝配式建筑相關標準非常多,部分標準分列如下:

    有關混凝土及砌體預制構件、裝配式體系的標準規范包括:DIN 1045-3混凝土,鋼筋預應力混凝土機構。第3部分:建筑施工DIN13670的應用規則;DIN 18203-1建筑誤差第1部分:混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土預制件;DIN EN 13369預制混凝土產品的一般性規定;DIN 1045-4混凝土,鋼筋預應力混凝土機構。第4部分:預制構件的生產及合規性的補充規定;DIN EN 13670混凝土結構的允許誤差根據DIN 18202及DIN18203;DINEN 14992預制混凝土產品-墻體;DINEN 1520帶開放結構的輕集料混凝土預制件;DIN EN 13747預制混凝土產品樓板系統用板;DIN1053-4砌體-第四部分:預制構件。

    有關鋼結構、裝配式體系的標準規范包括:DIN EN 1993-1-1/NA鋼結構設計第 1-1部分:建筑物一般性規定和設計規則,歐盟標準3國家參數;DIN EN 1993-1-2/NA鋼結構設計第 1-2 部分:結構防火設計一般規則,歐盟標準3國家參數;DIN 18800-1鋼結構建筑第一部分設計和構造;DIN 18800-7鋼結構建筑-第 7 部分: 施工和生產資格;DIN EN ISO 16276-1鋼結構腐蝕防護涂層系統,涂層附著性(粘結強度)的評估及其驗收標準,第 1 部分: 撕裂測試;DIN EN 10219-2由非合金和細晶粒結構鋼制造的建筑用冷加工的焊接空心型鋼,第2 部分: 限制大小、尺寸和靜態值;DIN 18203-2: 建筑公差-第2部分,預制鋼構件;BFS-RL 07-101 生產和加工建筑鋼結構。

    有關預制木結構、裝配式體系的標準規范包括:DIN EN1995-1-1/NA: 木結構的設計和構造,1-1部分: 一般性規定-一般性規則和有關建筑物規定,歐洲規范5-國家參數;DIN EN 1995-1-2/NA,木結構的設計和構造,1-2部分:一般性規定-承重構件的防火設計,歐洲法規 5-國家參數:;DIN EN 14250木構建筑-對采用釘片連接的預制承重構件產品的要求;DIN EN 14509兩側帶有金屬覆層的承重復合板-工廠加工產品-技術要求;DIN EN 408,木結構-承重木材和膠合木材-物理和力學性能的規定;;DIN EN 594,木結構-試驗方法-板式構造墻體的承載能力和剛度;;DINEN 595,木結構-試驗方法-檢測框架式梁確定其承載能力和變形情況;DIN EN 596,木結構-試驗方法-板式構造墻體柔性連接的檢測;DIN EN 1075, 木結構-試驗方法-釘板連接;DIN 18203-3,建筑公差-第 3 部分: 木材和木基材料的建筑部品。

    有關預制金屬幕墻、裝配式體系的標準規范包括:DIN EN 1999-1-1承重鋁結構的設計和構造,第1-1部分:一般設計規定;DIN EN 1999-1-4/A1承重鋁結構的設計和構造,第1-4部分:冷彎壓型板;DIN EN 14509, 自承重式雙面金屬覆蓋夾芯板-工廠制造產品-規格;DIN EN 14782 (Norm), 適合室內和室外工程使用的、自承重式金屬屋面板和墻面板-產品規格和要求;DIN EN 14783適合室內和室外工程使用的、整面支撐的金屬屋面板和墻面板,-產品規格和要求;DIN 18516-1帶后側通風構造的外墻覆板,第一部分:要求,檢驗原理;DIN 24041 穿孔版。

    工業化預制建造技術的優點:工業化預制建造技術的優點是大量建造步驟可以在廠房里進行,不受天氣影響,現場安裝施工周期大幅縮短,非常適用于每年可以進行室外施工時間較短的嚴寒地區。另一方面優點是建筑構件部品在工廠加工制造,利用機械設備加工制造,工作效率高,精度和質量有保障。

    工業化預制建造技術的缺點:成本高。在預制建筑出現的初期,工業化建筑產品成本低于傳統古典建筑。而今天用預制混凝土大板形式建造的住宅和辦公大樓的成本通常高于常規建造技術建造的建筑物。原因: 鋼筋混凝土墻是比砌體墻更貴。預制梁、板結構上大都是簡支梁而非連續梁,因而需要較多的用鋼量。此外,預制件的連接點通常復雜,連接元素有些須采用昂貴不銹鋼材料。如果使用了保溫夾芯板構造,節點更加復雜,大板縫隙的密封處理也會導致額外的費用。大體量的預制板的運輸導致更高的運輸成本。

    缺少個性化。工業化預制建造技術的缺點是任何一個建設項目,包括建筑設備、管道、電氣安裝、預埋件都必須事先設計完成,并在工廠里安裝在混凝土大板里,只適合大量重復建造的標準單元。而標準化的組件導致個性化設計降低。

    三、德國現代建筑工業化建造技術

    德國現代建筑工業化建造技術,主要可分為三大體系:預制混凝土建造體系、預制鋼結構建造體系、預制木結構建造體系。

    預制混凝土建造體系包括三個方面:預制混凝土大板體系。雖然上世紀中葉以后德國有大量混凝土預制大板建造的居住區項目,但這類項目今天看來大部分不太受歡迎,如今預制混凝土大板建造技術在德國已遭拋棄,從1990年代以后基本沒有新建項目應用。

    取而代之的是追求個性化的設計,應用現代化的環保、美觀、實用、耐久的綜合技術解決方案,滿足使用者的需求。通過精細化的設計,模數化設計,使大量建筑部品可以在工廠里加工制作,并且不斷優化技術體系,如可循環使用的模板技術,疊和樓板(免拆模板)技術、預制樓梯、多種復合預制外墻板。因地制宜,不追求高裝配率。

    預制混凝土疊合板體系。德國大量的建筑是多層建筑?,F澆混凝土支模、拆模,表面處理等工作需要人工量大,費用高,而混凝土預制疊合樓板、疊合墻體作為樓板、墻體的模板使用,結構整體性好,混凝土表面平整度高,節省抹灰、打磨工序,相比預制混凝土實體樓板疊合樓板重量輕,節約運輸和安裝成本,因而有一定市場。有資料顯示混凝土疊合預制板體系在德國建筑中占比達到50%以上。 采用這種裝配結構體系,外立面形式比較靈活。由于德國強制要求的新保溫節能規范的實施,建筑保溫層厚度在20cm以上。從節約成本角度考慮,采用復合外墻外保溫系統配合涂料面層的建筑居多。

    預制混凝土外墻體系。2012年在柏林落成的Tour Total大廈,代表德國預制混凝土裝配式建筑的一個發展方向。

    建筑面積約28000平米,高度68米。外墻面積約10000平米,由1395個、200多個不同種類、三維方向變化的混凝土預制構件裝配而成。每個構件高度7.35米,構件誤差小于3mm,安裝縫誤差小于1.5mm。構件由白色混凝土加入石材粉末顆粒澆鑄而成,精確、細致地構件、三維方向微妙變化富有雕塑感的預制件,使建筑顯得光影豐富、精致耐看。

    預制剛結構建造體系包括兩個方面:預制高層鋼結構建造體系。高層、超高層鋼結構建筑在德國建造量有限,大規模批量生產的技術體系幾乎沒有應用市場。同時高層建筑多為商業或企業總部類建筑,業主對個性化和審美要求高,不接受同質化、批量化、缺少個性的裝配式建筑。另一方面,近年來高層、超高層鋼結構建筑的承重鋼結構、以及為每個項目專門設計的復雜精致的幕墻體系,都是采用工業化生產、到現場安裝的建造形式。因此可以歸納到個性定制化裝配式建筑。

    法蘭克福德國商業銀行總部大樓是德國為數不多的高層鋼結構建筑。鋼制構件和金屬玻璃幕墻采用工業化加工、現場安裝方式建造。

    獲得德國2012年鋼結構建筑獎的帝森克虜伯總部大樓,代表德國近年來鋼結構建筑的一個發展方向。由于混凝土結構優異的防火、隔聲、耐久、經濟實用等性能,以及現代建筑技術能夠成熟地利用混凝土結構優異的蓄熱性能,來滿足愈來愈高的建筑節能和室內舒適度要求,使混凝土或鋼混結構成為德國高層建筑最主要的結構形式。建筑核心筒和樓板通常采用現澆混凝土形式、梁和柱采用鋼材、鋼混或混凝土形式,以滿足承載、防火、隔聲、熱惰性等綜合技術要求;建筑外墻、隔墻地面、天花等部品則大量采用預制裝配系統。

    2014年落成的歐洲央行總部大樓,一定程度上代表了德國高層辦公建筑發展的特點。項目位于法蘭克福,建筑高度185米。采用雙塔形式,兩棟塔樓之間形成一個巨大的室內中庭,中間用鋼結構設置多層連接平臺,布置綠化和交往空間。建筑結構為現澆鋼筋混凝土,以滿足承載、防火、隔聲、熱惰性等綜合技術要求;高性能的全玻璃幕墻、隔墻、樓面、天花等采用預制裝配系統。

    預制多層鋼結構建造體系。漢諾威VGH保險大樓采用一種模塊化、多層鋼結構裝配式體系建造。由承重結構、外墻、內部結構和建筑設備組成?;緲嫾簶前?.00x2.50m,厚度20cm(可加長到10.00),墻板3.00x1.25m,厚度15cm。樓板和墻板由U型鋼框架和梯形鋼板構成,表面防火板。樓面地面可采用架空雙層地面構造。樓板和承重墻板之間采用螺栓固定,并用柔性材料隔絕固體傳聲。墻板之間可作為窗、門、百葉等。非承重隔墻采用輕鋼龍骨石膏板墻體。

    有特殊要求的多層建筑項目亦有采用預制裝配形式建造。法蘭克福SQUAIRE商業綜合體,內部功能包括商業零售、餐飲、酒店、辦公等。建筑位于法蘭克福機場高鐵站上方,因為需要橫跨鐵路線,因而建筑整體坐落在鋼絎架之上,為減輕重量,建筑結構進行了多方面優化設計。鋼結構和幕墻體系采用工業化生產現場安裝形式建造。

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