摘 要：日本預(yù)制建筑起步較早，目前已形成了比較完善的預(yù)制住宅結(jié)構(gòu)技術(shù)體系，在住宅產(chǎn)業(yè)化方面處于世界領(lǐng)先水平。本文介紹了當(dāng)前日本廣泛采用的幾種預(yù)制住宅結(jié)構(gòu)技術(shù)體系的發(fā)展歷史，總結(jié)了各種結(jié)構(gòu)技術(shù)體系的特點(diǎn)及相應(yīng)接合部的設(shè)計原則，供我國住宅建筑設(shè)計與建造從業(yè)人員的參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制；住宅；結(jié)構(gòu)技術(shù)體系；住宅產(chǎn)業(yè)化；接合部

中圖分類號：TU31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2012）080108-03

1 引言

住宅工業(yè)化通過預(yù)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)住宅建設(shè)的高效率、高品質(zhì)、低資源消耗和低環(huán)境影響，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是當(dāng)前住宅建設(shè)的發(fā)展趨勢。日本于20世紀(jì)50年代開始將預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，至今已形了比較多種完善預(yù)制住宅結(jié)構(gòu)技術(shù)體系，在住宅產(chǎn)業(yè)化方面走在世界的前列。目前，日本預(yù)制建筑中所采用的主要的結(jié)構(gòu)體系有壁式預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（W-PC結(jié)構(gòu)）、壁式預(yù)制框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（WR-PC結(jié)構(gòu)）、預(yù)制框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（R-PC結(jié)構(gòu)）、預(yù)制型鋼框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（SR-PC結(jié)構(gòu)）。不同的結(jié)構(gòu)體系對應(yīng)不同的施工方法，不同的施工方法反過來影響對應(yīng)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法，即形成了不同的結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。本文首先介紹了日本目前主要采用的預(yù)制工法，然后總結(jié)了相應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)體系的特點(diǎn)與接合部的設(shè)計原則，以供我國住宅建筑設(shè)計與建造從業(yè)人員參考。

2 W-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)[1]

2.1 W-PC工法的發(fā)展

W-PC工法開始于1965年，日本住宅公團(tuán)（即現(xiàn)在的都市基礎(chǔ)配備公團(tuán)）首次利用該工法在日本千葉縣建設(shè)了4層的住宅樓。同年，日本建筑學(xué)會編寫了《壁式鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計及解說》以及《JASS10混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)工程》。1970年SPH（公共住宅用中層大規(guī)模建設(shè)住宅標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計）的開發(fā)與1971年日本建筑中心《壁式鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)5層公共住宅設(shè)計指南及解說》的出版使W-PC工法開始廣泛地應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)，并成為日本經(jīng)濟(jì)高速增長時期住宅大規(guī)模建設(shè)的主要工法。到目前為止，W-PC工法仍然是日本5層以下公共住宅的代表性工法。

2.2 W-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)

W-PC工法是將預(yù)制的構(gòu)件在現(xiàn)場吊裝連接形成整體結(jié)構(gòu)（見圖1），因此在設(shè)計時需要將W-PC結(jié)構(gòu)分割并預(yù)制。W-PC結(jié)構(gòu)主要有三種預(yù)制構(gòu)件：①剪力墻板：連接正交剪力墻的大型鋼筋混凝土預(yù)制板；②樓面板、屋頂板：連接平行剪力墻的鋼筋混凝土預(yù)制板；③樓梯板：連接平行剪力墻的鋼筋混凝土預(yù)制樓梯平臺板及連接樓梯平臺之間的鋼筋混凝土預(yù)制板。

W-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：①將外墻或隔墻作為剪力墻來使用，既合理又經(jīng)濟(jì)；②柱或梁不暴露在室內(nèi)，能夠有效利用居住空間；③預(yù)制率越高，越能大幅度縮短工期；④施工器具、外部裝飾、各種配管等可以事先準(zhǔn)備，可以節(jié)約現(xiàn)場工作量，彌補(bǔ)技工數(shù)量不足的問題；⑤通過減少噪聲、振動、粉塵等施工公害和廢棄物，大幅度削減木模板的使用量，有利于保護(hù)環(huán)境。

2.3 接合部設(shè)計

W-PC結(jié)構(gòu)接合部大致有墻-墻接合部、樓板-樓板接合部、墻-樓板接合部（見圖2）。剪力墻豎向接合部需采用混凝土濕接縫連接方式，如果通過計算接縫部分能夠滿足承載力的要求，也可以采用其它連接方式。剪力墻、預(yù)制板和墻梁的接合部必須能夠有效傳遞應(yīng)力。接合部連接所采用的鋼筋、鋼材及填充混凝土或砂漿應(yīng)具備防銹和耐火性能。

圖1-W-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)概念圖

圖2-W-PC接合部的示意圖

圖3-WR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)概念圖

3 WR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)[2]

3.1 WR-PC工法的發(fā)展

WR-PC工法（見圖3）是將用于高層集體住宅的壁式框架鋼筋混凝土進(jìn)行預(yù)制的工法。1988年，日本住宅公團(tuán)首次采用該方法在日本多摩新城地區(qū)建造了2棟11層的集體住宅。此后，住宅都市配備公團(tuán)、九段建筑研究所及預(yù)制建筑協(xié)會眾多資深專家共同進(jìn)行研究開發(fā)，依據(jù)實(shí)際工程的設(shè)計與施工編寫了《高層壁式框架鋼筋混凝土預(yù)制設(shè)計、施工指南》?，F(xiàn)在，這種工法已成為15層以下的高層集體住宅樓的主要工法之一。

3.2 WR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)

本工法的預(yù)制率高，可以與W-PC相比。WR-PC結(jié)構(gòu)主要的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件有：①壁柱：樓板上端與梁下端之間的扁平矩形鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件；②梁：使相鄰壁柱之間的樓板鋼筋向外突出的鋼筋混凝土半預(yù)制構(gòu)件；③剪力墻板：沒有梁的上下層樓板之間的大型鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件；④樓面板：不使用次梁的、大型疊合樓板用鋼筋混凝土半預(yù)制板。除此之外，外廊、陽臺等的懸臂構(gòu)件、樓梯、填充墻等構(gòu)件也可以進(jìn)行預(yù)制。

WR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：①與壁式構(gòu)造相同，分戶墻沒有設(shè)置梁，能夠有效利用居住空間；②扁平壁柱上面留有設(shè)備備用孔，業(yè)主可以比較自由地利用自己的房間；③可以縮短工期，有利用環(huán)境保護(hù)，可以節(jié)約勞動力，結(jié)構(gòu)主體質(zhì)量高，壽命長。

3.3 接合部設(shè)計

WR-PC結(jié)構(gòu)接合部主要有預(yù)制柱的水平連接、預(yù)制剪力墻的水平連接、半預(yù)制梁的疊合面、預(yù)制柱與預(yù)制剪力墻的豎向連接、半預(yù)制梁的豎向連接（見圖3）。設(shè)計的基本原則為：①預(yù)制構(gòu)件的水平連接和豎向連接，作為主要結(jié)構(gòu)承載部分，在正常使用時不允許影響使用的裂縫或變形，在設(shè)防烈度下不會出現(xiàn)需要修復(fù)的損壞，在罕遇地震時不能先于構(gòu)件破壞；②各個接合部，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件與接合部的位置進(jìn)行具體設(shè)計；③對各接合面應(yīng)根據(jù)接合面的類型設(shè)定合適的摩擦系數(shù)。

4 R-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)[3]

4.1 R-PC工法的發(fā)展

R-PC工法（見圖4）是將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)制的工法。從20世紀(jì)70年代開始，日本住宅公團(tuán)和民間的建筑公司開始開發(fā)各種工法。1986年，日本建筑學(xué)會出版了《鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工》，介紹了各種鋼筋混凝土預(yù)制化工法。1990年，住宅、都市配備公團(tuán)的民間開發(fā)的工業(yè)化住宅中首次采用高層R-PC工法。1990年到1993年實(shí)施的“日美大型抗震試驗共同研究——預(yù)制抗震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（PRESSS）”對包含鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件的鋼筋混凝土建筑的設(shè)計外力、結(jié)構(gòu)計劃、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件及接合部設(shè)計的相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行了匯總，并制定了指南及手冊，確立了現(xiàn)在的鋼筋混凝土預(yù)制化工法。

4.2 R-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)

R-PC工法是將現(xiàn)澆的框架預(yù)制，與WR-PC工法相比，在建造計劃和構(gòu)造計劃上受到的制約較小?？紤]施工可行性，設(shè)計時需要考慮接合部鋼筋的位置、斷面尺寸和施工順序等?；炷令A(yù)制構(gòu)件的接合部設(shè)計除了要保證結(jié)構(gòu)的性能外，還需要充分考慮施工可行性。

R-PC結(jié)構(gòu)主要的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件有：①柱：樓板上端與梁下端之間的扁平矩形鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件；②梁：使相鄰柱之間的承受樓板等荷載的鋼筋混凝土半預(yù)制構(gòu)件；③樓板：不使用次梁的、鋼筋混凝土半預(yù)制板。除此之外，外廊、陽臺等的懸臂構(gòu)件、樓梯、填充墻等構(gòu)件可以與WR-PC一樣進(jìn)行預(yù)制。

4.3 接合部的設(shè)計

R-PC結(jié)構(gòu)的接合部主要有柱端的水平接合部、梁端的豎向接合部、預(yù)制墻的水平接合部、預(yù)制墻的豎向接合部、樓板端部的豎向接合部、樓板的水平接合面、小梁端部的豎向接合部（見圖4）。R-PC結(jié)構(gòu)接合部的設(shè)計時要求必須確保預(yù)制構(gòu)件接合部具有與現(xiàn)澆混凝土相同的結(jié)構(gòu)性能、耐久性和功能性，在出現(xiàn)暴風(fēng)與發(fā)生旱遇地震時預(yù)制構(gòu)件接合部不會產(chǎn)生滑脫或較大的殘留裂縫，在發(fā)生旱遇地震時允許預(yù)制墻的豎向接合部和水平接合部發(fā)生滑脫，但建筑不倒塌。

圖4-R-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)概念圖

圖5-SR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)概念圖

5 SR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)[4]

5.1 SR-PC工法的發(fā)展

SR-PC工法（見圖5）是將型鋼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的柱、梁、剪力墻等進(jìn)行預(yù)制的技術(shù)。20世紀(jì)60年代后半葉，由于住宅建設(shè)用地狀況開始緊張，日本集體住宅開始呈現(xiàn)高層化發(fā)展的趨勢。到了70年代，日本住宅公團(tuán)開始使用將型鋼鋼筋混凝土進(jìn)行預(yù)制的H-PC工法來大量建設(shè)住宅，并迅速在日本普及該方法。H-PC工法是指在柱或梁上使用H型鋼的鋼筋混凝土預(yù)制化工法，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)或施工條件選擇最合適的預(yù)制構(gòu)件組合。H-PC結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件的連接主要為型鋼焊接，結(jié)構(gòu)主要依靠型鋼承受荷載。后來，鋼筋連接方法的發(fā)展使得鋼筋混凝土能于型鋼鋼筋混凝土一樣承受荷載。另外，鋼材價格的暴漲，促進(jìn)了這種工法的發(fā)展。為了區(qū)別于H-PC工法，將型鋼鋼筋混凝土能參與承載的工法稱作SR-PC工法。SR-PC工法適用于11~15層的高層住宅，但近年來這種工法也常用于大跨度、不規(guī)則建筑及超高層建筑。

5.2 SR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)

SR-PC結(jié)構(gòu)主要有內(nèi)含H型鋼的梁、剪力墻與半預(yù)制鋼筋混凝土疊合樓板三種預(yù)制構(gòu)件。鋼預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件中的型鋼與混凝土共同承擔(dān)荷載。梁和柱可以做成“十”字形、“艸”字形或者“ ”字形的整體構(gòu)件，在梁和柱的跨中央附近用高強(qiáng)螺栓將型鋼連接起來，可以降低梁柱節(jié)點(diǎn)連接的施工難度。

5.3 接合部的設(shè)計

SR-PC結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件一般通過焊接或高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，鋼筋通過接頭連接。SR-PC結(jié)構(gòu)接合部主要有柱端水平接合部、預(yù)制梁端豎向接合部、預(yù)制墻-預(yù)制墻豎向接合部、預(yù)制墻-預(yù)制柱接合部、疊合板的水平疊合面、疊合板-疊合板水平接合部等。預(yù)制柱與預(yù)制梁的接合部可以設(shè)在層高的中部或者梁跨的中部。

6 結(jié)語

預(yù)制建筑具有工期短、有助于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約勞動力、主體質(zhì)量高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前世界建筑發(fā)展的趨勢。日本在預(yù)制建筑領(lǐng)域起步較早，已經(jīng)形成了比較完善的結(jié)構(gòu)技術(shù)體系，其中的W-PC、WR-PC、R-PC、SR-PC結(jié)構(gòu)技術(shù)體系是目前日本最廣泛采用的幾種技術(shù)體系。日本預(yù)制結(jié)構(gòu)技術(shù)理論與經(jīng)驗值得我國住宅建筑設(shè)計與建造從業(yè)人員的學(xué)習(xí)與借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 社団法人プレハブ建築協(xié)會.プレキャスト建築技術(shù)集成.第4編.R-PCの設(shè)計. 社団法人プレハブ建築協(xié)，2003.1.

[4] 社団法人プレハブ建築協(xié)會. プレキャスト建築技術(shù)集成.第1編.プレキャスト建築総論. 社団法人プレハブ建築協(xié)，2003.1.