国外主要装配式预制混凝土结构体系概述

陈晓坤，管成旭

（扬州大学 江苏扬州225009）

0 引言

装配式建筑具备了过去混凝土浇筑独一无二的特性:节约劳动力成本、缩短工期、产品质量控制较好、环境友好和推动国家工业化发展等。鉴于上述诸多好处，装配式建筑逐渐在世界范围内推广开来。但是，由于各国国情不同，世界各国的装配式建筑的模式存在差异，这带来其特点和工艺流程的不同。另外，虽然网络上有大量介绍各国装配式建筑的文章，但大都浅尝辄止，只有一些名词和简介，深入挖掘对比工艺流程和结构方面内容的很少，即只谈现状，不谈体系。所以，本文主要收集、对比日本、法国、美国、前南斯拉夫和新西兰5国的装配式结构体系的概述、特点、需要预制的构件、工法示意/工艺流程和预制构件连接方式5个方面的对比，提供了较为全面的概述信息。

1 日本PCa技术

目前，装配式建筑技术相对成熟的国家当属日本，其在战后不同阶段逐渐发展出诸多体系［1］。值得注意的是，一般公认PC（Prestressed Concrete）即指预制混凝土，不过PC 也包含了预应力混凝土（Precast Concrete）的意思。所以在日本为便于区分，预制混凝土专门被称做“PCa”。

预制装配式混凝土PCa 是日本框架工业流程的重要一环，其进化路径大致包含了W-PC（预制混凝土墙板）阶段、R-PC（预制混凝土框架）阶段、WR-PC（预制混凝土框架-墙板框架）阶段到HR-PC（预制混凝土-钢）阶段。

下面重点介绍W-PC、R-PC及WR-PC三种体系。

1.1 W-PC体系

1.1.1 概述

W-PC（预制混凝土墙板框架）主要由墙板和楼板PCa构件装配而成。因为该工法是将PCa构件在现场利用干式、半干式拼装连接，另外墙板与楼板的搭建能够一齐施工。所以W-PC 的方法可以有效提高工程作业效率。由于在中低层住宅的广泛使用，W-PC在日本装配式发展的早期（20 世纪六七十年代）成为发展的主流，不过现在日本已经很少选择W-PC 方法进行装配［2］。

1.1.2 特点

⑴主要适用于中低层住宅，且结构不需要经过复杂的结构计算；

⑵柱子与梁的外边线在室内不出现，因此居住空间得以有效利用；

⑶现场施工时先吊装就位，后浇筑混凝土完成连接；

⑷PCa 化的效率高，墙板和楼板安装可同时作业，可以大幅度缩短工期；

⑸因为能够把钢制门窗结构与墙板瓷砖还有墙内管道等结构事先装配完成，如此一来能够减少大量现场作业项目，不仅能够减轻作业团队老龄化的难题，还可以降低技术缺乏、工种不全带来的影响；

⑹PCa 钢结构混凝土墙板构件可用于外墙和间隔墙，这样既合理又经济［3］。1.1.3 预制钢筋混凝土构件

⑴剪力墙；

⑵楼板及屋面板:水平剪力墙结构的PCa 钢筋混凝土板；

⑶楼梯板:架设在平行剪力墙上的PCa 钢筋混凝土休息平台板和架设在体息平台之间PCa 钢筋混凝士梯段板。

阳台、外廊部分悬挑的楼板与室内一侧的PCa 混凝土楼板连为一体。另外，楼顶板还能和女儿墙一同形成组合结构。

1.1.4 工法示意/工艺流程

⑴壁板安装:壁板运载及登记检查➝安装衬底垫圈➝安装壁板及其支撑→钢筋焊接结合

⑵地板安装（可与壁板同时安装）:地板运载及登记检查➝地板安装➝地板焊接接合

⑶台阶安装（安装后可作为临时施工楼梯）:台阶吊装➝安装和焊接接合

⑷混凝土浇筑（混凝土浇筑采用高强度无收缩填充方式）:混凝土运载及登记检查➝装灌➝浇筑作业

⑸屋顶安装:吊装带遮阳板的屋顶板到指定位置➝进行相应的安装

1.1.5 预制构件连接方式

⑴剪力墙垂直连接:就是紧靠的剪力墙与垂直剪力墙二者的衔接部分。通常情况，角铁衔接结构安排在衔接位置，并与钢筋焊接衔接。再浇筑混凝土，等混凝土定型固化后融为一体（即湿式衔接）。在衔接部分的里面安装竖向钢筋，每层中心位置联结焊接竖向垂直钢筋。

⑵剪力墙水平连接:是指楼板上、下两侧的剪力墙的连接位置。之前的做法是在每块剪力墙的底部与顶部预埋焊接板。通过上下焊接手段结合（即干式衔接）。不过现在由于横向传递的可行性，作业效果的改善还有焊接工作者的不足，墙板与受力板底端二者的接合都是提前加入水泥砂浆，再把预制墙板里面的竖向连接钢筋以拼接的方法焊接起来（即直接衔接），现在此类手段变成主要方法。

⑶楼板连接:墙板相互接合和剪力墙的竖向接合基本类似，在接合部位安装角铁接合结构，焊接连接钢筋，再进行浇筑。墙板与剪力墙的接合主要利用焊接剪力墙上端多出的衔接钢筋与墙板的衔接钢筋。上述手段是通过剪力墙的竖向接合钢筋来实现横向力的转移。不过，为有效避免火灾、爆炸等突发情况，必须把墙板和剪力墙焊接成一体。

⑷楼梯板连接:楼梯部分的站台的焊接部位，大部分是剪力墙板旁边安装的金属结构；梯段板安排在楼梯站台位置，然后根据同样的金属板焊接在一起。

1.2 R-PC体系

1.2.1 概述

20世纪60年代正是“集体住宅”阶段，以前PCa方法在3～5 层的集体居住区的工程上曾普遍推广，因此很多人出现了“PCa 方法仅能在修建集体居住区才能施展，这是由于很多构件为板状的”此类的曲解。最近，纯框架技术R-PC 逐渐在超高层建筑的搭建上推广开来。这表示PCa 方法不仅能用于框架的搭建，不只是适用于集体居住区的修建［4］。

1.2.2 特点

⑴由于整体架构的防震能力强、传力清晰、容易计算，所以R-PC在日本采用较为广泛。

⑵由于围栏与填充部分材料基本都是轻质板材，这种材质和主要框架二者选择柔性接合方式，因此R-PC 结构在地震时仅会存在很小的层间变位阈值。其次，利用高强钢筋、混凝土与隔振板等方法，RPC结构能够在高层与超高层楼层中更好发挥作用。

⑶日本居民区一般在售出前已经精装过，还有很多选择了SI（SI 住宅是指住宅的承重结构骨架具有高耐久性，而且是固定不变的。但住宅所用的分隔构件，则可以根据住户的不同要求而灵活变换）。内装工业化结构，一体化内装构件，因此建筑本身的内部构造并未导致房屋的户型不佳。

⑷在与现浇相同的设计思想下，R-PC 系统与其他系统相比，其构件加工和现场施工更简单高效。

1.2.3 预制钢筋混凝土构件

⑴柱；

⑵梁:是指接合邻近柱间楼板的位置凸起钢筋与楼板底部的PCa钢筋混凝土结构；

⑶楼板:大块PCa钢筋混凝土板，能够取代次梁。

阳台、外廊、台阶及非承重墙板等的预制与1.3 节中WR-PC 一致。此外，还包括部分复合施工方法，即部分预制部分现浇，柱、梁还有剪力墙都能使用，另外一些特殊半成品PCa。

1.2.4 工法示意/工艺流程（见图1）

图1 R-PC工法示意［1］Fig.1 R-PC Construction Method

1.2.5 预制构件连接方式

⑴剪力墙还有壁柱的竖向连接:连接处安装角铁进行接合，比连接处稍凸出的连接钢筋，在连接钢筋的里面充当连接端，接着安置钢筋，把混凝土灌入连接处的里面；

⑵剪力墙和壁柱的水平连接处:通过无收缩水泥砂浆实现；

⑶壁柱和梁的交联处:施工时配筋并浇筑混凝土，这是一般处理手段；

⑷楼板与梁、剪力墙等连接处:把顶部钢筋和部件接合的钢筋安排好，直接灌浇混凝土形成整体。

1.3 WR-PC体系

1.3.1 概述

由于R-PC 工法在居住适用中存在梁的干扰，降低工艺适用性。WR-PC 工法作为一种R-PC 与WPC“结合”的工法被提出，WR-PC 在进深方向上穿过多层的整块剪力墙，开间方向是扁平壁样的柱（见图2）与梁，再通过刚性连接组装起来。它的结构形式可以与W-PC相当，但装配效率更高。

1.3.2 特点

⑴由于住户墙壁梁不突出，所以居住使用的工艺适用性得到改善；

⑵由于扁平的壁柱中设置设备空间，提高了设备设计的自由度；

1.3.3 预制钢筋混凝土构件

⑴壁柱:梁的底部到板的顶部是扁平矩样式的PCa钢筋混凝土；

⑵ 梁:越过邻近柱子间的楼板内钢筋肋筋凸出，板的底部是半预制钢筋混凝土；

⑶剪力墙:大块PCa钢筋混凝土板，能让屋内梁隐藏；

⑷楼板:大块PCa钢筋混凝土板（半预制也可），能取代次梁。

还有，阳台、走廊底端一直到楼梯、板、非承重楼板等基本全部区域都能采用预制。1.3.4 工法示意/工艺流程（见图2）

图2 WR-PC工法示意［1］Fig.2 R-PC Construction Method

1.3.5 预制构件连接方式

⑴剪力墙和壁柱的竖向的连接:通常情况下角铁接合处安放在连接处，把凸出部位的钢筋焊接起来，然后浇筑混凝土至接合部的内部；

⑵剪力墙和壁柱的水平连接处:通过无收缩水泥砂浆实现；

⑶壁柱和梁的交联处:施工时配筋并浇筑混凝土，这是一般处理手段；

⑷楼板与梁、剪力墙等连接处:把顶部钢筋和钢筋混凝土部件接合的钢筋安排好位置，直接灌浇混凝土，硬化后形成整体。

2 法国世构（SCOPE）体系

2.1 概述

世构体系（SCOPE）源于法国，即“键槽式预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系”，主要是选择预应力混凝土组合梁与板，施工时浇筑形成钢筋混凝土柱，接着再使用混凝土接合柱、梁、板还有键槽式梁柱交联处，然后完成整体架构［5］。

真正作业时，SCOPE 重点包含了以下构型:①选择预制柱，预制预应力混凝土组合梁与板的整体安装架构；②选择灌浇柱，制预应力混凝土组合梁与板的混合安装架构；③仅选择制预应力混凝土组合梁，能完成多类构型的搭建［6-8］。

2.2 特点

⑴预制化水平高，施工时混凝土任务较稀少，所以施工现场相对干净。

⑵预制板通过预应力，让楼板的防裂能力大幅上升，有效减少现浇建筑产生楼板开裂的现象。还有，预制梁与预制板都通过工业化流水线制造，材料外观、材料品质能得到保障，寿命长，强度高。

⑶预制梁与预制板的实际生产不用模具，板下相邻支杆的距离能增加到2.0～2.5 m，和直接浇筑比较，省下的循环材料超过80%［9］。

⑷施工时，无需大型安装设备与建筑机械；

⑸选择预应力高强钢筋与高强混凝土，能达到降低梁与板的构件尺寸，梁的长度能够降低到跨度的1/15，板宽能够降低到跨度的1/40，因此框架本身重量下降。同时，梁与板耗钢量也能够降低20%～30%，和直接浇筑比较，工程建设费用降低超过10%；

⑹相较一般预制结构，预制板的大小与模数无关，因此可根据具体需求任意切割，实用程度高，更加方便。

⑺能够省下的主体建筑作业时间超过30%。

2.3 预制钢筋混凝土构件

世构模式是一类基于预制混凝土安装一体化的框架模式，包含的预制结构有预制混凝土柱、预制预应力混凝土组合板与梁。

2.4 工法示意（见图3）/工艺流程

吊装3层预制柱➝吊装预制梁➝梁柱节点组合➝吊装楼板［10］。

图3 SCOPE工法示意［10］Fig.3 SCOPE Construction Method

2.5 预制构件连接方式

世构模式的优势主要集中于其连接处结构，其连接处包含U形钢筋、键槽以及现浇混凝土3个方面，另外U 形钢筋的关键用途为接合连接处两头，还革新了过去的把梁的垂直方向的钢筋在连接处区锚固的形式，更新成和预制梁侧预应力钢筋在键槽，也就是梁侧的塑性铰区完成接合（见图4）。

图4 梁柱节点效果图与实际图对比［10］Fig.4 Comparison between Beam Column Joint Effect Drawing and Actual Drawing

3 美国停车楼体系（双T板）

3.1 概述

在美国，当前广泛采用预制混凝土的建筑是高层停车场，因此通常称为停车楼结构［11］。另外，因为其标志是使用预制双T 板，所以又称为双T 板体系。上述结构通常是剪力墙-梁柱，一般情况下横向力都施加在剪力墙上，梁和柱只承担垂直力。另外梁柱接合处让梁侧避免受到弯矩，所以使梁柱连接处变简易。经过大量实际工程验证，该结构体系安全有效［12］。

3.2 特点

双T 板结构主要包含双T 板、梁、板等3 个部分，其优势在于存在大型的楼板与2 个窄且长的肋。另外，楼板同时充当水平承重部分以及垂直方向承重肋的受压部位。因为其受压位置的面积较大，中和轴靠近及进入楼板，因此承受拉力的主筋存在很大的力臂，从而让双T 板具备了更加优质的结构力学特点。还有，朴素的几何构造，清晰的传力次序，能够生产成大型的、跨度长的且性价比非常高的载重结构的优势让该结构得到迅速的推广，很快便运用到单层、高层及超高层的楼梯修筑中，双T板能作为建筑顶盖，直接放置在框架梁上即可，非常便捷。预应力的双T 板的跨度有20 m，另外选择强度高、轻质的混凝土跨度可增长至30 m。双T 板的板面宽度通常为1.2～3.0 m，肋距约为板宽的1/2，肋底宽度不小于10 cm，等截面的肋高为0.3～0.8 m，变截面的跨中肋高为1.0～1.5 m［13，14］。

3.3 预制钢筋混凝土构件

主要为预制双T板、预制剪力墙以及预制外墙。

3.4 工法示意/工艺流程

勘测并放线➝吊机与吊具就位➝查验吊机与吊具➝准备吊起双T 板➝开始吊起双T 板➝双T 板放好➝进行位置调整➝将双T板和底座接合➝松钩➝解开固定器具➝重复上述步骤➝填充板间空隙。

3.5 预制构件连接方式

目前，双T 板翼缘连接件有很多种，有学者对现有的连接件情况做过详细的调查，如图5 所示。多数情况下，垂直向预制结构选择一通至底，可能通过分层预制，接着在建筑标高选择灌浆套筒接合或螺栓接合。预制板的两端均通过先埋件与后焊接钢板接合，牛腿放置的方式在预制柱和预制梁之间的接合方面非常常见。预制双T 板的放置连接处中经常选择牛腿放置或倒T梁放置的方式。

图5 预制构件连接方式［8］Fig.5 Precast Component Connection

4 前南斯拉夫-预制装配式整体预应力板柱体系（IMS）

4.1 概述

IMS 体系全称为“预制装配式整体预应力板柱体系”［15］。早在1956 年，这种方法就被前南斯拉夫塞尔维亚材料研究院的Branko Zezely 教授提出，在多年的改良与进化过程中，大量国家与区域均有一套使用该方法的成熟体制［16］。这种预制板楼一开始是矩形或者正方形，因此又称其为“方板体系”［17-22］。

4.2 特点

⑴方板体系无梁，相对自由灵活，可满足空间设计要求；

⑵预应力板厚较薄，结构自重轻，节省造价；⑶抗震性能优良，整体性好；

⑷优质的隔热性，有效的隔音作用:采用的楼面板和楼板都是预制钢筋混凝土夹心板，里面的材质是聚苯乙烯泡沫。

4.3 预制钢筋混凝土构件

预应力钢筋混凝土楼板，预制柱。

4.4 工法示意（见图6）/工艺流程

在施工现场，第一步竖起预制钢筋混凝土柱，一般情况柱子是2～3 层一节，选择暂时的固定方式，接着衔接支架放置预制楼板，一般每跨放置单个楼板，直到一层楼板完成吊装过程，采用预应力钢筋钢索或钢丝束并拉伸钢筋钢索或钢丝束让楼板和柱二者产生压力，有必要的话，利用水平垂直方向的每跨内施纵向折力，让预应力钢筋出现弯折力从而校正预应力的减少，另外也能承受结构本身的重量。最后，楼板借助预应力还有出现的静摩擦力依附于在柱子上，板与柱二者预应力摩擦连接点产生。

图6 方板体系楼板平面布置及施加预应力示意图［12］Fig.6 IMS Floor Layout and Prestressing Diagram

4.5 预制构件连接方式

⑴该体系预制柱无柱帽与牛腿；

⑵预制楼板与柱子二者的贴合面为平面，在接合面的间隙内加入细石混凝土或砂浆，实现平接接口，接着在楼盖上设置预应力，也就是两端后张的预应力筋经过柱孔与邻近房盖结构二者间的明槽，然后把预制结构挤为一体；

⑶楼板利用预应力和出现的静摩擦力依附于柱子上，板和柱二者产生预应力摩擦连接处（见图7）。

图7 IMS体系组成与板柱节点［7］Fig.7 IMS System Composition and Plate Column Joints

5 新西兰3种框架体系

5.1 概述

新西兰架构体系的基本原理为边框架主要用途为增加强度和刚度，能够消除多数的地震晃动，对于而内部结构关键功能是实现分担纵向载重。以下介绍Park 教授提出的3 种框架体系（主要是以连接情况的不同区分）［23-26］。体系1 是现浇柱和叠合梁，体系2是叠合梁和预制柱，体系3是预制梁柱单元。

5.2 特点

⑴体系1柱的截面尺寸设计需较大；

⑵体系2 的特点为梁柱连接处关键的钢筋能够和预制混凝土梁部分连接，梁的塑性铰范围在预制材料内，防止了预制材料和浇筑混凝土二者的竖向冷焊。另外，如有需要，能实现预制混凝土梁结构巩固，从柱面去除可能存在的塑性铰部位；

⑶体系3的特点为大量采取预制混凝土，而且因为预制连接处，防止在施工时繁琐的固定生产步骤。但是由于节点部分较重，需要起重量更大的起重机。

5.3 预制混凝土构件

⑴体系1为预制预制混凝土梁；

⑵体系2为预制混凝土梁与预制混凝土柱；

⑶体系3为预制T形节点。

5.4 工法示意/工艺流程

⑴体系1中预制混凝土梁部分处在立柱中间，梁下端的竖筋通过竖向挂钩在浇筑核心部分完成锚固。因为预制梁部分突出的梁下端竖筋一定锚固到柱子的核心部分，所以柱的截面积大小必须充足（见图8a）。

⑵体系2 一般的方式是把连接处下柱的竖向钢筋采用预制梁部分的纵向管道突出，在垂直管道内浇筑，后到达上柱。接着，作业时能够借助塑料管把钢筋直接插入纵向管道的功能。如果柱中的竖向钢筋和上柱顺利接合，塑料管能够直接撤掉（见图8b）。

⑶体系3 中，各部分利用梁跨之间的连接处接合。预制部分的柱子从竖向柱杆接合，柱杆延伸至邻近部分的钢套管或管道中接着完成浇筑。梁在跨中就地浇筑（见图8c）。

图8 框架体系工法示意［25］Fig.8 Framework System Construction Method

5.5 预制构件连接方式

现在，新西兰的很多楼体楼板主要为墙的预制混凝土部分和水平跨梁两部分［27］。按照新西兰的整体框架设计，预制混凝空心板或实心板和预制梁之间的几种接合方式如图9 所示，3 类接合方式的差异主要是底座的深度不一致。

图9 3种梁板连接方式［25］Fig.9 Three Connection Ways of Beam and Slab

6 对我国装配式建筑发展的启发

我国装配式建筑起步比发达国家晚，外国的装配式方案对我国很有借鉴意义。日本的PCa 技术具有施工速度快、结构计算不复杂的优点，适合中低层住宅的要求。法国的世构体系材料利用率高，显著降低施工建设费用，提高建设效率，施工现场相对干净，符合绿色施工的要求，是未来发展的一个方向。美国双T 板和我国的双T 板有所区别，美国采用的是预制式，而我国多采用现浇式［28］。美国预制式双T 板实现了建筑工业化，施工效率相对较高。而我国的双T 板则更加稳定。IMS方板体系无梁，相对自由灵活，可满足空间设计要求。新西兰较为独特，其结构体系边框架主要用途为增加强度和刚度，能够消除多数的地震晃动，而内部结构关键功能是实现分担纵向载重。