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21

October

深度剖析日本装配式技术变迁与技术演进,满满都是干货!

发布者: 和能人居科技阅读次数: 128次


来源:建筑学报 | 2020年05期


日本住宅生产的预制化建筑

构法理论变迁与技术演进


松村秀一

东京大学大学院

伍止超 译

中国建筑标准设计研究院有限公司



 01. 

“建筑生产工业化”的概念及内涵


建筑生产的技术,以及技术应用、生产组织方式等方面,存在很大的地域性差异。就技术本身而言,不可能将日本经验照搬应用到中国,即使可以采用,在日本所取得的成果也不一定能够在中国取得同样效果。因此,当技术理论陷入各种各样议论纷争的时候,最好应该首先明确的是,如何思考和定义“建筑生产工业化”概念、内涵及其基本方法。


当笔者还是20来岁初出茅庐的研究者时,为探索对事物判断的标准,深入研读了国内外各种对建筑工业化概念的定义,其中对笔者影响最大的是原武藏工业大学江口祯教授对“建筑生产工业化”概念的定义。它具有完全超乎笔者想象的完美,那时笔者的人生目标即是今后要成为能写出这种概念和定义的学者。


江口祯教授是这样定义“建筑生产的工业化”的:“在建筑生产中促进先进的工业技术开发与应用,通过有效地发挥技术的合理性来改革或重组建筑相关人员的社会系统。它是一种动态的过程,其目标可以体现在以下3个方面:



首先,对建筑的开发建设者和使用者而言,相对更容易参与到建筑建设行业中来,这不仅可以降低建造成本和缩短建造周期,而且还可以预先把握产品质量并解决用户担心的问题等;



其次,对建筑的生产者而言,可以摆脱不稳定的劳动市场及传统的组织结构,以高度的生产性改善企业利润;



第三,从更加广泛的社会角度来看,在建设与国家发展、资源环境、城市建设和人民生活协调发展的优良建筑存量资产方面,不仅承担着重要的角色,而且正在发挥着主导作用”。



 02. 

庞大市场需求推动日本住宅工业化发展


欧美发达国家先于日本,为了快速解决巨大的住房数量短缺,在第二次世界大战后普遍采用了住宅生产的工业化方法。但在之后的住宅工业化发展中,日本是出类拔萃的,表现在住宅建设数量、尤其是可持续性方面。


要通过快速、大规模建设来解决住房数量短缺的问题,就要在相对较短的时间内实现建设目标。当然,有时也会受到国家经济和财政状况的影响而无法短期内实现预期目标。但无论如何只要在一定时期内努力建设,就能够解决住宅数量不足的问题,发达国家的经验也可以充分地说明这个事实。从历年的新开工住宅数量看,住房短缺问题在一定时间中得到缓解后,住宅建设数量就开始迅速下降(图1)。


▲ 1  1950-2008年间日本和欧美国家的新建住宅开工户数


然而日本却并非如此。尽管随着日本全国47个都道府县的住宅数量都已超过家庭数量,且由于1973年第一次石油危机爆发,日本开工住宅户数在此前的持续增长被画上了句号,并在短期内大幅下降,但在那之后的30多年间,日本仍然保持了“每年每千人新增10户以上新建住宅”的令世界震惊的增长速度。


如图1所示,很少有国家能够做到如此增速,即便能够做到,也只能在一两年内保持这样的增长。虽然对全世界来说,这个巨大的住宅市场短期内仍不会停滞,但像日本这样自石油危机之前开始的每年每千人新增10户以上新建住宅的高水平增长持续了40年,也就是说这样自高速经济成长期以来逐渐壮大的日本住宅建设市场,是人类史上前所未有的。因此,要了解这期间日本住宅市场的成因,特别是了解日本住宅产业的成长历程,必须首先认识到这一点。



 03. 

欧洲式集合住宅、美国式商品住宅与日本式住宅的特点


二战之后在发达国家也普遍出现了巨大的住宅建筑需求,然而在住宅市场中起着核心作用的住宅生产与供应方式上存在很大的地域性差异。


在苏联和东欧国家,战后住宅是由政府机构直接运营管理的公共租赁住房,在法国等西欧国家则一般由非营利性住宅联盟或住宅公社从政府获得补贴,来代替政府机关经营公共租赁住房。欧洲国家的战后住宅形态通常都是集合住宅。而在美国,战后住宅主要是自持住宅,且为独户式住宅,公共集合住宅在美国战后住宅建设中所占份额很少。一个典型的例子是莱维顿(Levit Town)住宅区,在1940年代末至1950年代初风靡世界,在住宅用地上开发建设的独户式商品住宅是美国战后住宅建设与供给的重点。


长期延续的巨大住宅市场需求是日本独有的历史现象。日本战后住宅分为3种类型: 第一种是1951年后一直由地方政府直接经营、与苏联类似的公共住宅(形态上不仅有集合住宅,还有独户式住宅);第二种是类似美国的独户出售的住宅金融公库(现为金融支援机构)融资住宅;第三种是1955年后类似西欧模式的日本住宅公团(现为UR都市机构)住宅。3种类型都是因政府住房政策而出现的产物,且都一直持续到今天。


从建设数量来看,日本住宅以独户式自持住宅为主,且与美国式商品住宅不同,是一种定制性住宅,日本在这个领域中的工业化发展在全世界范围内都无可匹敌。但本文不对民营企业所主导的独户式定制住宅进行论述,而是将话题聚焦在中国当前正在关注的集合住宅的工业化领域上。



 04. 

国际上预制混凝土住宅建筑的两种不同类型



中国和日本一般将钢筋混凝土用于集合住宅的建筑结构骨架,在工业化生产中通常用预制混凝土代替现浇钢筋混凝土。这种最初由欧美发明和开发的预制混凝土有两种不同的类型:一种作为结构和基底,最终施工建设完成的装饰面会将其隐藏起来;另一种则通过表面的材料和颜色来装饰建筑物外立面。美国建筑技术相关人员称前者为“工作式混凝土”(job concrete),后者为 “建筑式混凝土”(architectural concrete),并解释说,这两种预制混凝土类型的价格和制造工厂完全不同。


比如在欧洲常见的预制成品—— 预制混凝土空心楼板(图2),现场施工完成楼板的表面做法后是看不见混凝土本身的,即典型的“工作式混凝土”。图3和图4是1990年代在丹麦考察时拍摄的同一栋集合住宅施工现场照片,建筑墙体等主要结构部件都使用了预制混凝土,但建筑墙体构造的外侧有保温材料,最外侧采用了砖成品砌块,这也是一种典型的“工作式混凝土”。


▲ 2  欧洲建筑工地的预制混凝土楼板


▲ 3  1990年代丹麦集合住宅建筑工地,前面这栋楼正在施工过程中,后面那栋楼就是预制混凝土类型的“工作式混凝土”,外侧采用砖成品砌块


▲ 4  可以清楚地看到墙内侧到墙外侧的预制混凝土类型的“工作式混凝土”、保温材料和砖成品砌块构成


在1980年代巴黎郊区新城镇建造的著名的Picasso Arena集合住宅,像天然石材质的具有装饰性细节的成排立柱(图5)和住户外墙(图6)全都是通过建筑材料添加颜料的预制混凝土,这就是典型的“建筑式混凝土”。


▲ 5  1980年代巴黎Picasso Arena住宅


▲ 6  Picasso Arena住宅的预制外墙


两种预制混凝土类型的区别在是否易于现场浇筑与制造。显而易见的是,外部看不到的“工作式混凝土”非常易于浇筑与制作。而“建筑式混凝土”在现场浇筑和制作中无法实现各种不同颜色的表达,一些部件剖面也并非简单的形状,难以在现场浇筑和制作品质均一的预制建筑部件。


通过各种颜色和建筑材料的处理、以及对混凝土表面进行一定材质化加工来表现混凝土本身质地的饰面做法,在日本建筑中并不多见,大多建筑采用石材或瓷砖饰面做法,因此通常不使用“建筑式混凝土”这一用语。只是有些现场浇筑和制作难以完成的地方才会采用预制混凝土来实现,包括高层建筑外部幕墙、高强度混凝土超高层建筑的结构柱和梁等部分。另外,虽然没有被称为“工作式混凝土”,外饰面隐藏下的楼板和墙体也有采用预制的情况。


“建筑式混凝土”难以在现场浇筑、制造,通常价格较高。而“工作式混凝土”可以在现场制造,与现浇混凝土相比其造价并不太高。因此,当讨论预制化、装配化和工业化等技术在一个工程中是否适用时,如果对工程需要哪种技术没有明确的判断,就会对整个生产体系的发展方向产生误导。



 05. 

始于1960年代的日本预制混凝土建筑构法研究与技术开发


1950年代以来,欧洲集合住宅主要采用预制混凝土大型板的预制建筑构法,其建筑构法的起源之一是砖砌块的组合砌筑结构方式。


砖砌块的组合砌筑方式非常耗时,亟需节省劳动力的欧洲技术人员发明了如图7所示的作业方法:首先将砖砌块进行排列,通过在里面浇筑混凝土,使砖砌块一体化后形成一定尺寸的墙板,然后搬运到现场进行施工,之后将砖砌块省去,仅采用钢筋混凝土来浇筑和制作大型板,最终创造了一种预制混凝土的大板建筑构法。


▲ 7  砖砌块组合大型板的制造与组装


笔者恩师日本学士院院士、东京大学名誉教授内田祥哉先生,是亲身经历并研究1960年代日本和欧美工业化建筑构法发展的学者。据内田老师说,由于早期砖砌块结构只是较为简单地敷设砂浆并将砌块砌筑起来,于是以此为源头产生了预制混凝土建筑构法类型,其连接节点相对比较简单,而像焊接钢筋等较为复杂且费工的节点在欧洲也很少见(图8)。


▲ 8  砖砌块组合大型板和楼板与墙连接


但实际上,日本住宅几乎没有砖砌块结构。日本从1868年开始明治维新,积极学习与借鉴西方文明,从欧洲引进了砖砌块的结构技术,当时许多建筑都是用砖砌块结构建造的。但是在1923年的关东大地震中,砖砌块结构建筑物大多遭到严重破坏,就此也销声匿迹了。而通过一体化现浇的钢筋混凝土结构,被认为是最适合日本这个地震多发国家的结构方式。


日本集合住宅最初采用预制混凝土的板式建筑构法(类似我国剪力墙结构)时,无法直接照搬欧洲已经采用的技术。因此,有必要独自开发一种预制混凝土板式建筑构法,其抗震性能也要保证等同于现浇一体的钢筋混凝土结构建筑,特别是要解决如何在节点处通过钢筋连接、浇筑混凝土来满足良好的性能要求,以及如何保证施工省时省工的问题(图9)。


▲ 9  1961年早期预制混凝土板建筑构法(4层集合住宅施工现场,楼板在施工现场制造,呈现出连接钢筋和混凝土端部形状的复杂外形)


始于1960年左右的这种建筑构法研发,为以提供城市中产阶级大量住宅为目标而在1955年由政府推动成立的日本住宅公团发挥了重要的作用。1960年代中期以来,住宅公团已经把预制混凝土的板式建筑构法实用化,自行建设了预制混凝土板的标准化工厂,并激发与推动了民间企业的开发和投资意愿(图10)。


▲ 10  1965年左右日本住宅公团的样板工厂


1970年,根据住宅公团当时研究开发的技术成果,日本创立了适用于公团住宅、公营住宅等所有公共住宅预制混凝土板式建筑构法的住户与楼栋标准设计体系,即公共住宅标准(SPH,Standard of Public Housing),以推动基于这种公共住宅标准设计的大量住宅建设的工程订单。SPH的基本方法是,住户平面进深方向为固定尺寸,而开间方向以150mm为单位增加,既可提供各种类型的住户面积,住户间分户墙也都能采用相同尺寸的墙板(图11)。期望得到大笔订单的民间建筑企业对其预制混凝土工厂进行了设备方面的投资。


▲ 11  SPH标准设计平面布局系列示例(图中数字为榻榻米单位,a为富余量)


确实,在根据SPH预订预制混凝土产品的初期,由于使用同一套钢模板可以反复浇筑100多枚预制混凝土板,似乎达到了预期批量生产的效果,然而这种预制混凝土板式构法并没有持续很长时间。3年后的1973年,受世界第一次石油危机的影响,日本经济增长显著放缓,同时由于住房数量短缺问题已得到解决,公共住宅的总体建设数量也随之下降。而且SPH虽然具有一定的种类划分,但还是很难维持标准化的住房供应。


1973年以来基于SPH的住宅的订购数量急剧下降,到1979年几乎没有任何订单(图12)。在此期间,希望获得大量订单而投资的预制混凝土工厂被迫关闭或转产,日本的预制混凝土板式建筑构法没能得以普及推广。


▲ 12  1970-1979 年间采用SPH住宅标准设计体系的住宅户数



 06. 

日本集合住宅的预制复合式建筑构法与技术普及


1970年代之后,虽然日本在集合住宅领域预制混凝土的方法和应用上并没有实现新的跨越式发展,但是以长期专注于预制混凝土板式构法的大型建筑企业为龙头,采用现浇混凝土与预制混凝土相结合且发挥两种方法所长的预制复合式建筑构法在不断增加。


图13为具有代表性的基于预制复合式建筑构法的集合住宅施工现场,其构法与预制混凝土板式建筑构法明显不同,集合住宅建筑哪个部分需要使用哪种技术,要基于每个项目的不同特点进行独立判断和选用。


▲ 13  采用预制复合式构法的集合住宅施工现场


在集合住宅项目现场,为了保证住宅的隔音性能,通常会采用现浇钢筋混凝土来建造住户之间的分户墙。同时由于项目现场有施工空地条件,采用了在空地上预先组装模板和钢筋、然后起重机吊装整体组装部件到位的方法,即所谓的预制大型模板组装技术和装配式钢筋组装技术。集合住宅楼板最重视其隔音性能,在日本并不采用预制混凝土板式构法,而是现浇钢筋混凝土构法,但浇筑后模板不需要脱模,其模板变成楼板结构的组成部分,并且减少了施工现场的支撑工程,这种构法叫半预制式混凝土(叠合预制混凝土)构法(图14)。而且,支撑楼板的梁也采用半预制式混凝土构法,梁的下半部分采用预制混凝土,上半部分在配筋之后与楼板进行一体化浇筑。但是,集合住宅阳台和外走廊部分的楼板,由于存在坡度或排水沟的设计要求,预制混凝土板在保证其形状及精度要求方面优势更加突出,所以通常采用全预制混凝土的方法。而集合住宅在入户门位置的墙体部分,也因同样理由而采用全预制混凝土的方法(图15)。


▲ 14  集合住宅楼板部分的半预制混凝土板(叠合楼板)


▲ 15  集合住宅入户门位置的预制混凝土墙体


当前,特别是在高层集合住宅的施工中,这种预制复合式建筑构法非常普遍。根据建设企业、尤其是建筑技术人员的经验与反馈,在每个具体项目中采取最为适宜与合理的多样化组合技术。



 07. 

日本集合住宅内装及设备的部品化与体系化技术



日本集合住宅内装与设备领域的工业化与预制混凝土板式构法一样,也是在1960年左右开始进行研究与技术开发,到1970年代末,多数种类的部品都步入了实用化阶段。实际上在1970年中期以后,为实现零散性部品合理化整体组装的目标,日本开始着手进行部品的系统化研究,在研究过程中对传统的木结构住宅体系也进行了反思。


日本传统木结构住宅体系的基础是地板铺设榻榻米。榻榻米作为日本特有的地面材料,形状都是长方形,且以长边与短边尺寸之比为2:1为鲜明的特点。虽然不是正方形,但其纵横比使得铺设地板非常容易,并且尺寸本身也是固定的。由于地域不同,榻榻米尺寸也会有所区别,但短边尺寸基本在90cm~100cm区间范围内。因此对于基本由满铺榻榻米的和室房间构成的日本木结构住宅平面,若榻榻米短边为91cm,就会以91cm的网格来设计。


最有趣的是,建筑物各部分尺寸都与其网格建立关系(图16),比如,日式推拉门和隔扇等可动隔断尺寸也与榻榻米短边尺寸相呼应,木结构柱子的间距为榻榻米短边尺寸的3或4倍,地板下方的横梁和墙壁龙骨柱间距为榻榻米短边尺寸的一半或1/3,连屋顶的瓦片也根据水平投影上两块榻榻米所铺设瓦片数量来决定标准化的产品尺寸。满足同样尺寸体系要求的不同部品,在其制作现场会明确区分不同的工种类型,保证各种部品能够单独制作和安装,展现出日本传统木结构住宅体系先进的专业分工特色。


▲ 16  榻榻米网格与住宅各部位之间的关系


在日本,来源于榻榻米尺寸的住宅传统的尺寸体系和工种分工体制得以广泛应用。因此可以说,日本相对较为容易实现住宅现代化部品尺寸的标准化。基于此体系,日本木结构住宅具有了以下两种可能性及特色。


第一,居民自己可以在方格纸上画出简单平面草图,通过榻榻米数量来确定房间大小,即使是外行也能画出简单的草图,所有专业人员也可以清楚地了解如何制作和施工。同时,居民自己也可以自由地设计部品体系,可以说这也是日本传统木结构住宅的特征之一。


第二,由于榻榻米、可移动隔断及瓦片等部品可以独立区分,其相应功能也非常明确。如果榻榻米损坏可以单独更换榻榻米,可移动隔断损坏就仅仅更换隔断,瓦片损坏也就仅更换瓦片,这种只替换破坏部分而不伤及其他的方法,可以使整栋住宅长期保持优良状态。


1973年,日本开始了第一个住宅建筑体系项目研究——由日本住宅公团主导研发的公团住宅体系,被称为公团试验性住宅项目(KEP, Kodan Experimental housing Project)。这个项目既具有上述日本传统木结构住宅的第一种可能性及特色,也在钢筋混凝土结构集合住宅中实现了现代化的内装与设备部品的集成应用。


KEP以30cm的网格来确定住户平面布置,所有内装和设备部品的尺寸都要基于网格尺寸来设计,以实现居住者可以自由选择和自主布置的目标(图17)。然而,KEP的方法普及并非易事,至今在日本集合住宅中仍未得到普及与推广。


▲ 17  KEP概念图示(30cm的网格,居民基于该网格自己设计的平面)


1980年代,日本研发了在现代集合住宅中实现日本传统木结构住宅的第二个可能性及特色的住宅建筑体系,即当时日本建设省研发的百年住宅体系(CHS, Century Housing System)。


CHS的内装与设备的部品所遵循的尺寸体系与KEP并没有明显差异,但它并非只是为了让居民参与设计,其全新思想是根据住宅不同部品的使用年限能够方便更换部品。CHS将部品的使用年限在时间上由短到长划分为5个级别(图18),其基本方法是协调各部品之间的设计关系,来保证在更换使用寿命较短的部品时不损坏使用寿命较长的部品。遵循CHS的基本方法,可避免传统集合住宅中设备管道直接浇筑在钢筋混凝土主体结构中的情况,以使后期更换管道不会对主体结构造成任何损害,从而达到提高集合住宅整体使用年限的目的。


▲ 18  CHS概念图示


1990年代,日本广泛应用了建筑支撑体与填充体的住宅体系,即SI(Skeleton/Infill或Support/Infill)住宅体系。2000年代,日本国土交通省也推出了“长期优良住宅”制度。从长期优良住宅的研究与发展基础来看,其基本方法都来源于CHS的相关成果。


但是在随后的“SI住宅”和“长期优良住宅”中,找不到像CHS住宅一样通过使用年限对建筑物所有部位进行彻底分类的案例。它们继承的是通过以管道为中心的设备与结构体明确分离的设计手法,可以更轻松地检查和更新管道。这种思维方式不仅扩展到“SI住宅”和“长期优良住宅”,也普及到了普通的集合住宅。


另一方面,2009年开始的“长期优良住宅”强调了结构框架的耐久性、抗震性以及节能方面的改进等内容,这是CHS并没有重点考虑的。也就是说,被国家认证的“长期优良住宅”与普通集合住宅的结构框架相比,需要更高的耐久性、更高的抗震性和更高的节能性能。遗憾的是,由于要花费更高的成本,“长期优良住宅”在集合住宅领域的渗透率低于独户式住宅领域。



 08.结语 


从日本住宅建筑生产理论与技术变迁、尤其是集合住宅建筑生产相关的预制建筑构法体系开发和技术演进中可以看到,自1960年代以来,日本研发了一系列住宅建筑生产相关技术,但在实际的住宅生产与建设中,并非所有技术都成功地得以普及推广,也并非所有技术都是失败的。如果说只是部分基本技术得以普及,那么也可以认为它们都对现在的住宅生产产生了影响。


经过50多年住宅建筑生产的预制建筑构法研究与实践,再次重温江口祯教授对“建筑生产的工业化”这一概念与内涵的定义,我们需要进一步反思,日本真的取得了所谓非常大的进步吗?尤其是,在建设现场最基础的从业者及技术人员正迅速老龄化且数量迅速减少的严峻现实下,工业化先进技术的内涵究竟是什么?现在的住宅比过去更容易建设了吗?建设从业者的工作环境真正有比较显著提高与改善吗?特别是,所建设的住宅是否已经成为国家优良资产了呢?我们的确很难做到充满自信地回答上述一系列问题。为了住宅建设可持续发展的未来,希望今后与正同样面临城市发展、住宅建设与老龄化等可持续建设课题的中国同仁们一起对住宅建筑生产的话题进行讨论,研究相关预制建筑构法理论与技术的对策。


(正文完。原文刊载于《建筑学报》2020年05期,总第619期)