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21

October

深度剖析日本裝配式技術變遷與技術演進,滿滿都是幹貨!

發布者: 午夜高清国产拍精品福利人居科技閱讀次數: 1918次


來源:建築學報 | 2020年05期


日本住宅生產的預製化建築

構法理論變遷與技術演進


鬆村秀一

東京大學大學院

伍止超 譯

中國建築標準設計研究院有限公司



 01. 

“建築生產工業化”的概念及內涵


建築生產的技術,以及技術應用、生產組織方式等方麵,存在很大的地域性差異。就技術本身而言,不可能將日本經驗照搬應用到中國,即使可以采用,在日本所取得的成果也不一定能夠在中國取得同樣效果。因此,當技術理論陷入各種各樣議論紛爭的時候,最好應該首先明確的是,如何思考和定義“建築生產工業化”概念、內涵及其基本方法。


當筆者還是20來歲初出茅廬的研究者時,為探索對事物判斷的標準,深入研讀了國內外各種對建築工業化概念的定義,其中對筆者影響最大的是原武藏工業大學江口禎教授對“建築生產工業化”概念的定義。它具有完全超乎筆者想象的完美,那時筆者的人生目標即是今後要成為能寫出這種概念和定義的學者。


江口禎教授是這樣定義“建築生產的工業化”的:“在建築生產中促進先進的工業技術開發與應用,通過有效地發揮技術的合理性來改革或重組建築相關人員的社會係統。它是一種動態的過程,其目標可以體現在以下3個方麵:



首先,對建築的開發建設者和使用者而言,相對更容易參與到建築建設行業中來,這不僅可以降低建造成本和縮短建造周期,而且還可以預先把握產品質量並解決用戶擔心的問題等;



其次,對建築的生產者而言,可以擺脫不穩定的勞動市場及傳統的組織結構,以高度的生產性改善企業利潤;



第三,從更加廣泛的社會角度來看,在建設與國家發展、資源環境、城市建設和人民生活協調發展的優良建築存量資產方麵,不僅承擔著重要的角色,而且正在發揮著主導作用”。



 02. 

龐大市場需求推動日本住宅工業化發展


歐美發達國家先於日本,為了快速解決巨大的住房數量短缺,在第二次世界大戰後普遍采用了住宅生產的工業化方法。但在之後的住宅工業化發展中,日本是出類拔萃的,表現在住宅建設數量、尤其是可持續性方麵。


要通過快速、大規模建設來解決住房數量短缺的問題,就要在相對較短的時間內實現建設目標。當然,有時也會受到國家經濟和財政狀況的影響而無法短期內實現預期目標。但無論如何隻要在一定時期內努力建設,就能夠解決住宅數量不足的問題,發達國家的經驗也可以充分地說明這個事實。從曆年的新開工住宅數量看,住房短缺問題在一定時間中得到緩解後,住宅建設數量就開始迅速下降(圖1)。


▲ 1  1950-2008年間日本和歐美國家的新建住宅開工戶數


然而日本卻並非如此。盡管隨著日本全國47個都道府縣的住宅數量都已超過家庭數量,且由於1973年第一次石油危機爆發,日本開工住宅戶數在此前的持續增長被畫上了句號,並在短期內大幅下降,但在那之後的30多年間,日本仍然保持了“每年每千人新增10戶以上新建住宅”的令世界震驚的增長速度。


如圖1所示,很少有國家能夠做到如此增速,即便能夠做到,也隻能在一兩年內保持這樣的增長。雖然對全世界來說,這個巨大的住宅市場短期內仍不會停滯,但像日本這樣自石油危機之前開始的每年每千人新增10戶以上新建住宅的高水平增長持續了40年,也就是說這樣自高速經濟成長期以來逐漸壯大的日本住宅建設市場,是人類史上前所未有的。因此,要了解這期間日本住宅市場的成因,特別是了解日本住宅產業的成長曆程,必須首先認識到這一點。



 03. 

歐洲式集合住宅、美國式商品住宅與日本式住宅的特點


二戰之後在發達國家也普遍出現了巨大的住宅建築需求,然而在住宅市場中起著核心作用的住宅生產與供應方式上存在很大的地域性差異。


在蘇聯和東歐國家,戰後住宅是由政府機構直接運營管理的公共租賃住房,在法國等西歐國家則一般由非營利性住宅聯盟或住宅公社從政府獲得補貼,來代替政府機關經營公共租賃住房。歐洲國家的戰後住宅形態通常都是集合住宅。而在美國,戰後住宅主要是自持住宅,且為獨戶式住宅,公共集合住宅在美國戰後住宅建設中所占份額很少。一個典型的例子是萊維頓(Levit Town)住宅區,在1940年代末至1950年代初風靡世界,在住宅用地上開發建設的獨戶式商品住宅是美國戰後住宅建設與供給的重點。


長期延續的巨大住宅市場需求是日本獨有的曆史現象。日本戰後住宅分為3種類型: 第一種是1951年後一直由地方政府直接經營、與蘇聯類似的公共住宅(形態上不僅有集合住宅,還有獨戶式住宅);第二種是類似美國的獨戶出售的住宅金融公庫(現為金融支援機構)融資住宅;第三種是1955年後類似西歐模式的日本住宅公團(現為UR都市機構)住宅。3種類型都是因政府住房政策而出現的產物,且都一直持續到今天。


從建設數量來看,日本住宅以獨戶式自持住宅為主,且與美國式商品住宅不同,是一種定製性住宅,日本在這個領域中的工業化發展在全世界範圍內都無可匹敵。但本文不對民營企業所主導的獨戶式定製住宅進行論述,而是將話題聚焦在中國當前正在關注的集合住宅的工業化領域上。



 04. 

國際上預製混凝土住宅建築的兩種不同類型



中國和日本一般將鋼筋混凝土用於集合住宅的建築結構骨架,在工業化生產中通常用預製混凝土代替現澆鋼筋混凝土。這種最初由歐美發明和開發的預製混凝土有兩種不同的類型:一種作為結構和基底,最終施工建設完成的裝飾麵會將其隱藏起來;另一種則通過表麵的材料和顏色來裝飾建築物外立麵。美國建築技術相關人員稱前者為“工作式混凝土”(job concrete),後者為 “建築式混凝土”(architectural concrete),並解釋說,這兩種預製混凝土類型的價格和製造工廠完全不同。


比如在歐洲常見的預製成品—— 預製混凝土空心樓板(圖2),現場施工完成樓板的表麵做法後是看不見混凝土本身的,即典型的“工作式混凝土”。圖3和圖4是1990年代在丹麥考察時拍攝的同一棟集合住宅施工現場照片,建築牆體等主要結構部件都使用了預製混凝土,但建築牆體構造的外側有保溫材料,最外側采用了磚成品砌塊,這也是一種典型的“工作式混凝土”。


▲ 2  歐洲建築工地的預製混凝土樓板


▲ 3  1990年代丹麥集合住宅建築工地,前麵這棟樓正在施工過程中,後麵那棟樓就是預製混凝土類型的“工作式混凝土”,外側采用磚成品砌塊


▲ 4  可以清楚地看到牆內側到牆外側的預製混凝土類型的“工作式混凝土”、保溫材料和磚成品砌塊構成


在1980年代巴黎郊區新城鎮建造的著名的Picasso Arena集合住宅,像天然石材質的具有裝飾性細節的成排立柱(圖5)和住戶外牆(圖6)全都是通過建築材料添加顏料的預製混凝土,這就是典型的“建築式混凝土”。


▲ 5  1980年代巴黎Picasso Arena住宅


▲ 6  Picasso Arena住宅的預製外牆


兩種預製混凝土類型的區別在是否易於現場澆築與製造。顯而易見的是,外部看不到的“工作式混凝土”非常易於澆築與製作。而“建築式混凝土”在現場澆築和製作中無法實現各種不同顏色的表達,一些部件剖麵也並非簡單的形狀,難以在現場澆築和製作品質均一的預製建築部件。


通過各種顏色和建築材料的處理、以及對混凝土表麵進行一定材質化加工來表現混凝土本身質地的飾麵做法,在日本建築中並不多見,大多建築采用石材或瓷磚飾麵做法,因此通常不使用“建築式混凝土”這一用語。隻是有些現場澆築和製作難以完成的地方才會采用預製混凝土來實現,包括高層建築外部幕牆、高強度混凝土超高層建築的結構柱和梁等部分。另外,雖然沒有被稱為“工作式混凝土”,外飾麵隱藏下的樓板和牆體也有采用預製的情況。


“建築式混凝土”難以在現場澆築、製造,通常價格較高。而“工作式混凝土”可以在現場製造,與現澆混凝土相比其造價並不太高。因此,當討論預製化、裝配化和工業化等技術在一個工程中是否適用時,如果對工程需要哪種技術沒有明確的判斷,就會對整個生產體係的發展方向產生誤導。



 05. 

始於1960年代的日本預製混凝土建築構法研究與技術開發


1950年代以來,歐洲集合住宅主要采用預製混凝土大型板的預製建築構法,其建築構法的起源之一是磚砌塊的組合砌築結構方式。


磚砌塊的組合砌築方式非常耗時,亟需節省勞動力的歐洲技術人員發明了如圖7所示的作業方法:首先將磚砌塊進行排列,通過在裏麵澆築混凝土,使磚砌塊一體化後形成一定尺寸的牆板,然後搬運到現場進行施工,之後將磚砌塊省去,僅采用鋼筋混凝土來澆築和製作大型板,最終創造了一種預製混凝土的大板建築構法。


▲ 7  磚砌塊組合大型板的製造與組裝


筆者恩師日本學士院院士、東京大學名譽教授內田祥哉先生,是親身經曆並研究1960年代日本和歐美工業化建築構法發展的學者。據內田老師說,由於早期磚砌塊結構隻是較為簡單地敷設砂漿並將砌塊砌築起來,於是以此為源頭產生了預製混凝土建築構法類型,其連接節點相對比較簡單,而像焊接鋼筋等較為複雜且費工的節點在歐洲也很少見(圖8)。


▲ 8  磚砌塊組合大型板和樓板與牆連接


但實際上,日本住宅幾乎沒有磚砌塊結構。日本從1868年開始明治維新,積極學習與借鑒西方文明,從歐洲引進了磚砌塊的結構技術,當時許多建築都是用磚砌塊結構建造的。但是在1923年的關東大地震中,磚砌塊結構建築物大多遭到嚴重破壞,就此也銷聲匿跡了。而通過一體化現澆的鋼筋混凝土結構,被認為是最適合日本這個地震多發國家的結構方式。


日本集合住宅最初采用預製混凝土的板式建築構法(類似我國剪力牆結構)時,無法直接照搬歐洲已經采用的技術。因此,有必要獨自開發一種預製混凝土板式建築構法,其抗震性能也要保證等同於現澆一體的鋼筋混凝土結構建築,特別是要解決如何在節點處通過鋼筋連接、澆築混凝土來滿足良好的性能要求,以及如何保證施工省時省工的問題(圖9)。


▲ 9  1961年早期預製混凝土板建築構法(4層集合住宅施工現場,樓板在施工現場製造,呈現出連接鋼筋和混凝土端部形狀的複雜外形)


始於1960年左右的這種建築構法研發,為以提供城市中產階級大量住宅為目標而在1955年由政府推動成立的日本住宅公團發揮了重要的作用。1960年代中期以來,住宅公團已經把預製混凝土的板式建築構法實用化,自行建設了預製混凝土板的標準化工廠,並激發與推動了民間企業的開發和投資意願(圖10)。


▲ 10  1965年左右日本住宅公團的樣板工廠


1970年,根據住宅公團當時研究開發的技術成果,日本創立了適用於公團住宅、公營住宅等所有公共住宅預製混凝土板式建築構法的住戶與樓棟標準設計體係,即公共住宅標準(SPH,Standard of Public Housing),以推動基於這種公共住宅標準設計的大量住宅建設的工程訂單。SPH的基本方法是,住戶平麵進深方向為固定尺寸,而開間方向以150mm為單位增加,既可提供各種類型的住戶麵積,住戶間分戶牆也都能采用相同尺寸的牆板(圖11)。期望得到大筆訂單的民間建築企業對其預製混凝土工廠進行了設備方麵的投資。


▲ 11  SPH標準設計平麵布局係列示例(圖中數字為榻榻米單位,a為富餘量)


確實,在根據SPH預訂預製混凝土產品的初期,由於使用同一套鋼模板可以反複澆築100多枚預製混凝土板,似乎達到了預期批量生產的效果,然而這種預製混凝土板式構法並沒有持續很長時間。3年後的1973年,受世界第一次石油危機的影響,日本經濟增長顯著放緩,同時由於住房數量短缺問題已得到解決,公共住宅的總體建設數量也隨之下降。而且SPH雖然具有一定的種類劃分,但還是很難維持標準化的住房供應。


1973年以來基於SPH的住宅的訂購數量急劇下降,到1979年幾乎沒有任何訂單(圖12)。在此期間,希望獲得大量訂單而投資的預製混凝土工廠被迫關閉或轉產,日本的預製混凝土板式建築構法沒能得以普及推廣。


▲ 12  1970-1979 年間采用SPH住宅標準設計體係的住宅戶數



 06. 

日本集合住宅的預製複合式建築構法與技術普及


1970年代之後,雖然日本在集合住宅領域預製混凝土的方法和應用上並沒有實現新的跨越式發展,但是以長期專注於預製混凝土板式構法的大型建築企業為龍頭,采用現澆混凝土與預製混凝土相結合且發揮兩種方法所長的預製複合式建築構法在不斷增加。


圖13為具有代表性的基於預製複合式建築構法的集合住宅施工現場,其構法與預製混凝土板式建築構法明顯不同,集合住宅建築哪個部分需要使用哪種技術,要基於每個項目的不同特點進行獨立判斷和選用。


▲ 13  采用預製複合式構法的集合住宅施工現場


在集合住宅項目現場,為了保證住宅的隔音性能,通常會采用現澆鋼筋混凝土來建造住戶之間的分戶牆。同時由於項目現場有施工空地條件,采用了在空地上預先組裝模板和鋼筋、然後起重機吊裝整體組裝部件到位的方法,即所謂的預製大型模板組裝技術和裝配式鋼筋組裝技術。集合住宅樓板最重視其隔音性能,在日本並不采用預製混凝土板式構法,而是現澆鋼筋混凝土構法,但澆築後模板不需要脫模,其模板變成樓板結構的組成部分,並且減少了施工現場的支撐工程,這種構法叫半預製式混凝土(疊合預製混凝土)構法(圖14)。而且,支撐樓板的梁也采用半預製式混凝土構法,梁的下半部分采用預製混凝土,上半部分在配筋之後與樓板進行一體化澆築。但是,集合住宅陽台和外走廊部分的樓板,由於存在坡度或排水溝的設計要求,預製混凝土板在保證其形狀及精度要求方麵優勢更加突出,所以通常采用全預製混凝土的方法。而集合住宅在入戶門位置的牆體部分,也因同樣理由而采用全預製混凝土的方法(圖15)。


▲ 14  集合住宅樓板部分的半預製混凝土板(疊合樓板)


▲ 15  集合住宅入戶門位置的預製混凝土牆體


當前,特別是在高層集合住宅的施工中,這種預製複合式建築構法非常普遍。根據建設企業、尤其是建築技術人員的經驗與反饋,在每個具體項目中采取最為適宜與合理的多樣化組合技術。



 07. 

日本集合住宅內裝及設備的部品化與體係化技術



日本集合住宅內裝與設備領域的工業化與預製混凝土板式構法一樣,也是在1960年左右開始進行研究與技術開發,到1970年代末,多數種類的部品都步入了實用化階段。實際上在1970年中期以後,為實現零散性部品合理化整體組裝的目標,日本開始著手進行部品的係統化研究,在研究過程中對傳統的木結構住宅體係也進行了反思。


日本傳統木結構住宅體係的基礎是地板鋪設榻榻米。榻榻米作為日本特有的地麵材料,形狀都是長方形,且以長邊與短邊尺寸之比為2:1為鮮明的特點。雖然不是正方形,但其縱橫比使得鋪設地板非常容易,並且尺寸本身也是固定的。由於地域不同,榻榻米尺寸也會有所區別,但短邊尺寸基本在90cm~100cm區間範圍內。因此對於基本由滿鋪榻榻米的和室房間構成的日本木結構住宅平麵,若榻榻米短邊為91cm,就會以91cm的網格來設計。


最有趣的是,建築物各部分尺寸都與其網格建立關係(圖16),比如,日式推拉門和隔扇等可動隔斷尺寸也與榻榻米短邊尺寸相呼應,木結構柱子的間距為榻榻米短邊尺寸的3或4倍,地板下方的橫梁和牆壁龍骨柱間距為榻榻米短邊尺寸的一半或1/3,連屋頂的瓦片也根據水平投影上兩塊榻榻米所鋪設瓦片數量來決定標準化的產品尺寸。滿足同樣尺寸體係要求的不同部品,在其製作現場會明確區分不同的工種類型,保證各種部品能夠單獨製作和安裝,展現出日本傳統木結構住宅體係先進的專業分工特色。


▲ 16  榻榻米網格與住宅各部位之間的關係


在日本,來源於榻榻米尺寸的住宅傳統的尺寸體係和工種分工體製得以廣泛應用。因此可以說,日本相對較為容易實現住宅現代化部品尺寸的標準化。基於此體係,日本木結構住宅具有了以下兩種可能性及特色。


第一,居民自己可以在方格紙上畫出簡單平麵草圖,通過榻榻米數量來確定房間大小,即使是外行也能畫出簡單的草圖,所有專業人員也可以清楚地了解如何製作和施工。同時,居民自己也可以自由地設計部品體係,可以說這也是日本傳統木結構住宅的特征之一。


第二,由於榻榻米、可移動隔斷及瓦片等部品可以獨立區分,其相應功能也非常明確。如果榻榻米損壞可以單獨更換榻榻米,可移動隔斷損壞就僅僅更換隔斷,瓦片損壞也就僅更換瓦片,這種隻替換破壞部分而不傷及其他的方法,可以使整棟住宅長期保持優良狀態。


1973年,日本開始了第一個住宅建築體係項目研究——由日本住宅公團主導研發的公團住宅體係,被稱為公團試驗性住宅項目(KEP, Kodan Experimental housing Project)。這個項目既具有上述日本傳統木結構住宅的第一種可能性及特色,也在鋼筋混凝土結構集合住宅中實現了現代化的內裝與設備部品的集成應用。


KEP以30cm的網格來確定住戶平麵布置,所有內裝和設備部品的尺寸都要基於網格尺寸來設計,以實現居住者可以自由選擇和自主布置的目標(圖17)。然而,KEP的方法普及並非易事,至今在日本集合住宅中仍未得到普及與推廣。


▲ 17  KEP概念圖示(30cm的網格,居民基於該網格自己設計的平麵)


1980年代,日本研發了在現代集合住宅中實現日本傳統木結構住宅的第二個可能性及特色的住宅建築體係,即當時日本建設省研發的百年住宅體係(CHS, Century Housing System)。


CHS的內裝與設備的部品所遵循的尺寸體係與KEP並沒有明顯差異,但它並非隻是為了讓居民參與設計,其全新思想是根據住宅不同部品的使用年限能夠方便更換部品。CHS將部品的使用年限在時間上由短到長劃分為5個級別(圖18),其基本方法是協調各部品之間的設計關係,來保證在更換使用壽命較短的部品時不損壞使用壽命較長的部品。遵循CHS的基本方法,可避免傳統集合住宅中設備管道直接澆築在鋼筋混凝土主體結構中的情況,以使後期更換管道不會對主體結構造成任何損害,從而達到提高集合住宅整體使用年限的目的。


▲ 18  CHS概念圖示


1990年代,日本廣泛應用了建築支撐體與填充體的住宅體係,即SI(Skeleton/Infill或Support/Infill)住宅體係。2000年代,日本國土交通省也推出了“長期優良住宅”製度。從長期優良住宅的研究與發展基礎來看,其基本方法都來源於CHS的相關成果。


但是在隨後的“SI住宅”和“長期優良住宅”中,找不到像CHS住宅一樣通過使用年限對建築物所有部位進行徹底分類的案例。它們繼承的是通過以管道為中心的設備與結構體明確分離的設計手法,可以更輕鬆地檢查和更新管道。這種思維方式不僅擴展到“SI住宅”和“長期優良住宅”,也普及到了普通的集合住宅。


另一方麵,2009年開始的“長期優良住宅”強調了結構框架的耐久性、抗震性以及節能方麵的改進等內容,這是CHS並沒有重點考慮的。也就是說,被國家認證的“長期優良住宅”與普通集合住宅的結構框架相比,需要更高的耐久性、更高的抗震性和更高的節能性能。遺憾的是,由於要花費更高的成本,“長期優良住宅”在集合住宅領域的滲透率低於獨戶式住宅領域。



 08.結語 


從日本住宅建築生產理論與技術變遷、尤其是集合住宅建築生產相關的預製建築構法體係開發和技術演進中可以看到,自1960年代以來,日本研發了一係列住宅建築生產相關技術,但在實際的住宅生產與建設中,並非所有技術都成功地得以普及推廣,也並非所有技術都是失敗的。如果說隻是部分基本技術得以普及,那麽也可以認為它們都對現在的住宅生產產生了影響。


經過50多年住宅建築生產的預製建築構法研究與實踐,再次重溫江口禎教授對“建築生產的工業化”這一概念與內涵的定義,我們需要進一步反思,日本真的取得了所謂非常大的進步嗎?尤其是,在建設現場最基礎的從業者及技術人員正迅速老齡化且數量迅速減少的嚴峻現實下,工業化先進技術的內涵究竟是什麽?現在的住宅比過去更容易建設了嗎?建設從業者的工作環境真正有比較顯著提高與改善嗎?特別是,所建設的住宅是否已經成為國家優良資產了呢?我們的確很難做到充滿自信地回答上述一係列問題。為了住宅建設可持續發展的未來,希望今後與正同樣麵臨城市發展、住宅建設與老齡化等可持續建設課題的中國同仁們一起對住宅建築生產的話題進行討論,研究相關預製建築構法理論與技術的對策。


(正文完。原文刊載於《建築學報》2020年05期,總第619期)