四、美國裝配建筑產(chǎn)品技術(shù)動向

美國裝配式住宅與建筑經(jīng)過近一世紀(jì)的發(fā)展,，各生產(chǎn)廠家,、專業(yè)顧問公司及大學(xué)的相關(guān)科系在美國住宅和城市發(fā)展部（HUD）、美國建筑管理局國際聯(lián)合會（ICBO）,、美國國家制造者聯(lián)盟（NAHB）,、美國土木工程師學(xué)會（ASCE）及預(yù)制與預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會（PCI）的長期領(lǐng)導(dǎo)下，主要采用PC類與輕鋼類裝配結(jié)構(gòu)體系,，其部品構(gòu)件的生產(chǎn)預(yù)制與裝配建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入專業(yè)化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化、通用化生產(chǎn)建造階段,，建立了非常完善的產(chǎn)業(yè)化裝配建筑及其產(chǎn)品技術(shù)體系,。近年來，美國裝配建筑界正在發(fā)掘并推行可持續(xù)環(huán)保與低碳節(jié)能的綠色裝配技術(shù)：

1.ACSTC技術(shù)體系

ACSTC即“干連接裝配混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)”體系,，這是由PCI牽頭成功發(fā)展的具有預(yù)制特性的完整技術(shù)體系。該體系不受現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的束縛,，并且將預(yù)制產(chǎn)品的裝配特性完全發(fā)揮出來,，在市場上能以質(zhì)量及造價上平衡的優(yōu)勢與其他建筑材料自由競爭，特別是在技術(shù),、安全及質(zhì)量等方面已成為美國一個成熟的裝配部構(gòu)件產(chǎn)業(yè),。由于產(chǎn)業(yè)化裝配建筑大量使用預(yù)應(yīng)力及裝飾外墻等預(yù)制產(chǎn)品的快速發(fā)展，干式連接預(yù)制產(chǎn)品更能達(dá)到建造商及建筑師的要求,，近年來在美國建筑市場上成為更為靈活且耐久優(yōu)異的新型裝配建筑技術(shù),。最近正在美國加州施工中的高科技蘋果公司的總部大廈主體結(jié)構(gòu)就是采用了DCACS技術(shù),。該技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)、連接方法,、設(shè)計原則有：

（1）ACSTC體系關(guān)鍵技術(shù),。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)是由許多單獨生產(chǎn)的構(gòu)件組成，由于需要在工地組裝的特性,，各個組件之間需要有適當(dāng)?shù)倪B接以支持建筑物的整體性及設(shè)計荷載,。美國不論抗震要求的高低，干性連接為主要的方式來組合完成最后的結(jié)構(gòu)體,，先在每一個預(yù)制構(gòu)件中預(yù)埋不同的連接件,，然后在工地現(xiàn)場用螺栓、焊接等方式,，按照設(shè)計要求完成建筑物整體結(jié)合的組裝,。這是國際較少運用但是走出“等同現(xiàn)澆”防震限制的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）ACSTC體系連接技術(shù),。ACSTC的干連接件比他們連接的預(yù)制組件有更多的柔性,，因為在外力下的變形往往集中在連接件上。一個成功的干性連接結(jié)構(gòu)體更能完全反應(yīng)出在受力時結(jié)構(gòu)工程師的假設(shè),，而且具有比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)更好的安全性,。選擇連接件的類型是預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，在初期設(shè)計時就要按照他們預(yù)期的作用而定下它的類形,。美國建筑管理局國際聯(lián)合會（ICBO）的《國際建筑規(guī)范（IBC）》中對連接件有三種分類：①強性連接件（SC）：在設(shè)計中位于結(jié)構(gòu)在反應(yīng)外力時不需要屈服的位置,，強連接不需要有韌性的要求。②韌性連接件（TC）：具有顯著的變形能力,，能在非彈性變形集中地帶形成抗震系統(tǒng)的一部分,。韌性連接在反循環(huán)荷載作用下形成穩(wěn)定的滯后環(huán)（Hysteresis loops），在設(shè)計中確保屈服及循環(huán)應(yīng)變硬化發(fā)生在連接處,，可以用焊接,，但要保證焊接及預(yù)埋件的強度要大過連接預(yù)埋件之間的連接件。無論如何,，要有足夠的應(yīng)變能力,，以維持在變形之下的抵抗力。③可變形連接件（DC）：在結(jié)構(gòu)移動時變形而不產(chǎn)生阻力,。例如預(yù)制梁與柱之間有橡膠墊片,，能允許梁有小量的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到簡支的要求,。另外在與梁平行方向用螺栓連接來確保不會產(chǎn)生負(fù)彎矩及允許溫度變化,。同時也要在結(jié)構(gòu)體有大變化時，構(gòu)件本身不會因大位移而失去其他承載垂直力連接件的功能,。

（3）ACSTC體系設(shè)計技術(shù),。該技術(shù)是在Connector（連接件）的設(shè)計技術(shù)中,，必須重視優(yōu)化系統(tǒng)連接外力反應(yīng)、加載傳送路徑,、加載壓力偏心,、加載容量以及標(biāo)準(zhǔn)化、耐久性和防火性等技術(shù)原則,。另外需要考慮的是耐久性（防繡處理）,、防火性、美觀性,，簡單現(xiàn)場檢驗,，現(xiàn)場快速施工達(dá)到連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，減少起吊機掛鉤時間等,。

2.DBS技術(shù)體系

鋼結(jié)構(gòu)體系是美國裝配建筑界的主流結(jié)構(gòu),，但近年來在可持續(xù)發(fā)展背景下被賦予了新的意義——致力開發(fā)最符合可持續(xù)發(fā)展要求、能夠在今后相當(dāng)長的歷史進(jìn)程中展現(xiàn)其節(jié)能,、環(huán)保,、綠色優(yōu)勢的鋼結(jié)構(gòu)體系新技術(shù)。新型DBS技術(shù)體系是美國Dietrich公司研究開發(fā)的多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系（Dietrich Building System）,，該體系以SI理念為基礎(chǔ)衍生而來,。SI是美國哈布瑞根教授提出“SkeletonInfill”理論的縮寫。區(qū)分SI理念與非SI理念的關(guān)鍵點在于除主體結(jié)構(gòu)外的構(gòu)件是否可以拆卸替換,，而DBS技術(shù)可實現(xiàn)SI的美國多層輕鋼住宅體系,，該技術(shù)體系的專利技術(shù)與裝配優(yōu)勢有：

（1）DBS體系專利技術(shù)。DBS體系擁有多項專利技術(shù),，一般采用美國住宅常用的空間尺度：開間4.88m,，每層凈高2.44m。墻體C型鍍鋅輕鋼龍骨截面高100mm,，間距610mm,，龍骨根據(jù)荷載大小采用0.5~1.5mm鍍鋅鋼板制成。墻面為固定在輕鋼龍骨兩側(cè)的紙面石膏板,，剪力墻需要加設(shè)一層鍍鋅鋼板,，并用自攻螺絲和輕鋼龍骨固定。

（2）DBS體系樓板技術(shù)：在輕鋼樓蓋梁上鋪20mm厚纖維水泥板形成承重結(jié)構(gòu),，再在其上做各種地板面層,。為了布置管線，墻體龍骨和樓蓋梁均每隔一定距離開孔,，開孔周邊的變形處理保證了截面削弱處的局部穩(wěn)定性，可使樓板開孔直徑達(dá)截面高度的80%,。墻體龍骨和樓蓋梁間均填充玻璃棉,，用以保溫并可起到吸聲隔音作用,。

（3）DBS體系技術(shù)優(yōu)勢。采用DBS體系技術(shù)的多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅,，經(jīng)過ICBO,、NAHB的權(quán)威測試，其優(yōu)勢有：①采用DBS系統(tǒng)建造輕鋼結(jié)構(gòu)住宅,，在非地震區(qū)最高可建到12層,；②DBS體系較混凝土結(jié)構(gòu)體系施工進(jìn)度快，易于水,、電,、汽等管線布置；③DBS體系結(jié)構(gòu)自重輕,，以某多層住宅為例,，結(jié)構(gòu)用鍍鋅輕鋼構(gòu)件為3lkg/m，結(jié)構(gòu)自重161kg/m,，由于節(jié)省材料故而也降低了造價,；④DBS體系的墻體龍骨和樓蓋梁間均填充玻璃棉，用以保溫,、吸聲隔音,、防火與抗震性能，并通過了美國權(quán)威的UL實驗室檢測認(rèn)證,；⑤利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,。例如在美國建造一座建筑面積（約合4645m）的旅館，可使用168輛舊汽車所回收的鋼材,；⑥在DBS技術(shù)體系中,，其裝配優(yōu)勢有兩大方面：一是在建筑全生命周期的不同階段可進(jìn)行平面及空間改造；二是在不損傷主體結(jié)構(gòu)時更換設(shè)備或構(gòu)件可實現(xiàn)住宅壽命的百年目標(biāo),。

3.Conxtech技術(shù)體系

目前適用于低層建筑的鋼結(jié)構(gòu)體系是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的主流,，但適用于多高層的裝配式結(jié)構(gòu)較少。在美國的LSFB輕型鋼框架建筑體系中,，適用于多高層具有代表性的結(jié)構(gòu)體系技術(shù)是《2010版美國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》“Conxtech Steel frame technology system（Conxtech 鋼框架技術(shù)體系）”,。該技術(shù)體系是由美國ConXL公司開發(fā)的一種新型裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)技術(shù)，已經(jīng)由HUD,、NAHB,、NASFA等共同對此進(jìn)行了深入持久的研究測驗，認(rèn)定其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),、連接方法與技術(shù)優(yōu)勢有：

（1）Conxtech體系關(guān)鍵技術(shù),。該體系適用于多高層建筑，由框架梁、框架柱,、梁柱連接組件,、壓型鋼板組合樓蓋組成，是一種純鋼框架結(jié)構(gòu)體系,，采用方鋼管混凝土柱及寬翼緣H型鋼截面梁,。根據(jù)Conxtech結(jié)構(gòu)特點、節(jié)點形式與采用梁柱截面尺寸的不同,，該體系分為如下四種子體系關(guān)鍵技術(shù)：①ConXRTM-100子體系：采用ConXR梁柱連接,，柱采用100mm ×100mm（4in）的方鋼管，鋼梁采用W6 寬翼緣鋼梁,，跨度在1.2 ~4.8m,，其體系框架層數(shù)不超過12 層，主要應(yīng)用于小型的管道架構(gòu)及鋼平臺結(jié)構(gòu),。②ConXRTM200子體系：采用ConXR梁柱連接,，柱采用200mm ×200mm（8in）的方鋼管，鋼梁采用W12 寬翼緣鋼梁,，跨度在2.4 ~6.0m,，主要應(yīng)用于多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅及管道架構(gòu)。③ConXLTM300子體系：采用ConXL 梁柱連接,，柱采用300mm ×300mm（12in）的方鋼管或焊接方形截面,，鋼梁采用W14 ~W24 寬翼緣鋼梁，跨度在3.6 ~9.0m,，其體系框架層數(shù)不超過15 層,，主要應(yīng)用于多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅及管道架構(gòu)。④ConXLTM400子體系：采用ConXL 梁柱連接,，柱采用400mm ×400mm（16in）的方鋼管或焊接方鋼管,，鋼梁采用W18 ~W30 的寬翼緣鋼梁，鋼梁跨度大于5.5m,，最大跨度可達(dá)19.8m,；主要應(yīng)用于醫(yī)療、軍事,、數(shù)據(jù)中心,、商務(wù)辦公、停車場和大型工業(yè)建筑等的主體結(jié)構(gòu),。

（2）Conxtech體系核心技術(shù),。Conxtech體系獨創(chuàng)性的運用了ConXR和ConXL兩種梁柱連接方式，是該體系的核心技術(shù)：①ConXR連接形式：梁柱交接處,，在柱子的四個側(cè)面以楔形的插座鎖定相連,，輔以高強螺栓固定完成梁柱節(jié)點拼接,。連接節(jié)點處框架柱上下貫通，內(nèi)部填充混凝土形成鋼管混凝土柱,，形成剛性連接節(jié)點,。適用于框架層數(shù)不超過12層的結(jié)構(gòu)體系中。②ConXL連接形式：梁柱節(jié)點處,，在柱子對角位置采用柱面T型套板相連，梁端套板插入兩個柱面套板之間,，就位鎖定后由高強螺栓完成梁柱節(jié)點拼接,。與ConRL形式相同，ConXL節(jié)點區(qū)域同樣為剛性連接節(jié)點,。適用于框架層數(shù)不超過15層的結(jié)構(gòu)體系中,。

（3）Conxtech 體系技術(shù)優(yōu)勢。采用Conxtech技術(shù)體系的多高層裝配式結(jié)構(gòu)建筑,，經(jīng)過NASFA,、ICBO的權(quán)威測試其優(yōu)勢有：①Conxtech 鋼框架體系的梁柱連接構(gòu)造方式簡單，安裝方便,；②Conxtech 技術(shù)的傳力性能滿足體系對梁柱間傳力性能的要求,，對同類型結(jié)構(gòu)體系的研究具有很好的參考價值；③Conxtech 鋼框架體系根據(jù)不同建筑的使用條件開發(fā)了4 種子體系技術(shù),，適應(yīng)不同建筑的適應(yīng)性裝配要求,；④Conxtech體系由于對柱單元進(jìn)行了整合，同時該體系梁柱連接具有自鎖功能,，整個體系的裝配效率比較高,；⑤Conxtech技術(shù)的樓蓋體系采用了典型的壓型鋼板安裝、樓面鋼筋綁扎與混凝土現(xiàn)澆方式,，使其建筑空間布置相對較為靈活,，適用范圍較廣，并具有平面布置自由,、整體剛度好的特點,；⑥Conxtech 體系得到了2010 版美國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范的推薦，該規(guī)范對Conxtech 鋼框架體系的結(jié)構(gòu)分析與節(jié)點設(shè)計都給出了明確規(guī)定,，是一種具有成熟設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)體系,。

4.Modularize技術(shù)體系

Modularize（模塊化）技術(shù)體系是美國發(fā)展裝配建筑產(chǎn)業(yè)化的一種新興建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，它是將建筑體分成若干個空間模塊,，均在工廠中進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn),，完成后運輸至現(xiàn)場并通過可靠的連接方式組裝成建筑整體。與傳統(tǒng)建筑的建造方式相比,，其具有可縮短工期,、節(jié)約人力物力,、綠色環(huán)保、品質(zhì)精良等優(yōu)點,。

（1）Modularize體系結(jié)構(gòu)技術(shù),。該結(jié)構(gòu)體系按種類可分為全模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)和復(fù)合模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)。但是為提高模塊化建筑的結(jié)構(gòu)與使用性能,，需要將Modularize建筑與其他建筑形式進(jìn)行復(fù)合,，一般又包括：與傳統(tǒng)框架復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)、與板體結(jié)構(gòu)復(fù)合技術(shù),、與剪力墻/核心筒復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)等,。在模塊技術(shù)方面，根據(jù)Modularize建筑的結(jié)構(gòu)與所用模塊的功能類型,，目前可分為墻體承重模塊,、角柱支撐模塊、樓梯模塊和非承重模塊等,。

（2）Modularize體系施工技術(shù),。結(jié)合BIM 系統(tǒng)可通過模塊化建筑的整個安裝過程的施工模擬對實際過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：①建立3D -CI模型：即收集相關(guān)信息，建立3D -CI（3維施工信息）模型,。需要信息包括建筑有關(guān)天氣信息,、現(xiàn)場場地安全情況、使用起重機情況以及所需考慮的條件限制等,；根據(jù)3D -CI模型對場地布置進(jìn)行優(yōu)化分析,，確定場地的起重機位置、模塊單元的固定交付位置等,。②應(yīng)用4D-AS方案：即應(yīng)用4D-AS（4維裝配模擬）方案,，對建筑模塊的吊裝、裝配與連接的全過程進(jìn)行模擬分析,，確定模塊安裝的最優(yōu)次序及裝配時間安排,，并對施工過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)防。通過對施工過程中的4D 模擬分析,，確定了最優(yōu)化的施工方案,，并給出了施工過程的時間安排表。

（3）Modularize體系拓展技術(shù),。根據(jù)美國HUD,、ICBO、NAHB與PCI近年來發(fā)展Modularize技術(shù)體系的目標(biāo),，正在拓展與創(chuàng)新技術(shù)有以下幾個方面：①拓展Customized系統(tǒng)：根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品種類情況,，由某些通用模塊構(gòu)建簡化管理的生產(chǎn)線平臺，通過模塊化Customized系統(tǒng)改變某些面向特定客戶和應(yīng)用的模塊來調(diào)整生產(chǎn)線的產(chǎn)品范圍,。②拓展布局化動態(tài)組合：是要保證制造系統(tǒng)的布局化動態(tài)組合和調(diào)整能力,，以滿足未來“拼插模塊建筑”更多地體現(xiàn)仿生學(xué)元素所要求的柔性和快速響應(yīng)能力,。③拓展Isomerism控制結(jié)構(gòu)：由于模塊訂單到來的隨機性，要求控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)的特點,；Isomerism控制結(jié)構(gòu)是裝配建造系統(tǒng)應(yīng)該借鑒的結(jié)構(gòu),。④拓展網(wǎng)絡(luò)化供應(yīng)鏈：通過供應(yīng)鏈實現(xiàn)模塊生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化組織和管理，產(chǎn)品從開發(fā)到銷售的全過程將得到優(yōu)化,。

5.BIM技術(shù)體系

BIM的英文全稱是Building Information Modeling（建筑信息模型）,。裝配建筑的核心是“集成”，BIM是新型裝配式建筑設(shè)計,、生產(chǎn),、施工、裝修和管理“五位一體”集成化的技術(shù)體系,。美國是較早啟動建筑業(yè)信息化研究的國家，發(fā)展至今,，BIM研究與應(yīng)用都走在世界前列,。目前，在主管聯(lián)邦建筑服務(wù)的美國總務(wù)署（GSA）與美國建設(shè)智能聯(lián)盟（bSa-US）推動下,，美國大多建筑項目已經(jīng)開始應(yīng)用BIM技術(shù)體系,，也出臺了各種BIM標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)麥格羅希爾公司的調(diào)研,，2016年美國裝配建筑行業(yè)采用BIM技術(shù)體系的比例從2007年的36%,、2009年的54%、2012年的79%連續(xù)增長至2016年的92%,，其中95%的裝配建筑承包商已經(jīng)在實施BIM技術(shù)體系了,，超過了材料工程師（75%）及機電工程師（69%）。BIM技術(shù)體系的建筑裝配價值在不斷被認(rèn)可,。

（1）BIM標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù),。GSA下屬的美國公共建筑設(shè)計師辦公室（OCA）已經(jīng)建立“BIM構(gòu)件庫”，可通過實施可視化設(shè)計,、BIM構(gòu)件拆分及優(yōu)化設(shè)計,、BIM協(xié)同設(shè)計與BIM性能化分析，可以不斷增加BIM虛擬構(gòu)件的數(shù)量,、種類和規(guī)格,，逐步構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件庫。

（2）BIM工廠化生產(chǎn)技術(shù),。美國裝配建筑部品構(gòu)件的生產(chǎn),，能夠通過BIM模型對建筑構(gòu)件的信息化表達(dá)，利用構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo),、構(gòu)件加工圖,，并通過CAM將預(yù)制構(gòu)件的BIM信息數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,，就可以實現(xiàn)工廠化的自動化生產(chǎn)，這種數(shù)字化建造的方式可以大大提高工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量,。斯坦福大學(xué)集成設(shè)施工程中心新開發(fā)的《鋼結(jié)構(gòu)BIM制配平臺》,，正是實現(xiàn)鋼構(gòu)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、生產(chǎn)自動化的重要的數(shù)字橋梁,，是集成鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)運營中軟硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺,。

（3）BIM裝配施工技術(shù)。美國建設(shè)智能聯(lián)盟（bSa-US）開發(fā)的“Autodesk-BIM裝配平臺”,，通過施工現(xiàn)場組織及工序模擬,，將施工進(jìn)度計劃、施工模擬碰撞檢測與復(fù)雜節(jié)點施工模擬等寫入BIM信息模型,，并將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D模型中,，就可以直觀、準(zhǔn)確的反映整個建筑的施工過程,。

（4）BIM集成裝修技術(shù),。美國建筑科學(xué)研究院（NIBS）利用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)建成“BIM集成裝修部品產(chǎn)品庫”，通過可視化的BIM設(shè)計,、信息化集成模擬安裝與相對獨立的功能模塊裝配,，實現(xiàn)從原材料、部構(gòu)件與裝配裝修全過程中的實時跟蹤,，可以達(dá)到裝修設(shè)計優(yōu)化,、系統(tǒng)配置合理、集成裝修整體協(xié)調(diào)的效果,，并可將集成裝修行業(yè)的數(shù)字化應(yīng)用延伸到物流等環(huán)節(jié),。

譯據(jù)美國雜志《佛瑞斯特經(jīng)濟(jì)》2016年第12期、《產(chǎn)業(yè)投資·建筑》2017年2月號