当前, 我国住宅发展已完成从“缺房”到“有房”的转变, 住宅短缺问题基本解决。而与此同时, 由于过去我国住宅建造方式落后, 大量住宅暴露出产品质量差、后期运维难度大、使用寿命短等问题, 这与可持续发展战略及人民日益增长的美好生活需要相违背, 转变我国住宅发展模式迫在眉睫^[1]。在日本发展较为成熟的SI住宅是一种支撑体与填充体相对分离的先进住宅形式^[2], 在结构和主要部品的耐久性、设备部品的维护更新性以及户内平面变更与改装的适应性等方面具有显著优势^[3], 是最适合我国发展建筑工业化的住宅形式^[4]。推动SI体系住宅在我国的发展, 对推动我国住宅产业现代化、住宅建造工业化以及住宅建设可持续具有重要意义。

SI住宅技术含量高, 管理难度大, 目前在我国实践应用中存在建设成本普遍偏高、推广动力不足等问题。支撑体结构作为SI住宅永久性组成部分, 其质量保证是SI住宅实现长寿化的基础和前提。日本非常重视SI住宅支撑体结构选型和施工方式的合理选择, 在进行决策前需要进行严密细致的探讨, 而当前我国关于SI住宅的研究多为针对填充体内装部分的可变性设计以及集成部品与技术的应用等方面, 对支撑体的技术方案的研究较少。本文对日本在结构选型和施工方式选择上的经验进行分析, 以期对我国SI住宅支撑体结构选型及施工方式的选择有所启发。

综上, 本文通过分析SI住宅的内涵, 系统地提出SI住宅支撑体混凝土结构设计建造应当满足的要求。在提出支撑体结构要求的基础上, 结合日本经验, 对我国SI住宅支撑体混凝土结构选型及施工方式的选择给出建议。这将有助于SI住宅参与方打破工业化建造的思维定式, 在支撑体结构选型和施工方式选择上做出更为科学合理的决策, 促进SI住宅在我国大规模推广实施, 推动我国住宅产业化发展进程。

SI住宅是日本在住宅建设实现“一家一户”目标后, 住宅政策实行“从质到量”转变之际, 在探索“资源循环型住宅”过程中, 基于SAR (Stichting Architecten Research) 支撑体住宅理论以及OB (Open Building) 开放建筑理论等发展形成的新型住宅建设模式、体系和方法。

SI住宅由S和I两部分组成, S表示具有耐久性、公共性的住宅支撑体, 是住宅内不允许随意改动的部分;I表示具有灵活性、专有性的住宅填充体, 是住宅全寿命周期内可以根据需求进行灵活改造的部分^[5]。SI的核心理念是将住宅中的支撑体和填充体有效分离, 分别进行生产与施工, 在不破坏支撑体的前提下对填充体进行维修、保养、更新, 从而提高住宅使用寿命。

从住宅产品构成看, SI住宅支撑体与填充体的划分如图1所示^[5,6], 支撑体主要包括结构主体部分 (梁、板、柱、承重墙地面等以及在房屋使用寿命周期内需要维修更新的部分 (公用设备、管线等) ;填充体主要包括根据建筑物质量要求需要变更部分 (非承重墙、门窗等) 和根据用户需求更新的内部空间部分 (管线设施、厨卫设备、内部装修等) ^[7]。根据支撑体骨架部分使用材料不同, 可分为木结构、钢结构和钢筋混凝土结构等, 其中钢筋混凝土结构是目前我国住宅建设中最普遍采用的结构类型, 因此本文以钢筋混凝土骨架结构为对象对支撑体结构选型与施工方式的选择展开研究。

SI住宅的核心理念包括: (1) 采用高耐久性的建筑主体结构; (2) 主体结构与内装及管线部分相分离; (3) 户内空间具有灵活性和满足今后生活方式变化的适应性; (4) 住栋公共部分和私有部分的分界清晰、责任分明; (5) 住宅主管道设置在公共部分, 便于管线与设备的维护和更换^[8]。这就对SI住宅支撑体结构的功能特性提出了要求:一是需要支撑体结构具备足够的安全性和耐久性;二是支撑体结构应能形成满足住宅空间灵活可变的大空间构造;三是支撑体结构要有利于支撑体自身以及支撑体与填充体间接口的可靠连接。

明确SI住宅支撑体结构的要求是合理选择支撑体结构类型和施工方式的基础, 根据SI住宅支撑体结构功能特性以及一般住宅对结构的功能要求, 可以总结出SI住宅支撑体结构应满足如下四点要求:一是可靠性, 是支撑体结构实现的基础, 也是SI住宅耐久性的保证;二是适应性, 是实现SI住宅支撑体和填充体分离优势的核心;三是建造精度^[9], 是为更好地实现填充体灵活可变性以及结构的安全性而提出的要求;四是经济性, 任何结构的设计和建造都不能忽视对经济性的考虑。SI住宅支撑体混凝土结构要求如图2所示。

日本作为目前工业化住宅普及率较高的国家, 其住宅工业化技术较为先进。由于日本在8层以上住宅中普遍采用钢筋混凝土结构, 与我国相似, 且日本是我国发展SI住宅主要的学习借鉴对象和工业化技术的重要引进来源, 故本文选取日本在支撑体结构选型和施工方式选择的经验进行分析。

20世纪末, 日本凭借精细的设计、严格的管理和各建造环节的紧密配合, 支撑体结构工业化程度和建造技术都达到了较高的水平。基于全球范围内可持续发展理念的影响, 日本UR都市机构研发出可持续性KSI住宅, 将原本50年耐久年限全面提升至100年, 进入21世纪以来, 日本在集合住宅建设项目中全面推广和实施了KSI住宅相关技术^[8]。日本的钢筋混凝土集合住宅结构形式主要包括剪力墙结构、框架结构、墙式框架结构和框架-剪力墙结构, 主要适用范围如表1所示^[10]。

日本规定剪力墙结构只能用于8层以下住宅:一是由于剪力墙结构瞬时倒塌的危险性大;二是由于剪力墙结构刚度过大, 在发生地震时易导致建筑物整体倾倒, 用于高层建筑更危险;三是在建筑技能上, 由于剪力墙承重墙多、户型间隔不可变, 也制约了住宅的灵活可变性。墙式框架结构改善了剪力墙结构变形能力不足的缺点, 因此适用范围提高到15层, 这种结构曾经是日本住宅结构工业化的主角, 除了工厂预制, 大模板的应用也很大程度提高了这种结构的施工效率, 不过这种结构形式限制了住宅的适应性, 也无法很好地体现支撑体和填充体分离的特征。框架结构的最大优点是具备良好变形性能, 在房屋产生塑性形变后仍然可以保持良好的垂直支撑能力, 不至于瞬时倒塌, 保证了住宅的安全性, 且框架结构对形成大空间非常有利。框架+剪力墙结构与墙式框架结构类似, 只是将“墙式柱”和“墙式梁”改为普通梁柱, 通过加强楼板和梁的整合设计, 不仅可以实现管线分离, 还可为管线提供更多自由空间, 是一种可实现长期使用、高耐久性的可持续耐久型支撑体结构形式^[11]。筒体结构是由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构演变而来, 通过集中布置剪力墙可形成较大自由空间, 适用于层数较多的高层建筑, 安全性较高, 但不经济。

日本支撑体结构建造方式按施工方式的整合方针进行分类可分为:在来工法、工业化构工法以及复合化构工法, 三种方式经过几十年的发展, 都已较为成熟。

在来工法等同于我国的传统现浇建造方式, 工业化构工法与我国当前倡导的装配式建造方式相当, 是指构件在工厂生产后在现场进行组装的方式, 复合化构工法是根据建筑不同部位分别采用在来工法和工业化构工法的施工方法, 不仅可以合理地组织生产满足建筑的结构性能, 还能提高现场施工效率^[12], 类似于我国近些年发展起来的可称之为“现场工业化”的建造方式。

在来工法作为一种传统工艺, 需要大量劳动力, 现场湿作业较多, 加上建筑物走向大型化复杂化的道路, 日本在这种方式的基础上进行了很多改进。为应对技术劳动力短缺和业主缩短工期的要求, 采取了将部分现场施工作业转移到工厂进行的方式, 通过引进生产机械、有效整合作业组成提高效率、利用信息技术, 不断地开发提高生产效率的构工法, 逐渐形成了工业化构工法和复合化构工法。由于日本注重技术研发和PC构件生产加工的质量, 工人素质较高, 且管理经验充足, 标准规范体系完备, 其工业化构工法可以广泛应用于各类建筑类型的施工, 复合化构工法则多用于超高层住宅施工。目前, 日本集合住宅支撑体结构形式及适用范围如表2。

SI住宅支撑体结构开放程度越高, 适应性越好, 全生命周期使用价值越高, 可持续性也就越好。SI住宅支撑体结构选型应在保证结构安全可靠的基础上, 根据住宅所在地抗震设防烈度及住宅高度要求不同, 在满足最大高宽比的前提下尽可能选择大空间结构类型, 最大可能发挥支撑体和填充体分离的特性, 为住户提供自由分割个性空间的机会。此外, 结构设计时要尽可能保证支撑体结构的形体规整性, 一方面可以使结构的刚度和承载力分布更均匀, 保证施工合理安全, 另一方面也能提高住宅空间利用率, 满足住宅对节能、节地、节材等方面的要求。

我国住宅支撑体结构在材料和结构形式上和日本差距较小, 因此支撑体结构选型可参考日本在这方面的经验。目前我国新建住宅多为中高层, 在支撑体结构类型的选择上可考虑采用可持续耐久型的高性能框架或框架-剪力墙结构, 通过减少室内承重构件, 使得填充体尽可能脱离支撑体而存在。此外可以通过局部架空楼板、墙体和天花板构成放置管线的空间, 实现设备管线分离, 从而减少由于更新改造给结构体带来的破坏, 延长支撑体结构的使用寿命。

当前SI住宅建设处于新型建筑工业化的大背景下, 我国新型建筑工业化的主要技术路线是构件工厂化生产、现场装配的装配式施工方式, 也就是装配式建造方式。SI住宅提倡以工业化技术手段进行生产, 与我国建筑工业化发展目的一致, 都倡导可持续建设理念, 这导致我国在发展SI住宅时将支撑体结构的工业化也作为SI住宅的评价标准, 近一半开发商在开发SI住宅时选择采用预制装配施工方式, 合理与否却有待商榷。以装配式建造方式建造SI支撑体结构未来可期, 但不能因此彻底否定现浇作业方式, 对两者进行融合改进, 从而取得效益最大化, 或许是当前更适合我国SI住宅支撑体结构建造的路径。

装配式建造方式实行场外预制和现场组装作业, 以装配式建造SI住宅支撑体结构的建造流程如图3所示。理想状态下, 工厂生产构件的流程和环境都有更强的可控性^[13], 有助于提高构件质量和建造精度, 也具有节约资源、减少现场劳动力、降低成本、保护环境等优势, 但就其当前在我国的发展情况而言, 仍存在很多技术壁垒和发展限制, 标准化模数化不统一、设计体系不配套、构件质量不达标、工人素质较低、运输限制以及初期建造成本偏高等因素都使得装配式建造方式在我国面临瓶颈, 质量和安全得不到保障。

更值得重视的是, 日本国土交通省新建住宅统计数据显示 (如表3) , 2011～2017年间日本新建住宅中采用装配式建造方式的住宅平均占新建住宅14.8%, 其中钢筋混凝土结构仅占其中2.1%, 也就是说采用装配式钢筋混凝土结构建造的住宅仅占新建住宅0.3%。分析原因:一方面是由于日本高层住宅较少, 而用装配式建造方式建造钢筋混凝土结构用于高层和超高层建筑才比较经济;另一方面, 木结构和钢结构在日本住宅建造中更能体现装配式建造方式的优势。以上可见尽管日本重视住宅工业化发展, 在钢筋混凝土结构的预制装配上也没有强制要求。

近年来, 我国诸多企业在住宅的工业化建造方面做出了与装配式建造方式不同的探索, 对我国新型建筑工业化进行了新的解读, 具体包括碧桂园“SSGF”高质量建造体系、万科“5+2+X”体系、旭辉“1+1+1”建造体系、中建八局“六化”体系等。

从广义上看, 任何可以将建筑从分散式、小规模的传统手工生产模式转换成产业式、大规模、手工作业减少的生产模式的途径和方法, 都可纳入建筑工业化的范畴^[14]。以上这些新型建造方式通过合理采用场外作业方式, 并进行现场施工技术创新, 在不违背传统钢筋混凝土结构的设计规范、也不颠覆传统建造逻辑的前提下, 通过采用高精度铝模系统、智能爬架、结构拉缝、保温一体化等技术提高现场机械化水平, 结合并行工程和精益管理等现代先进生产管理手段实现施工过程的有效控制和管理, 既克服了传统现浇方式的质量缺陷、又吸收了装配式建造方式的优点。在提高住宅建设质量和生产效率、解决当前建筑业劳动力短缺问题、改善工人作业环境以及提升住宅建设效率、降低环境负荷等方面均具有良好的效果, 同样可以实现建筑工业化的目标。这种通过技术创新采用新型模具在现场进行支撑体结构浇筑的方式也可看作一种工业化建造方式^[15], 可称之为“现场工业化”建造工方式, 其建造流程如图4所示。

就装配式建造方式而言, 由于SI住宅支撑体结构的适应性需要大空间结构来实现, 长寿命要求使得SI住宅支撑体结构在安全性和物理耐久性方面的要求比普通住宅要求更高, 若单纯出于建筑工业化和住宅产业化的考虑, 以装配式建造方式来发展SI住宅支撑体结构, 可能会同时制约SI住宅和装配式建造方式的发展。我国更应结合国内各项经济条件和结构的要求以及当前技术发展水平来考虑支撑体结构的建造方式, 而不是盲目地简单套用国外先进技术^[16]。应进行本土化的技术研究和体系探索, 并在建造体系成熟前考虑采用其他方式进行过渡, 待其技术和管理水平过关、安全性得到充足保障, 且在普通住宅中大规模实践后, 再考虑以这种方式进行SI住宅支撑体结构建造。

就现场工业化建造方式而言, 在SI住宅支撑体结构建造过程中采用铝模、爬架、钢筋预加工等工艺, 不仅有助于提高大空间钢筋混凝土结构的整体稳定性、控制建造误差在合理范围内, 还能大幅减少渗漏、空鼓等质量通病, 另外通过多次周转使用, 可以降低支撑体结构的建造成本。从价值工程的角度看, 这种施工方式能利用现浇作业方式的经济优势以及SI住宅的高性能实现互补, 提高住宅的性价比, 增加用户对SI住宅的接受度, 同时也能提高开发商参与SI住宅建设的积极性。就目前SI住宅开发商动力不足、用户认可度不够的现状而言, 采用这种施工方式更符合我国当前建筑工业化的发展阶段, 有助于SI住宅建设项目的顺利实施。

综合以上分析, 在SI住宅发展初期, 应避免在装配式建造技术和管理水平未成熟时就应用于SI住宅支撑体结构的建造, 特别是在当前我国SI住宅本身驱动力就不足的情况下, 选用一种更利于SI住宅支撑体结构要求和SI住宅体系理念实现的建造方式, 对SI住宅在我国的健康发展尤为重要。当前, 我国应采用同样具备工业化属性的现场工业化施工方式进行SI住宅支撑体结构的建造, 而对于楼梯、阳台和隔墙等易于实现标准化生产的非承重构件则可以考虑采用预制装配的方式, 但要确保与支撑体结构的有效连接。

本文结合SI住宅体系内涵和特征, 指出SI住宅支撑体结构应满足可靠性、适应性、建造精度和经济性要求;通过分析日本在支撑体结构形式选择和施工方式选择上的经验, 针对适合我国发展的SI住宅支撑体结构类型给出建议;最后结合我国建筑工业化发展现状, 对施工方式的选择给出合理化建议。目前我国SI住宅支撑体混凝土结构建造应以现场工业化建造方式为主, 辅之以非承重构件的预制装配化, 而对于装配式建造方式, 应待其技术和管理体系成熟后, 再应用于SI住宅支撑体结构建造。研究结果有利于SI住宅建设参与方明确SI住宅支撑体的要求、进行SI住宅支撑体结构类型和施工方式的合理化选择, 有助于实现SI住宅的经济效益和社会效益, 从而促使更多住宅企业投身到SI住宅建设中来, 推动SI住宅在我国的健康发展。