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香港公共房屋预制装配建筑方法的演进

2016年09月02日

打印专业人士:麦耀荣   来源:混凝土世界

编者按:亚洲混凝土学会建筑工业化委员会主席陈振基教授于2011年受深圳市住房和建设局、亚洲混凝土学会的委托,主编了《国外工业化建筑经验文集》。这本文集作为内部资料,印刷数量较少,读者范围有限。经与陈振基教授商议,本刊将在“他山之石”栏目中连续刊登该文集中的有关文章,供大家学习借鉴国外工业化建筑的经验。

香港理工大学 麦耀荣

摘 要:预制装配化是更清洁、更具成效和更安全的施工方法,能够为可持续的房屋发展计划带来很大好处,其效益主要体现在节约建筑物料、减少整体资源和能源的消耗、减少建筑废料产生、营造清洁和健康的施工环境,以及缩短整体施工时间。与传统的设计和施工方法相比,以预制构件建造的楼宇具有更长的生命周期。


香港房屋委员会(简称房委会)是香港首先倡导预制装配建筑方法的先驱。早于上世纪80年代初期,房委会已通过国际知名的承建商鼓励业界采用预制构件和机械化施工技术。到80年代后期,房委会根据香港的环境,进一步推动本地主要承建商开发其本身的预制混凝土构件系统。其后,房委会相应制订一系列的合约、采购和质量保证措施,纳入建筑合约条款,予以实施。同时,崭新的技术措施亦相继出台,发展出一套完整的住宅大厦预制构件施工系统。


本文就公共房屋(简称公屋)发展工程预制构件建筑方法的演进,与读者分享所得的经验,以期整个建造业界从中受益,推动行业的可持续发展。


引言

上世纪60年代中期,大量人口从内地移居香港,其中不少人只能聚居于寮屋或非常残破的旧楼,因此政府需要迅速兴建大量单位,应付庞大的房屋需求。同时,香港工业迅速兴起,市民开始拥有稳定的收入,对改善居住环境抱有较高的期望。另一方面,香港早年的建造业仍然相对落后,只能倚靠低技术和劳工密集的方式作业。当时建造的公屋大厦,只能应付一些功能性的需求,在耐用和可持续发展方面均乏善足陈(如图1~图2所示)。



一、早期公屋的可持续发展

自上世纪70年代初起,香港人口不断增加,市民一般居住在以钢筋混凝土建造的中等高度楼宇,公屋居民尤其如此。当时业界采用混凝土,主要是因为中港两地的石矿场均可开采大量的花岗石材,无需从海外进口较为昂贵的结构钢材。而且,在香港的亚热带潮湿天气下,混凝土亦更为坚固耐用(如图3所示)。



然而,以上世纪70年代~80年代的技术水平来说,其建筑工程质量有一些缺点:


(1)仍采用传统的方式,在现场拼装木模板进行建筑工程。楼宇落成后的外观,特别是保护钢筋免受锈蚀的混凝土外层表面,在很大程度上受施工木匠的技术水平影响。


(2)在其他造工方面,例如扎筋、浇灌混凝土、混凝土工程饰面等,均为高度劳工密集,须在狭窄的现场环境下进行,而且对工人的技术要求不高,这对混凝土内钢筋的锈蚀防护功能构成不利影响。


(3)至于部件连接位置(例如窗口)的渗水、楼面(例如天台、悬臂式走廊)的积水,以及水管接驳位(例如厨房和浴室外墙)漏水等因素间接造成的损坏,也使楼宇结构构架的耐用程度降低。


在上世纪70年代~80年代期间,香港超过250幢的公屋是在上述情况下建造而成,这些楼宇的高度在7层~20层不等。多年来,政府需为这些楼宇进行全面维修,以处理混凝土剥落的问题或重浇混凝土,以及进行大型的加固工程。在过去不同时期所建造的公屋,其维修开支趋势见表1。



早期住宅楼宇的生命周期一般在40年~50年之间,但维修开支却不断增加。香港土地有限,若要增加住房以提升公屋居民的生活水平,只能向高空发展,兴建更高楼层的住宅大厦。因此,房委会把大部分旧式公屋纳入整体重建计划,分阶段拆除,以便重新发展。从可持续发展的角度看,其他建筑物如桥梁等,其生命周期超过100年,相比之下,上述旧式公屋对社会造成沉重的经济负担,这种情况必须加以改善。


据表1所示,旧式公屋的维修开支明显较大。此外,1980年的维修开支已大幅下降,这是因为房委会当时已经引入机械化的建筑方法。


二、1980年~1990年期间采用机械化建筑系统

房屋署是负责建造公屋的政府部门,一直致力于提升结构工程的质量和施工水平,于上世纪80年代中期强制在建筑结构墙中采用大型钢模板,并引入相关的机械化建筑系统(如图4所示)。



这不但是减低耗用木材的环保创举,同时可确保结构部件的线位和规格准确无误。脱模后的混凝土结构墙面层造工已大大有所改善,不再凹凸不平,而且改用钢模板后,亦再没有木材碎屑留在混凝土中。


上世纪90年代初期,房委会开创出另一项公屋建筑工程的新举措,率先采用预制外墙(主要是在生产工厂预先制造形状复杂的混凝土外墙),无须在现场拼装模板和浇灌混凝土,并在制造外墙时一并镶嵌窗框,以防止窗框/外墙的接驳位出现漏水现象(如图5所示)。


从可持续发展的角度来看,预制装配式混凝土构件建筑方法具有以下优点:

(1)大大减少耗用木材作为模板;

(2)钢筋的混凝土保护层是对抗锈蚀的第一道防线,而有关的建筑方法可确保混凝土保护层的造工质量;

(3)钢模板/钢模更为坚固,可重复使用,使混凝土得以更好地捣固。

(4)混凝土的面层造工更为光滑,可大大减少利用修补物料进行修饰的情况(长期而言,修补物料或会剥落)。


三、机械化和预制构件的综合建筑方法

我们从世界各地的承建商学习了各种建筑技术,如隧道模板、提升和爬升模板、泵送混凝土建筑方法、小型铝模板、在预制构件工厂配合钢模使用翻转台、建造楼板时使用大型台座等只是其中一部分。


虽然上述技术大部分均属可行,但对承建商的管理和统筹能力有很高的要求,而且系统的建设费用也十分昂贵。考虑到我们的建屋预算不多,而且不必追求私人商业发展项目的建筑速度,最终采用较中庸的方式,就是使用大型钢模板配合预制构件的建筑方法。


机械化和预制构件建筑方法已属房委会强制执行的政策,承建商不得自行使用传统的建筑方法。工程须使用长达7.5米的大型钢模板,且当中不能有接缝。此举令构件表面大大改善,不再出现凸起的接驳痕迹。此外,我们强制要求承建商使用塔式起重机、混凝土斗,以及预拌混凝土,这在当时亦属创举。在预制构件方面,我们强制使用预制外墙板和楼梯,以大量减少窗边渗水的情况发生,从而改善这类构件出现的施工质量问题。


四、优化预制构件的设计

预制外墙的设计过程经历了若干阶段的发展。最初阶段,我们采用承建商的设计,在结构框架建成后才将预制外墙板整块装上,再在托架上用无收缩薄浆予以固定(即事后固定法)。然而,现场搅拌的无收缩薄浆质量成疑,高层大厦在受循环风影响摇摆时,可能令薄浆开裂,从而导致渗水。因此,这个设计方案不久即被弃用,取而代之的是将预制外墙整块装入相连的剪力墙模板,然后浇灌混凝土(即预先固定法),该方法取得成效,获得了肯定。上世纪90年代初期,这些设计方案由不同承建商聘请顾问公司提供设计;90年代中期,房委会决定将预制外墙板设计改为采用标准设计方案,以节省承建商重复设计的时间和资源。这项安排亦在其他预制构件的设计中采用。


五、预制工厂迁移到境外

在推行预制构件建筑方法初期,由于香港低价高、人工贵,很少有预制混凝土构件的工厂,许多预制程序须在现场进行。承建商须在现场划出特别的施工区,以便设置浇灌场地和操作用的龙门架。同时,香港一些原本生产预应力梁或混凝土管的预制工厂,均改用作建造公屋构件的预制工厂。另外,有些承建商提出采用蒸气养护方法加快预制过程,以尽量节省在现场占用的工作空间。


上述方法沿用数年后,由于上世纪90年代后期建造公屋需求不断增加,我们作出政策性的决定,接受在境外(即内地珠江一带)预制的构件。初时,主要的承建商纷纷在该地区购置土地,开设预制工厂,并以陆路或水路进行跨境运输。后来,因水路运输必须在码头重复装卸,陆路运输遂成为主流。此外,虽然不少承建商致力开设预制工厂,但部分因管理不善而很快结业,最后仅有数家规模较大和高质量的工厂得以成功经营。


六、大量生产预制构件

预制外墙板的设计面世后,有更多不同的建筑构件随之研发生产。这些预制构件形形色色,均为配合不同位置和组合的功能而制造(如图6~图14所示),详情如下:



(1)半预制楼板

我们强制采用半预制楼板,原因如下:


1)半预制楼板的底面光滑,为木材模制所不能及。以往,我们曾规定承建商限制重复使用夹板的次数,但即使如此,楼板底面的质量仍然欠佳。


2)采用半预制构件可大幅度减少建造楼板所需的临时支架,从而减少可能出现的造工和安全问题。


(2)预制楼梯和连系梁

在现场建造楼梯,工人须在半封闭的空间工作,并可能要上落楼梯,构成造工质量和工人上落安全的问题。采用预制楼梯便可避免上述顾虑。此外,在高空建造连系梁,须使用稳固的大型工作台,若采用预制梁,只须将其吊到所需位置安放,工程简便得多。


(3)间隔墙

间隔墙分结构墙和非结构墙两种。结构性的间隔墙以厚度为150mm或100mm的钢筋混凝土墙建造,用作分隔各个单位的防火墙。非结构性的间隔墙则以空心或加气混凝土墙板建造。


(4)立体预制浴室/厨房

这是一种箱形的构筑物,预制后可安装到各个单位。由于是立体设计,构件预装多条入墙暗管和有关配件、磁砖和防水膜等。此外,构件内加设预埋管套,以取代容易引致渗漏的预留箱形凹位。大量的湿作业均可移往管理较佳的工厂进行。根据经验,在楼宇的生命周期内,浴室和厨房范围所需的维修保养较多。如以上造工能妥善提升质量,日后的维修会大大减少。


七、采用预制构件建筑方法建造高层大厦

预制及单元组合式建筑方法已为法国、英国、瑞典,以及其他多个欧洲国家普遍采用,但通常只用于建造平房或楼高约20层的中等高度建筑物,因为这些国家不像香港须兴建高层住宅大厦。虽然香港也曾参考新加坡的作法,但香港仍须自行开发本身独特的预制构件式建筑技术。新加坡楼宇的高度在过去都不超过30层,以梁柱体系作为主流结构形式。反观香港,其住宅大厦往往高于40层或以上,结构形式则以剪力墙为主。


因此,就香港情况而言,采用预制装配构件建筑方法建造高层大厦,需要特别考虑建造效益等多项因素:


(1)对称式的大厦布局

大厦采用对称式布局,使不同类型的建筑构件可重复使用,方便塔式起重机回旋吊运建材。


(2)单元组合单位

大厦不同单位(包括一睡房、二睡房和三睡房单位)均采用单元组合式设计,可统一各单位的建筑和结构构件,有利于相关构件重复使用,提升建筑效益。


(3)预制构件的重量

预制构件的重量至关重要,因为较重的构件须以较大型的塔式起重机吊运,令建筑成本大幅提升。而且,立体预制构件的摆放布局,亦须小心规划,以确保在建筑过程中塔式起重机的起吊能力足以应付构件的重量。


(4)尺寸偏差

在建筑高层大厦时,各类预制构件须与剪力墙和立柱等结构互相连接,因此各部分尺寸必须十分精确,装配时只容许出现非常轻微的尺寸偏差,否则整个建造工程便会延误。


八、装配建筑方法的质量保证

我们采用预制装配构件建筑方法,主要考虑在远离现场生产的预制构件质量得到保证。为此,房委会订立了一系列质量保证措施,详情如下:


(1)聘请独立结构工程顾问,负责监督预制场的生产过程,并调派全职人员常驻。有关人员通常是内地的大学毕业生,受聘后担任常驻工厂的督导人员。


(2)每个工厂均须定期进行内部稽核,而独立顾问须按月进行外部稽核。此外,房委会会定期审核独立顾问的工作表现。


(3)我们就有关工厂实施“承建商表现评分制”,评核重点以产品的造工水平为主。有关工厂透过“承建商表现评分制”所得的评分,关系到聘用预制构件供应商的总承包商表现,因此会影响总承包商的投标资格。


(4)预制工厂在开设初期,须取得国际标准化组织的ISO 9001认证资格。而且,供应商在获得批准生产预制构件之前,亦须进行投产试验,以展示其生产技术水平。房委会近期更规定有关工厂须取得国际标准化组织的ISO14001认证资格。


结语

预制装配化是更清洁、更具成效和更安全的施工方法,能为可持续的房屋发展计划带来莫大好处,其效益主要体现在节约使用建筑物料、减少整体资源和能源的消耗、减少建筑废料产生、营造清洁和健康的施工环境,以及缩短整体建筑时间。此外,与传统的设计和建筑方法比较,预制构件建筑方法能提高有关项目的生命周期成本效益。


房委会在预制构件建筑方法上所取得的经验,可以说硕果累累。香港的私营机构相继仿效,由于私营发展商可以负担较为昂贵的构件,他们更能将这种建筑方法发扬光大,无论在纵度和深度均有所提高。与香港早年的住宅楼宇相比,以预制装配建筑方法建造的房屋更加持久耐用,可让我们的下一代继续作为安居之所。


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