四、美国装配建筑产品技术动向
美国装配式住宅与建筑经过近一世纪的发展，各生产厂家、专业顾问公司及大学的相关科系在美国住宅和城市发展部（HUD）、美国建筑管理局国际联合会（ICBO）、美国国家制造者联盟（NAHB）、美国土木工程师学会（ASCE）及预制与预应力混凝土协会（PCI）的长期领导下，主要采用PC类与轻钢类装配结构体系，其部品构件的生产预制与装配建设已经进入专业化设计和标准化、模块化、通用化生产建造阶段，建立了非常完善的产业化装配建筑及其产品技术体系。近年来，美国装配建筑界正在发掘并推行可持续环保与低碳节能的绿色装配技术：
1.ACSTC技术体系
ACSTC即“干连接装配混凝土结构技术”体系，这是由PCI牵头成功发展的具有预制特性的完整技术体系。该体系不受现浇混凝土结构设计理念的束缚，并且将预制产品的装配特性完全发挥出来，在市场上能以质量及造价上平衡的优势与其他建筑材料自由竞争，特别是在技术、安全及质量等方面已成为美国一个成熟的装配部构件产业。由于产业化装配建筑大量使用预应力及装饰外墙等预制产品的快速发展，干式连接预制产品更能达到建造商及建筑师的要求，近年来在美国建筑市场上成为更为灵活且耐久优异的新型装配建筑技术。最近正在美国加州施工中的高科技苹果公司的总部大厦主体结构就是采用了DCACS技术。该技术体系的关键技术、连接方法、设计原则有：
（1）ACSTC体系关键技术。预制混凝土结构是由许多单独生产的构件组成，由于需要在工地组装的特性，各个组件之间需要有适当的连接以支持建筑物的整体性及设计荷载。美国不论抗震要求的高低，干性连接为主要的方式来组合完成最后的结构体，先在每一个预制构件中预埋不同的连接件，然后在工地现场用螺栓、焊接等方式，按照设计要求完成建筑物整体结合的组装。这是国际较少运用但是走出“等同现浇”防震限制的关键技术。
（2）ACSTC体系连接技术。ACSTC的干连接件比他们连接的预制组件有更多的柔性，因为在外力下的变形往往集中在连接件上。一个成功的干性连接结构体更能完全反应出在受力时结构工程师的假设，而且具有比现浇结构更好的安全性。选择连接件的类型是预制结构设计的关键，在初期设计时就要按照他们预期的作用而定下它的类形。美国建筑管理局国际联合会（ICBO）的《国际建筑规范（IBC）》中对连接件有三种分类：①强性连接件（SC）：在设计中位于结构在反应外力时不需要屈服的位置，强连接不需要有韧性的要求。②韧性连接件（TC）：具有显著的变形能力，能在非弹性变形集中地带形成抗震系统的一部分。韧性连接在反循环荷载作用下形成稳定的滞后环（Hysteresis loops），在设计中确保屈服及循环应变硬化发生在连接处，可以用焊接，但要保证焊接及预埋件的强度要大过连接预埋件之间的连接件。无论如何，要有足够的应变能力，以维持在变形之下的抵抗力。③可变形连接件（DC）：在结构移动时变形而不产生阻力。例如预制梁与柱之间有橡胶垫片，能允许梁有小量的旋转，达到简支的要求。另外在与梁平行方向用螺栓连接来确保不会产生负弯矩及允许温度变化。同时也要在结构体有大变化时，构件本身不会因大位移而失去其他承载垂直力连接件的功能。
（3）ACSTC体系设计技术。该技术是在Connector（连接件）的设计技术中，必须重视优化系统连接外力反应、加载传送路径、加载压力偏心、加载容量以及标准化、耐久性和防火性等技术原则。另外需要考虑的是耐久性（防绣处理）、防火性、美观性，简单现场检验，现场快速施工达到连接件结构设计要求，减少起吊机挂钩时间等。
2.DBS技术体系
钢结构体系是美国装配建筑界的主流结构，但近年来在可持续发展背景下被赋予了新的意义——致力开发最符合可持续发展要求、能够在今后相当长的历史进程中展现其节能、环保、绿色优势的钢结构体系新技术。新型DBS技术体系是美国Dietrich公司研究开发的多层轻钢结构住宅体系（Dietrich Building System），该体系以SI理念为基础衍生而来。SI是美国哈布瑞根教授提出“SkeletonInfill”理论的缩写。区分SI理念与非SI理念的关键点在于除主体结构外的构件是否可以拆卸替换，而DBS技术可实现SI的美国多层轻钢住宅体系，该技术体系的专利技术与装配优势有：
（1）DBS体系专利技术。DBS体系拥有多项专利技术，一般采用美国住宅常用的空间尺度：开间4.88m，每层净高2.44m。墙体C型镀锌轻钢龙骨截面高100mm，间距610mm，龙骨根据荷载大小采用0.5~1.5mm镀锌钢板制成。墙面为固定在轻钢龙骨两侧的纸面石膏板，剪力墙需要加设一层镀锌钢板，并用自攻螺丝和轻钢龙骨固定。
（2）DBS体系楼板技术：在轻钢楼盖梁上铺20mm厚纤维水泥板形成承重结构，再在其上做各种地板面层。为了布置管线，墙体龙骨和楼盖梁均每隔一定距离开孔，开孔周边的变形处理保证了截面削弱处的局部稳定性，可使楼板开孔直径达截面高度的80%。墙体龙骨和楼盖梁间均填充玻璃棉，用以保温并可起到吸声隔音作用。
（3）DBS体系技术优势。采用DBS体系技术的多层轻钢结构住宅，经过ICBO、NAHB的权威测试，其优势有：①采用DBS系统建造轻钢结构住宅，在非地震区最高可建到12层；②DBS体系较混凝土结构体系施工进度快，易于水、电、汽等管线布置；③DBS体系结构自重轻，以某多层住宅为例，结构用镀锌轻钢构件为3lkg/m，结构自重161kg/m，由于节省材料故而也降低了造价；④DBS体系的墙体龙骨和楼盖梁间均填充玻璃棉，用以保温、吸声隔音、防火与抗震性能，并通过了美国权威的UL实验室检测认证；⑤利于循环经济的发展。例如在美国建造一座建筑面积（约合4645m）的旅馆，可使用168辆旧汽车所回收的钢材；⑥在DBS技术体系中，其装配优势有两大方面：一是在建筑全生命周期的不同阶段可进行平面及空间改造；二是在不损伤主体结构时更换设备或构件可实现住宅寿命的百年目标。
3.Conxtech技术体系
目前适用于低层建筑的钢结构体系是装配式钢结构建筑体系的主流，但适用于多高层的装配式结构较少。在美国的LSFB轻型钢框架建筑体系中，适用于多高层具有代表性的结构体系技术是《2010版美国钢结构抗震设计规范》“Conxtech Steel frame technology system（Conxtech 钢框架技术体系）”。该技术体系是由美国ConXL公司开发的一种新型装配式钢框架结构技术，已经由HUD、NAHB、NASFA等共同对此进行了深入持久的研究测验，认定其推广应用的关键技术、连接方法与技术优势有：
（1）Conxtech体系关键技术。该体系适用于多高层建筑，由框架梁、框架柱、梁柱连接组件、压型钢板组合楼盖组成，是一种纯钢框架结构体系，采用方钢管混凝土柱及宽翼缘H型钢截面梁。根据Conxtech结构特点、节点形式与采用梁柱截面尺寸的不同，该体系分为如下四种子体系关键技术：①ConXRTM-100子体系：采用ConXR梁柱连接，柱采用100mm ×100mm（4in）的方钢管，钢梁采用W6 宽翼缘钢梁，跨度在1.2 ~4.8m，其体系框架层数不超过12 层，主要应用于小型的管道架构及钢平台结构。②ConXRTM200子体系：采用ConXR梁柱连接，柱采用200mm ×200mm（8in）的方钢管，钢梁采用W12 宽翼缘钢梁，跨度在2.4 ~6.0m，主要应用于多高层钢结构住宅及管道架构。③ConXLTM300子体系：采用ConXL 梁柱连接，柱采用300mm ×300mm（12in）的方钢管或焊接方形截面，钢梁采用W14 ~W24 宽翼缘钢梁，跨度在3.6 ~9.0m，其体系框架层数不超过15 层，主要应用于多高层钢结构住宅及管道架构。④ConXLTM400子体系：采用ConXL 梁柱连接，柱采用400mm ×400mm（16in）的方钢管或焊接方钢管，钢梁采用W18 ~W30 的宽翼缘钢梁，钢梁跨度大于5.5m，最大跨度可达19.8m；主要应用于医疗、军事、数据中心、商务办公、停车场和大型工业建筑等的主体结构。
（2）Conxtech体系核心技术。Conxtech体系独创性的运用了ConXR和ConXL两种梁柱连接方式，是该体系的核心技术：①ConXR连接形式：梁柱交接处，在柱子的四个侧面以楔形的插座锁定相连，辅以高强螺栓固定完成梁柱节点拼接。连接节点处框架柱上下贯通，内部填充混凝土形成钢管混凝土柱，形成刚性连接节点。适用于框架层数不超过12层的结构体系中。②ConXL连接形式：梁柱节点处，在柱子对角位置采用柱面T型套板相连，梁端套板插入两个柱面套板之间，就位锁定后由高强螺栓完成梁柱节点拼接。与ConRL形式相同，ConXL节点区域同样为刚性连接节点。适用于框架层数不超过15层的结构体系中。
（3）Conxtech 体系技术优势。采用Conxtech技术体系的多高层装配式结构建筑，经过NASFA、ICBO的权威测试其优势有：①Conxtech 钢框架体系的梁柱连接构造方式简单，安装方便；②Conxtech 技术的传力性能满足体系对梁柱间传力性能的要求，对同类型结构体系的研究具有很好的参考价值；③Conxtech 钢框架体系根据不同建筑的使用条件开发了4 种子体系技术，适应不同建筑的适应性装配要求；④Conxtech体系由于对柱单元进行了整合，同时该体系梁柱连接具有自锁功能，整个体系的装配效率比较高；⑤Conxtech技术的楼盖体系采用了典型的压型钢板安装、楼面钢筋绑扎与混凝土现浇方式，使其建筑空间布置相对较为灵活，适用范围较广，并具有平面布置自由、整体刚度好的特点；⑥Conxtech 体系得到了2010 版美国钢结构抗震设计规范的推荐，该规范对Conxtech 钢框架体系的结构分析与节点设计都给出了明确规定，是一种具有成熟设计方法的结构体系。
4.Modularize技术体系
Modularize（模块化）技术体系是美国发展装配建筑产业化的一种新兴建筑结构技术，它是将建筑体分成若干个空间模块，均在工厂中进行预制生产，完成后运输至现场并通过可靠的连接方式组装成建筑整体。与传统建筑的建造方式相比，其具有可缩短工期、节约人力物力、绿色环保、品质精良等优点。
（1）Modularize体系结构技术。该结构体系按种类可分为全模块化结构技术和复合模块化结构技术。但是为提高模块化建筑的结构与使用性能，需要将Modularize建筑与其他建筑形式进行复合，一般又包括：与传统框架复合结构技术、与板体结构复合技术、与剪力墙/核心筒复合结构技术等。在模块技术方面，根据Modularize建筑的结构与所用模块的功能类型，目前可分为墙体承重模块、角柱支撑模块、楼梯模块和非承重模块等。
（2）Modularize体系施工技术。结合BIM 系统可通过模块化建筑的整个安装过程的施工模拟对实际过程进行优化设计：①建立3D -CI模型：即收集相关信息，建立3D -CI（3维施工信息）模型。需要信息包括建筑有关天气信息、现场场地安全情况、使用起重机情况以及所需考虑的条件限制等；根据3D -CI模型对场地布置进行优化分析，确定场地的起重机位置、模块单元的固定交付位置等。②应用4D-AS方案：即应用4D-AS（4维装配模拟）方案，对建筑模块的吊装、装配与连接的全过程进行模拟分析，确定模块安装的最优次序及装配时间安排，并对施工过程中可能出现的问题进行预防。通过对施工过程中的4D 模拟分析，确定了最优化的施工方案，并给出了施工过程的时间安排表。
（3）Modularize体系拓展技术。根据美国HUD、ICBO、NAHB与PCI近年来发展Modularize技术体系的目标，正在拓展与创新技术有以下几个方面：①拓展Customized系统：根据企业的产品种类情况，由某些通用模块构建简化管理的生产线平台，通过模块化Customized系统改变某些面向特定客户和应用的模块来调整生产线的产品范围。②拓展布局化动态组合：是要保证制造系统的布局化动态组合和调整能力，以满足未来“拼插模块建筑”更多地体现仿生学元素所要求的柔性和快速响应能力。③拓展Isomerism控制结构：由于模块订单到来的随机性，要求控制系统具有动态响应的特点；Isomerism控制结构是装配建造系统应该借鉴的结构。④拓展网络化供应链：通过供应链实现模块生产过程的网络化组织和管理，产品从开发到销售的全过程将得到优化。
5.BIM技术体系
BIM的英文全称是Building Information Modeling（建筑信息模型）。装配建筑的核心是“集成”，BIM是新型装配式建筑设计、生产、施工、装修和管理“五位一体”集成化的技术体系。美国是较早启动建筑业信息化研究的国家，发展至今，BIM研究与应用都走在世界前列。目前，在主管联邦建筑服务的美国总务署（GSA）与美国建设智能联盟（bSa-US）推动下，美国大多建筑项目已经开始应用BIM技术体系，也出台了各种BIM标准。根据麦格罗希尔公司的调研，2016年美国装配建筑行业采用BIM技术体系的比例从2007年的36%、2009年的54%、2012年的79%连续增长至2016年的92%，其中95%的装配建筑承包商已经在实施BIM技术体系了，超过了材料工程师（75%）及机电工程师（69%）。BIM技术体系的建筑装配价值在不断被认可。
（1）BIM标准化设计技术。GSA下属的美国公共建筑设计师办公室（OCA）已经建立“BIM构件库”，可通过实施可视化设计、BIM构件拆分及优化设计、BIM协同设计与BIM性能化分析，可以不断增加BIM虚拟构件的数量、种类和规格，逐步构建标准化预制构件库。
（2）BIM工厂化生产技术。美国装配建筑部品构件的生产，能够通过BIM模型对建筑构件的信息化表达，利用构件生产指导、构件加工图，并通过CAM将预制构件的BIM信息数据输入设备，就可以实现工厂化的自动化生产，这种数字化建造的方式可以大大提高工作效率和生产质量。斯坦福大学集成设施工程中心新开发的《钢结构BIM制配平台》，正是实现钢构产品产业化、生产自动化的重要的数字桥梁，是集成钢结构生产运营中软硬件系统的基础平台。
（3）BIM装配施工技术。美国建设智能联盟（bSa-US）开发的“Autodesk-BIM装配平台”，通过施工现场组织及工序模拟，将施工进度计划、施工模拟碰撞检测与复杂节点施工模拟等写入BIM信息模型，并将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D模型中，就可以直观、准确的反映整个建筑的施工过程。
（4）BIM集成装修技术。美国建筑科学研究院（NIBS）利用物联网管理系统建成“BIM集成装修部品产品库”，通过可视化的BIM设计、信息化集成模拟安装与相对独立的功能模块装配，实现从原材料、部构件与装配装修全过程中的实时跟踪，可以达到装修设计优化、系统配置合理、集成装修整体协调的效果，并可将集成装修行业的数字化应用延伸到物流等环节。
译据美国杂志《佛瑞斯特经济》2016年第12期、《产业投资·建筑》2017年2月号
原文作者：佛瑞斯特研究院研究员约翰·格雷斯博士、美国商务部产业投资局首席顾问约翰·凯·史密斯博士。
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