《PCI設計手冊》-預製及預應力混凝土的大百科全書

近年來，裝配式混凝土建築結構在我國得到了大力的推廣應用，但是配套的規範、標準以及應用手冊存在缺失以及良莠不齊的問題，在這方面美國已經發展多年，有著更多的經驗，並且美國的“預製/預應力混凝土協會”（簡稱PCI）從1971年開始匯聚現行業最新的實踐經驗進行總結，形成了《PCI設計手冊》並不斷進行迭代，目前最新版為2017年發佈的第八版。通過對《PCI設計手冊》進行學習借鑒，可以幫助我國更好更快地發展裝配式混凝土建築。

北美預製/預應力混凝土發展歷程

預製/預應力混凝土在美國的早期出現可以在紀念預應力混凝土協會成立25週年而編寫的一系列論文中找到。紀念“預製/預應力混凝土協會（PCI）成立50週年之際，也出版了類似刊物。1950年在賓夕法尼亞州費城建設的著名的核桃路紀念大橋是北美地區預製/預應力混凝土行業快速發展的里程碑事件。核桃路紀念大橋建成後，美國工程師和建築行業掀起了預應力混凝土的熱潮。

50年代的關注焦點在七股鋼絞線，長線胎模，外加劑，高強混凝土，真空混凝土，蒸汽養護等多方面的創新。隨著以上技術和工藝的發展，再加上PCI提供的技術和後勤保障，産業得以快速增長。標準産品的研發是20世紀50年代和60年代的主要活動之一。1970年代末，低鬆弛鋼絞線的出現極大地減少預應力損失現象，從而更有效地使用預應力，進一步獲得更大跨度和更小的結構截面。1980年代，工程師和業主均認識到耐久性是建築結構的一個重要方面，而工廠預製的混凝土結構可以在較低水灰比和更好控制條件下進行生産，比現場澆築的混凝土更耐用。

在過去的幾十年中，行業見證了更高效的結構體系、更複雜的建築形態和表面處理技術的發展。超高強度混凝土（UHSC）、自密實混凝土（SCC）、聚合物、碳纖維和高強鋼材等新材料、新技術持續推動著行業發展。在新世紀，預製/預應力混凝土被認為是一種高性能材料，它易於與其他材料和系統相整合，形成具有多樣性，高效率和功能易恢復（抗災韌性）等優點的高性能結構。

預製/預應力混凝土的特點

預製與預應力混凝土易於與其他材料和系統整合，可以形成具有多樣性、高效率和功能易恢復（抗災韌性）等優點的高性能結構。其具有以下特點與優勢：

1.實現美學多樣性：美學多樣性可通過一系列的紋理、顏色、飾面和鑲嵌等實現，可以模倣或結合花崗岩、石灰石、磚、陶土以及其他幾乎任何形狀和配置的材料。

2.更大跨高比：通過預應力的應用，構件具有更大的跨高比，更強的結構性能以及需要更少的材料。使建築物開放空間更大，橋梁中使用更少橋墩。

3.重復利用：大跨度預應力預製構件可拆卸和重復使用。

4.快速建造：地上建築構件的生産可與地基基礎作業同時進行，現場安裝工作可全年進行，不會因惡劣天氣或構件強度養護要求而造成延誤，從而實現快速建造。

5.對施工現場影響最低：裝配結構通常不使用腳手架、臨時平臺或大型堆放區域，更適用於場地緊張的項目。 

6.專業分包和交接環節少：通過減少專業分包商數量和交接環節降低項目整體風險。如防水板和接縫密封材料等無需分包。 

7.熱工性能和能效好：由於混凝土本身具有高的比熱容，再進一步通過設置連續隔熱層可以進一步提高建築熱工性能和能效。 

8.耐久性好：預製混凝土具有較長的使用壽命，在某些情況下可超過100年，從而降低全生命週期成本。 

9.抗災韌性好：預製混凝土的固有品質和高強度的特性，可針對龍捲風、颶風、地震和其他自然災害或人為危害事件提供多方面的防護。

10.抗爆和抗連續倒塌性能好：具有將結構設計成冗余系統的能力，可以保證建築結構的抗爆性能和結構整體性。

11.防火性能好：預製混凝土作為不可燃材料，可作為被動防火材料，無需額外防火保護。可能實現保險費的降低。 

12.室內環境品質好：預製混凝土不包含揮發性有機化合物（VOC），不適合黴菌生長，因此提高了生命安全和室內環境品質。

13.隔聲效果好：在聲學控制方面，為居民和使用者帶來愉悅的工作和生活條件。

14.品質可靠：在工廠可控的條件下製造，品質控制得以提升。

典型應用情況

1.建築結構

預製/預應力混凝土天生具備多功能性、效率和抗災韌性，是一種高性能材料和系統。業主、開發商和設計師認識到這些預製/預應力混凝土的固有特性，將有助於設計和建造各種類型的高性能結構。

裝配式混凝土結構體系：預製混凝土梁、柱與預製混凝土樓板的組合提供了一個快速經濟的結構體系。該結構體系結合預製裝飾混凝土外墻板為業主提供了單一責任主體帶來的成本和進度的優勢。

裝配式混凝土圍護系統（週邊護）：包括預製裝飾混凝土週邊護系統、外墻板和飾面板。批量生産的預製混凝土構件具備良好的經濟性的同時，也為建築藝術表達提供了極大的靈活性。週邊護系統不僅可作為結構的週邊護或承受豎向荷載，而且可承受水準荷載。

住宅：預製/預應力混凝土廣泛應用於低、中、高層住宅、酒店、汽車旅館、公寓、宿舍、退休住房和療養院。其出色的防火和隔音性能得到了業主和開發商的高度認可。

司法設施：司法設施包括多種建築類型，包括看守所、監獄、警察局、法院、少管所、特殊精神健康或毒品治療中心。預製混凝土因其諸多天然優勢受司法設施的青睞，除了前面提到的優勢，在人身安全、安全硬體和通信系統方面預製/預應力混凝土建築亦是理想選擇。

辦公樓：預製/預應力混凝土在辦公建築中有著廣泛的應用，無論是從整體建築系統還是到單一的預製構件産品。預製/預應力混凝土梁、樓板和柱用於框架系統中，剪力墻可單獨使用或與梁和柱一起使用來抵抗水準荷載。預製裝飾混凝土既可以作為週邊護系統也可以作為結構系統的一部分。

倉庫和工業建築：預應力混凝土的大跨度、低梁高且可承受較大荷載的能力，特別適用於倉庫和工業建築。有隔熱層或不含非隔熱層的預應力混凝土墻板應用於倉庫和輕工業廠房中是非常經濟的。在重工業項目中，預應力樓板能夠承受工業設施所産生的較大樓面荷載，通過與其他預製混凝土構件相結合能夠構建出多功能、低維護費用、耐腐蝕的結構體系。

教育設施：預製/預應力混凝土材料用於教育設施具有許多獨特的價值。預製混凝土樓板和墻板為不燃材料，全面提高了消防安全性。裝配式混凝土結構的高比熱容提供了熱惰性，從而減少了總體的加熱和冷卻費用，併為居住者提供較高的舒適度。且預製混凝土施工速度快，可以滿足大多數教育設施工期緊湊的要求。

風暴避難所：採用裝配式混凝土體系的風暴避難所，例如體育館、教室、自助餐廳、娛樂區和會議室等，除了能發揮其日常基本功能之外，當龍捲風預警發出時，它們可作為抵抗龍捲風的防護避難場所。預製混凝土的自重大，有利於滿足風暴避難所的抗風吸要求，也有利於滿足飛行物衝擊測試要求。

其他建築結構：預製/預應力混凝土的眾多優點使其不僅適用於住宅、司法設施，辦公樓、工業廠房以及教育設施，也適用於其他建築類型：如購物中心等商業建築；如醫院、圖書館、博物館和候機樓等公共建築以及項目改造。

2.停車場結構

建築師、工程師、開發商和業主已經將預製/預應力混凝土作為商業，市政和公共停車場的首選建築材料。停車場雖然被歸類為建築物進行建造，但其結構很特殊，在某些方面和具有多層面板的橋梁類似。停車場結構需承受汽車的移動載荷，其屋頂和橋梁面板一樣需暴露在外。此外，作為露天結構，其整體結構易受天氣影響。裝配式混凝土結構自身較強的耐久性能、低成本、快速建造、美觀多樣性和大跨度等優點，使其成為停車場結構的不二選擇。

3.體育館/演出場地

大型體育場館和演出場地等複雜結構的實現很大程度上得益於預製技術的應用。此類項目通常工期緊湊以滿足特定的體育賽事。預製/預應力混凝土因其工期優勢、耐久性好和維護費用低的特點成為此類建築的不二選擇。工廠批量製造的預製看臺板可被生産成各種造型和跨度，供快速現場安裝並能長久使用。人行坡道、樓面夾層、商鋪、衛生間和更衣室等區域都可以使用預製/預應力混凝土構件高效構築並快速建造。

4.橋梁

橋梁建設開啟了北美預應力行業的發展。現在，預製/預應力混凝土是中小跨度橋梁的主要結構材料。預製/預應力混凝土憑藉其自身的耐久性、維護成本低、性能優異、品質高等優勢成為橋梁建設的必然選擇。預製混凝土構件可在各種天氣情況下進行快速建造，且不影響交通，從而增加了項目的經濟性。

5.其他結構與應用

之前提到的預製/預應力混凝土固有特性和設計靈活性也使其成為各種特殊結構的理想選擇。預製/預應力混凝土因其耐腐蝕性、耐火性、耐久性和快速安裝的特點使其在電線桿、樁、鐵路枕木、儲罐、單軌鐵路、擋土墻、高速公路和跑道路面、隔音屏障和預應力樁應用上具有顯著優勢。標準化的預製構件在提供性價比較高的預製産品的同時，還可降低現場建造成本和風險。預製/預應力混凝土也可以根據需求進行定制化設計和應用，並融合多功能與形式以適應各種複雜的環境。

《PCI設計手冊》簡介

《PCI設計手冊》整合了預製/預應力混凝土行業最新的實踐經驗，涉及到行業整個産業鏈的方方面面，本文主要對第一章的內容做了簡要介紹，其餘章節的內容詳見中建科技集團和美國PCI協會合作譯審的《PCI設計手冊-預製及預應力混凝土》中文版，全書除包括結構設計、構件設計、連接節點設計、構件生産、儲運與安裝外，還有材料、防火、聲學、熱工、振動、抗爆、抗連續倒塌、公差、橫隔板設計、裝飾混凝土結構、規程與標準等若干專題內容，此外還附有數百篇參考文獻和引用標準。

《PCI設計手冊》是一本在預製及預應力混凝土領域大百科全書式的著作，對於國內從事裝配式建築結構領域的理論研究、設計分析、生産製作、施工裝配、標準制定的工作人員來説，具有重要的參考意義。相信通過對《PCI設計手冊》的消化借鑒，以及我國從業技術人員的不斷努力，我國的裝配式混凝土建築行業的發展會更加迅速和健康。