美國現(xiàn)代預制業(yè)經(jīng)過近一世紀的發(fā)展在安全， 技術及質量上已成為一個成熟的工業(yè)。而這一切都不是偶然的。是各生產廠家，專業(yè)顧問公司及大學的相關科系在美國預制-預應力協(xié)會(PCI)的長期領導下的成果。在PCI帶領下，美國預制業(yè)已成功發(fā)展出一套完整且有預制特性的設計及施工方法。不受到現(xiàn)澆混凝土結構設計理念的束縛，將預制產品的特性完全發(fā)揮出來。在市場上能以質量及造價上平衡的與其他建筑材料自由競爭。

因為預制業(yè)大量使用預應力及裝飾外墻的快速發(fā)展，預制產品更能達到業(yè)主及建筑師的要求。在建筑市場上反而成為更靈活且耐久的材料。 最近正在美國加州施工中的高科技蘋果公司的總公司就以混凝土預制材料為主(如圖1，圖2所示)。主體結構在地震九級的加州也使用預制材料。

美國預制業(yè)有很多值得我們學習的優(yōu)點，因篇幅有限，我就以干性連接及剪力墻絞接梁柱系統(tǒng)的使用做介紹。這二點是國內較少運用但是走出”等同現(xiàn)澆”限制的關鍵之一。

我們常用搭積木來形容預制組合。其實并不合適，用外國的樂高(LEGO) 來形容或許更接近一些，因為樂高是相互連接的積木。

預制混凝土結構是由許多單獨生產的構件組成，由于需要在工地組裝的特性，各各組件之間需要有適當?shù)倪B接以支持建筑物的整體性及設計荷載。美國不論地震要求的高低，干性連接為主要的方式來組合完成最后的結構體，以在每一個預制構件中預埋不同的連接件(圖3，圖4所示)然后在工地現(xiàn)埸用螺栓，焊接等方式(圖5，圖6所示)按照設計要求完成組裝，圖7及圖8 用3D透視圖表示出建筑物整體結合情況。

通常干連接件比他們連接的預制組件有更多的柔性， 在外力下的變形往往集中在連接件上，容易，經(jīng)濟性是預制構件生產和現(xiàn)埸安裝的二大要素?，F(xiàn)埸誤差的容忍度也很重要，同時在允許變形下不會有太多強度的損失。而每個構件與其相鄰的構件要以美國ACI對整體性(如圖9所示)的要求為最低標準連接，不能過于僵化，以防止在溫度變化及預制構件在受力時能產生合理變形而不影響連接件的強度，一個成功的干性連接結構體更能完全反應出在受力時結構工程師的假設，而有比現(xiàn)澆構更好的安全性。.

 1.1 連接件設計指南

 1.1.1 連接件的分類

選擇連接件的類型是預制結構設計的關鍵，在初期設計時就要按照他們預期的作用而定下它的類形，鋼筋的屈服是鋼筋混凝土結構在較嚴重外力(例如:地震力)下的一般反應，設計時應考慮在組件中非彈性變形的位置與設計，在變形時仍不影響在工作荷載下的承載力。而預制構件的連接處是最容易屈服的位置，美國IBC(International Building Code)中對連接件有三種分類：

1.1.1.1 強(Strong) – 強連接件在設計中位于結構在反應外力時不需要屈服的位置，強連接不需要有韌性(ductile)的要求。一個例子是梁和柱的連接在梁的跨中(如圖10所示)，在地震力下在梁中間的彎矩小于梁端的彎矩，它遠離屈服點，這種連接件比較少用，雖然可行，但因需要安排合成連接后的結構的屈服點不在連接處比較困難及不經(jīng)濟。

1.1.1.2 韌性(Ductile) – 韌性連接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)的一部份，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)，在設計中確保屈服及循環(huán)應變硬化發(fā)生在連接處，可以用焊接，但要保證焊接及預埋件的強度要大過連接預埋件之間的連接件。不論如何，要有足夠的應變能力，以維持在變形之下的抵抗力。圖11是剪力墻之間的干連接，在主要地震后的照片。

1.1.1.3 可變形(Deformable)– 可變形連接在結構移動時變形而不產生阻力。例如圖12預制梁與柱之間有橡膠墊片，能允許梁有小量的旋轉，達到簡支的要求。另外圖13在與梁平行方向用螺栓連接來確保不會產生負彎矩及允許溫度變化。同時也要在結構體有大變化時，構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。

1.2 連接件設計原則

1.2.1 系統(tǒng)的連接件(System connections) – 因為連接件的連接決定結構如何反應外力。所以連接件應該如何連接要與整個結構系統(tǒng)相連合。例如剪力墻結構，兩種結構反么是剪力墻在基礎的搖擺(rocking)還是平面的小許滑動來釋放能量，所以設計者不僅要設計連接件將規(guī)范規(guī)定的力傳到基礎，也要決定建筑物要用何種方式反應較巨大外力。

1.2.2 加載傳送的路徑(Load path) – 每一個完整的加載傳送路徑會將外力安全的傳送到基礎上。每一個傳送中的連接件要有適當?shù)脑O計有足夠的承載力來完成外力的傳送。而每個連接件有可能在同一時間傳送多種外力且在不同方向，而應力集中可能造成的局部開裂要在優(yōu)化設計中考慮。

1.2.3 加載路徑的偏心(Load path eccentricity) – 因連接件位置的安排及連接方式的限制。力量的傳遞有時會有偏心產生，在張力情況產生的偏心會造成彎矩要拉直構件或造成連接件的變形，而壓力的偏心會在構件上產生額外的彎矩，在設計連接件時要避免這種偏心或做其他安排使偏心產生的彎矩用其他組件抵抗。

1.2.4 容量設計(Capacitydesign) – 容量設計是細部設計的原則.。使設計者能控制連接件在整體設計的影響，能確定加載路線的屈服發(fā)生在指定的韌性元素中，該元素應是連接件中最薄弱的環(huán)節(jié)，適當?shù)陌踩禂?shù)要加在與弱環(huán)節(jié)相關的連接件(預埋件)上,，使它們在有巨大外力時不需要有韌性的反應而有屈服的現(xiàn)像，使地震后的修復較容易完成。

例如圖13所示, 如果不在焊接或混凝土錨固處采取任何特別措施，破壞可能是脆性，發(fā)生在焊接斷裂或預埋件在混凝土產生局部破壞，如果連接預埋件的矩形連接板經(jīng)過特別處理,，使其減弱，在強震下先屈服而變形，使能量釋放位置在人為控制之下，后期的撿修也易于完成。

1.2.5 韌性(Ductility)– 韌性連接設計要確保有韌性特性但預防預埋件在構件中不產生局部開裂。

1.2.6 施工能力(Constructability)– 連接件的設計要考慮：在同一工程中的標準化， 避免非標準生產，考慮吊裝的公差, 現(xiàn)埸調整能力。

另外需要考慮的是：耐久性(防繡處理)，防火性，美觀，簡單現(xiàn)埸檢驗，現(xiàn)埸快速施工達到連接件結構設計要求，減少起吊機掛鉤時間等。另外因工程需要，還有許多特別要求，在此無法一 一詳述.。

有別于中國的剪力墻-框架系統(tǒng)，美國最常使用的預制結構體系是剪力墻-梁柱系統(tǒng)。水平力百分之百使用剪力墻承受，梁柱接頭使用絞接，不承受水平力(如圖14所示).以內剪力墻系統(tǒng)(如圖15所示)及外剪力墻系統(tǒng)(如圖16所示)為主。一般而言，外剪力墻系統(tǒng)比較經(jīng)濟，因外墻做剪力墻的同時也能做裝飾墻(如圖17所示). 因工程需要，混合使用也是可行。

一般柱以多層柱為主(如圖18~圖20所示)，梁以簡支梁計算，梁通常只有在梁的上端有連接件與柱相連(如圖21所示).梁，柱，樓板以可靠的連接方式連接，保持建筑物在水平力之下的整體性。

2008年美國加州的圣地亞哥大學(San Diego University)在美國國家科學基金會及預制預應力協(xié)會支持下完成了一個三層樓的振動臺實驗(如圖21，圖22所示)，整棟建筑以傳統(tǒng)干連接，剪力墻承受百分之百水平力，梁柱以絞接為主。實驗結果很成功的證明了剪力墻-梁柱體系在強震之下的可靠性。

從現(xiàn)階段市埸反應來看，裝配建筑的建設成本高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的建設成本。一般而言并沒有太多的公開數(shù)據(jù)可供參考.，在有限的資料中每平方米的造價有從200元到800元不等。這對裝配式建筑的廣泛發(fā)展和大范圍應用造成了不利的影晌。

現(xiàn)階段等同現(xiàn)澆的設計施工方向，即使使用不同的流冰線，自動化及標準化來降低成本。在這幾年的實踐中，并不能完全解決造價過高的問題，而從結構上真正發(fā)揮預制構件優(yōu)勢的設計不失為一條可行之路，利用工廠施工的先拉法預應力水平構件及適當使用干連接來建立一個比現(xiàn)澆鋼筋混凝土更經(jīng)濟及實用的預制結構體系，因結構體系的優(yōu)化。構件生產，運輸及現(xiàn)埸施工費用才能真正降低，在建筑市埸上有自由競爭的機會。

3.1 案例:

建筑 A(如圖23所示)是傳統(tǒng)使用迭合板，次梁的某一實際預謒工程，唯一不同是將樓梯及電梯間去掉以利比較；建B(如圖24所示)使用同樣柱距，梁及樓板改成預應力構件；建筑物C，D(如圖25，26所示)增加一方向柱距，達到12米，同樣使用預應力梁及樓板；建筑物E(如圖27所示) 使用剪力墻-梁柱系統(tǒng)。使用干連接及多層柱；建筑B到E的梁，樓板因使用預應力，所以并不需要臨時支撐(如圖17，圖18，圖20所示)。表1列出在不同設計方案下頂預制構件的分類及總數(shù)的比較。

3.2 討論

3.2.1 建筑A與建筑D

以美國傳統(tǒng)施工做比較，一般運輸及現(xiàn)場施工占總工程預算的40%，建筑D比建筑A減少16.4%的工程費。

因空心樓板是單向板，與板同方向的梁的垂直承載力極小，因而梁柱接頭延伸出的鋼筋也相對減少，主要是抗水平力的鋼筋，而承受樓板的梁雖受較大的載重，因預應力的使用加上無支撐施工技術的應用，梁延伸出的鋼筋并不會增加，間接解決了內柱延伸鋼筋過多的現(xiàn)埸施工問題。另外加上無需臨時支撐及預應力空心樓板的經(jīng)濟性，建筑D至少比建筑A節(jié)省超過20%的工程費。

3.2.2 建筑A與建筑E

建筑E比建筑A的預制件減少超過50%，吊裝速度以樓板6.5件/小時，墻 1件/小時，梁 2件/小時，柱 .75件/小時，計算，總共吊裝時間是95小時，以一天工作八小時計算，一共只需十二個工作天，因使用干連接，吊裝是連續(xù)進行，干連接由專門技術人員同步完成。

主結構由305個構件減低至73個構件，柱因不承受水平力，40公分的正方型柱足夠承受承直力，因構件數(shù)量的減少梁柱接頭的簡化，長線生產，預應力標準件的使用。一般中型預制埸有能力在六個工作天完成所有的構件，也就是說在最快十五個工作天(工廠完成50%開始吊裝)能夠從生產到現(xiàn)埸吊裝完畢，如果需要現(xiàn)澆層，可以在吊裝全部完成后再澆灌。

雖然不能很直接的做很詳細的經(jīng)濟性比較，但從生產、運輸、吊裝的速度及簡化上分析，建筑E會是最有競爭力的體系。如果有合理的規(guī)范做支撐，將會是一個比現(xiàn)澆更有經(jīng)濟性的梁柱結構。

在全國積極推動產業(yè)化的同時，不要忘記設計的提升，走出”等同現(xiàn)澆”的限制，如同世界各地發(fā)展出靈活及高質量的預制產品，真正成為現(xiàn)澆混凝土的替代品，預制產品也成為安全、快速、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的代名詞。